機(jī)械加工誤差對主動(dòng)磁懸浮軸承性能的影響探究

董如昊，魏志韜，鄧 艷

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

現(xiàn)階段，主動(dòng)磁懸浮軸承已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)階段逐漸過渡到了實(shí)際應(yīng)用階段，在工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種軸承系統(tǒng)本身的可靠性處于較高水準(zhǔn)，且具備可觀的工作周期和工作壽命。不過，在主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)運(yùn)行期間，機(jī)械加工誤差對主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大影響，有必要針對這項(xiàng)內(nèi)容分析系統(tǒng)性能的影響機(jī)理，切實(shí)優(yōu)化主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)運(yùn)行性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

1 主動(dòng)磁懸浮軸承概述

1.1 主動(dòng)磁懸浮軸承

作為一種頗具代表性的機(jī)電一體化產(chǎn)品，主動(dòng)磁懸浮軸承（Active Magnetic Bearing, AMB）亦被稱作磁力軸承、電磁軸承、磁軸承。涉及的綜合技術(shù)包括數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、測試技術(shù)、磁性材料、控制工程技術(shù)、電工電子學(xué)技術(shù)、機(jī)械學(xué)技術(shù)以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)技術(shù)等。主動(dòng)磁懸浮軸承不涉及機(jī)械接觸的情況，在運(yùn)行期間呈現(xiàn)出無需潤滑處理、無磨損、無摩擦的情況，達(dá)成轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程的高速化。一般來說，轉(zhuǎn)子材料類型及材料強(qiáng)度是對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的主要因素。主動(dòng)磁懸浮軸承還具備噪聲極小、功率消耗水平極低的優(yōu)點(diǎn)，可以在多種復(fù)雜化的環(huán)境之中進(jìn)行有效應(yīng)用，本身具備較強(qiáng)的適用性。主動(dòng)磁懸浮軸承的明顯優(yōu)勢還體現(xiàn)在能夠依托控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)化監(jiān)測轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線評估不平衡情況，在此基礎(chǔ)上采取主動(dòng)控制的形式整改不平衡情況，主動(dòng)磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)將會(huì)保持較高的精度水平。同時(shí)，相較于氣體軸承、油膜軸承以及傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承而言，主動(dòng)磁懸浮軸承的優(yōu)越性更加明顯。

1.2 主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)構(gòu)成

主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)由功率放大器、傳感器、電磁鐵、轉(zhuǎn)子以及控制器等構(gòu)成。占據(jù)核心地位的是控制器，主動(dòng)磁懸浮軸承整體性能在很大程度上是由控制器所決定的。同時(shí)，主動(dòng)磁懸浮軸承的穩(wěn)定性、阻尼以及動(dòng)態(tài)性能，均會(huì)受到控制器的直接影響。一般來說，應(yīng)用到主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中的控制器存在兩種形式，分別是數(shù)字控制器和模擬控制器。就現(xiàn)階段我國所使用的主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)來看，當(dāng)選用模擬控制器時(shí)，盡管可以在一定程度上滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，不過相較于數(shù)字控制器而言，這種控制器本身存在著較為明顯的缺陷：1）體積較大，功耗大；2）互換性較差，在應(yīng)用期間，當(dāng)主動(dòng)磁懸浮軸承不同時(shí)，控制器需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；3）無法達(dá)到同時(shí)控制兩個(gè)及兩個(gè)以上自由度的目標(biāo)；4）應(yīng)用期間無法實(shí)現(xiàn)便利調(diào)節(jié)，難以做到復(fù)雜化控制。

出于拓寬主動(dòng)磁懸浮軸承應(yīng)用范圍的目的，需要有效規(guī)避模擬控制器在線調(diào)節(jié)性能不佳情況，對于主動(dòng)磁懸浮軸承而言，數(shù)字化控制器才是最為主要的發(fā)展方向。同時(shí)，在未來的發(fā)展中，還應(yīng)當(dāng)不斷致力于主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的智能化發(fā)展。數(shù)字化控制器一方面能夠促使主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，另一方面還能夠?qū)崿F(xiàn)控制器柔性、可靠性的提升，控制器功耗降低和體積的減小。

2 主動(dòng)磁懸浮軸承原理

主動(dòng)磁懸浮軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主要是依托于磁力作用，使得轉(zhuǎn)子得以在空中懸浮，定子與轉(zhuǎn)子之間并不存在機(jī)械接觸[1]。主動(dòng)磁懸浮軸承的工作原理是通過磁浮線和軸芯的平行、磁浮線與磁感應(yīng)線的垂直作用，使得轉(zhuǎn)子能夠始終在運(yùn)轉(zhuǎn)軌道上固定，依托于幾乎不存在負(fù)載的軸芯在磁浮線方向來回往返，實(shí)現(xiàn)頂撐轉(zhuǎn)子，使之處于懸空狀態(tài)并在運(yùn)轉(zhuǎn)軌道上固定的目標(biāo)。本次研究中的主動(dòng)磁懸浮軸承工作原理為差動(dòng)方式，且在轉(zhuǎn)子兩側(cè)存在兩個(gè)徑向磁懸浮軸承。在主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)之中，每個(gè)徑向磁懸浮軸承定子之中存在4 對磁極，處于相對狀態(tài)的兩對磁極將會(huì)組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)軌道運(yùn)動(dòng)的過程中感受到雙向電磁力，單個(gè)徑向磁懸浮軸承能夠控制轉(zhuǎn)子的兩個(gè)自由度，且在轉(zhuǎn)子各個(gè)自由度方向之中，均進(jìn)行了位移傳感器的安裝，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子在對應(yīng)方向上位移進(jìn)行檢測的目的。圖1 為單自由度層面徑向磁懸浮軸承的工作原理。

圖1 單自由度層面徑向磁懸浮軸承工作原理

在圖1 中，圓形所代表的為轉(zhuǎn)子，其兩側(cè)存在的物體即為兩對磁極，這兩對磁極共同構(gòu)成了單個(gè)自由度的差動(dòng)結(jié)構(gòu)[2]。如圖1 所示，如果轉(zhuǎn)子在x軸方向與平衡位置偏離，且偏離值為x1，在這種情況下，依托于位移傳感器的作用，控制系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的位置偏移情況，同時(shí)生成相應(yīng)的電流ic予以控制。此時(shí)，正磁極和負(fù)磁極這兩項(xiàng)內(nèi)容之間存在的差異數(shù)值即為轉(zhuǎn)子的受力，其中，正磁極為圖1 中的i+，表示為：

式（1）中，i+所表示的含義為正磁極；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流，該式表示正磁極為這兩項(xiàng)內(nèi)容之和。

另外，負(fù)磁極為圖1中的i-，表示為：

式（2）中，i-所表示的含義為負(fù)磁極；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流，該式表示負(fù)磁極為這兩項(xiàng)內(nèi)容之差。

在對轉(zhuǎn)子在x方向所接受的磁力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以使用如下公式：

式（3）中，F(xiàn)x1所表示的含義為主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子在x方向所接受的磁力；Fx1+所表示的含義為主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子在x方向所接受的正磁極磁力；Fx1-所表示的含義為主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子在x方向所接受的負(fù)磁極磁力；μ0所表示的含義為真空磁導(dǎo)率；A所表示的含義為徑向磁極面積；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流；n所表示的含義為單個(gè)磁極線圈的匝數(shù)；gr0所表示的含義為主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)時(shí)存在的單邊氣隙；φ所表示的含義為關(guān)于磁極結(jié)構(gòu)的角度，此處取22.5°。

主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子在x方向所接受的磁力能夠使得轉(zhuǎn)子重新恢復(fù)平衡狀態(tài)，將偏離情況進(jìn)行糾正。在軸承系統(tǒng)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，轉(zhuǎn)子會(huì)處于其平衡狀態(tài)所在范圍周邊較小區(qū)間，降低主動(dòng)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)煩瑣程度，當(dāng)控制電流為0 且x也為0 時(shí)，對式（3）進(jìn)行簡化，整合之后可得如下公式：

式（4）中，ki所表示的含義為電流剛度；kx所表示的含義為位移剛度。

3 主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)裝配誤差檢測原理

通常情況下，主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較為明顯的煩瑣性、復(fù)雜性特征，若想實(shí)現(xiàn)直接測量誤差面臨較大的難度，不僅如此，主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的定子和轉(zhuǎn)子之間如果存在氣隙，也會(huì)使得轉(zhuǎn)子安裝狀態(tài)無法直觀地呈現(xiàn)出主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)本身存在的裝配誤差[3]。一般來說，當(dāng)主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)處于懸浮狀態(tài)時(shí)，徑向磁懸浮軸承工作電流是反映存在的裝配誤差的主要載體，正因如此，在分析主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的裝配誤差時(shí)，能夠依托于對系統(tǒng)工作過程中徑向磁懸浮軸承線圈電流進(jìn)行分析的形式實(shí)現(xiàn)這一目的。就近年來的主動(dòng)磁懸浮軸承裝配調(diào)制現(xiàn)狀而言，徑向磁懸浮軸承定子不同軸、軸向磁懸浮軸承定子裝配誤差以及推力盤垂直度誤差是具體的主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中能夠產(chǎn)生較大程度影響的幾個(gè)主要因素?；谶@種情況，在檢測主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的裝配誤差時(shí)，通常是檢測上述三種誤差的相位和大小。

在具體開展檢測工作的過程中，第一步應(yīng)當(dāng)先使得主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中的軸向磁懸浮軸承處于靜止?fàn)顟B(tài)，而系統(tǒng)中的兩個(gè)徑向磁懸浮軸承則處于工作狀態(tài)，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)，測量每一個(gè)徑向磁懸浮軸承線圈工作電流中的直流分量和幅度、交流分量和幅度，并詳細(xì)記錄測得的結(jié)果，記錄為狀態(tài)一[4]。第二步使得主動(dòng)磁懸浮軸承中的軸向磁懸浮軸承和徑向磁懸浮軸承均處于工作狀態(tài)，并將系統(tǒng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，測量每一個(gè)徑向磁懸浮軸承線圈工作電流中的直流分量和幅度、交流分量和幅度，并詳細(xì)記錄測得的結(jié)果，記錄為狀態(tài)二。第三步計(jì)算所記錄的狀態(tài)二中的數(shù)值相較于狀態(tài)一中的數(shù)值出現(xiàn)的增量，應(yīng)當(dāng)明確的是，之所以會(huì)產(chǎn)生數(shù)值增加的情況，根本原因即為相較于狀態(tài)一下的系統(tǒng)運(yùn)行狀況，狀態(tài)二之中加入了軸向磁懸浮軸承的運(yùn)動(dòng)。這種情況表明了徑向磁懸浮軸承在工作期間會(huì)受到來源于軸向磁懸浮軸承的影響，依托于對實(shí)際電流增量的方向和數(shù)值進(jìn)行分析的形式，即可以明確主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)實(shí)際的裝配誤差情況[5]。

4 機(jī)械加工誤差對主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)性能的影響

4.1 軸向軸承推力盤相對于系統(tǒng)內(nèi)定子發(fā)生偏斜狀況

在主動(dòng)磁懸浮軸承之中，由于類型的不同，軸承系統(tǒng)本身的自由度數(shù)量也不相同。在具備5 自由度的主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)之中，通常存在多個(gè)組成部分，共同構(gòu)成系統(tǒng)的機(jī)械部分，包括轉(zhuǎn)子、一個(gè)軸向軸承定子以及兩個(gè)徑向軸承定子。一般來說，渦流位移傳感器是主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測時(shí)最常用的一種傳感器。出于實(shí)現(xiàn)渦流效應(yīng)提升的目的，低電阻率材料是制作位移傳感器檢測面的主要材料。同時(shí)，出于降低材料渦流損耗和磁滯損耗的目的，在加工主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的徑向軸承定子及對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁路部分時(shí)，通常所選用的加工方式為疊壓硅鋼片。在加工軸向軸承推力盤和軸向軸承定子時(shí)，在技術(shù)原因的限制下，所使用的制作材料通常是整體軟磁材料，在這種情況下，主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)之中的轉(zhuǎn)子通常是一種較為復(fù)雜的組件，需要將軟磁材料推力盤、硅鋼片以及低電阻率材料共同裝配在鋼制基軸上組合而成[6]。

在加工徑向磁懸浮軸承定子時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工誤差的充分降低和有效控制，一般可以采取組合加工的形式，為上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)之中之所以需要配備軸向軸承定子，主要原因在于為推力盤安裝劃分成兩個(gè)獨(dú)立磁極提供便利條件，并在裝配工藝之下，構(gòu)成完整定子。不過，在此類裝配工藝之下，相較于控制徑向軸承而言，想要實(shí)現(xiàn)有效控制軸向軸承安裝精度需要面臨更高的難度[7]。在具體進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，出現(xiàn)軸向軸承推力盤相對于主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)內(nèi)定子偏斜情況的可能性較大。從本質(zhì)上來說，主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中兩個(gè)徑向軸承定子不同軸、軸向軸承定子裝配偏斜、軸向軸承推力盤和轉(zhuǎn)子軸線這二者并非垂直狀態(tài)是導(dǎo)致偏斜現(xiàn)象產(chǎn)生的三個(gè)主要原因。

4.2 徑向軸承系統(tǒng)位移傳感器檢測面產(chǎn)生的圓度誤差

在機(jī)械加工的過程中，一種出現(xiàn)頻率較高的誤差為圓柱表面圓度誤差。具體而言，在圓柱加工的過程中，由于加工技術(shù)等多重原因的限制，使得加工出的圓柱呈現(xiàn)出橢圓柱的形狀，且橫截面也為橢圓。這種誤差情況也是主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)加工期間的常見誤差之一，將會(huì)對系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響，具體表現(xiàn)為對轉(zhuǎn)子的懸浮造成影響，削弱主動(dòng)磁懸浮軸承性能[8]。

4.3 徑向軸承位移傳感器檢測面軸線相對于徑向軸承工作面軸線出現(xiàn)偏斜

在進(jìn)行徑向磁懸浮軸承工作面的加工時(shí)，為了滿足使用性能和要求，所選擇的制作材料與加工徑向位移傳感器檢測面的軸承不相同，這兩項(xiàng)內(nèi)容的切削性能也存在著較為明顯的差異。在這種情況下，當(dāng)加工主動(dòng)磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子時(shí)，傳感器檢測面軸線相對于工作面軸線發(fā)生偏斜的可能性較大，即這兩個(gè)表面的軸線不處于正常應(yīng)有的重合狀態(tài)，主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的性能將受到影響，轉(zhuǎn)子也難以處于平衡狀態(tài)。

4.4 軸向磁懸浮軸承定子在安裝過程中出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象

相較于軸向軸承推力盤不垂直現(xiàn)象而言，此類誤差與前者存在一定的相似點(diǎn)，一旦產(chǎn)生這種誤差，將會(huì)使得徑向軸承受到來源于軸向軸承的干擾力偶[9]。但是，這兩種誤差之間也存在一定的差異，這種不同體現(xiàn)在：當(dāng)主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中軸向軸承定子的安裝出現(xiàn)偏斜情況時(shí)，所生成的干擾力偶的方向呈現(xiàn)出與軸向軸承定子偏斜方向一致的趨勢，不僅如此，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，干擾力偶的方向也不會(huì)隨之發(fā)生變化。

4.5 徑向位移傳感器檢測面相對于徑向軸承工作面中心偏離

在主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)之中，渦流位移傳感器是對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測時(shí)最常用的一種傳感器，在工作的過程中，為了實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的精準(zhǔn)檢測，一般是依托于檢測傳感頭和轉(zhuǎn)子表面這兩項(xiàng)內(nèi)容之間存在的空隙，從而達(dá)成對轉(zhuǎn)子中心位置進(jìn)行間接檢測的目標(biāo)。在這種情況下，主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)內(nèi)部的控制系統(tǒng)將會(huì)控制轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)能夠始終圍繞渦流位移傳感器檢測表面的中心[10]。但是，一旦主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)中的徑向位移傳感器的檢測面相對于徑向軸承工作面出現(xiàn)偏離情況，將會(huì)使得轉(zhuǎn)子在圍繞渦流位移傳感器檢測表面中心轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，徑向軸承的工作氣隙也會(huì)隨之出現(xiàn)同頻率波動(dòng)，影響徑向磁懸浮軸承的正常工作。

5 總結(jié)

綜上所述，幾種出現(xiàn)頻率較高的機(jī)械加工誤差將會(huì)對主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的徑向磁懸浮軸承工作電流產(chǎn)生不同程度的影響。所以，一方面需要將軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子所承受的動(dòng)態(tài)荷載和靜態(tài)荷載作為對主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)工作參數(shù)產(chǎn)生影響的因素，另一方面還應(yīng)當(dāng)充分考慮裝配和加工期間存在的誤差情況對主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)工作參數(shù)造成的干擾和影響，以此為系統(tǒng)性能的優(yōu)化創(chuàng)設(shè)良好條件，使得主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)期間存在的誤差能夠處于允許范圍內(nèi)。