軸向磁力軸承結(jié)構(gòu)綜述

方康平，胡業(yè)發(fā)，2，吳華春，2，李強(qiáng)，胡佳成

（1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070；2.湖北省磁懸浮工程技術(shù)研究中心，武漢 430070）

磁力軸承是利用電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái)的一種高性能軸承，具有無(wú)磨損，無(wú)需潤(rùn)滑，長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能飛輪、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-4］。相較于徑向磁力軸承，軸向磁力軸承傳統(tǒng)的整體式同心單環(huán)結(jié)構(gòu)不具備冗余性，渦流損耗大，溫升高，影響了定位精度和穩(wěn)定性［5］，于是提出了具有冗余性的同心雙環(huán)和疊片式冗余結(jié)構(gòu)，減小了渦流損耗和發(fā)熱量，提高了軸向磁力軸承的可靠性，拓寬了軸向磁力軸承的運(yùn)用前景。

本文對(duì)軸向磁力軸承進(jìn)行詳細(xì)分類(lèi)，綜述軸向磁力軸承國(guó)內(nèi)外研究歷程及現(xiàn)狀，在詳細(xì)研究同心單環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析具備冗余性的同心多環(huán)冗余結(jié)構(gòu)和疊片式冗余結(jié)構(gòu)，討論各類(lèi)軸向磁力軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后展望軸向磁力軸承未來(lái)的發(fā)展方向。

1 軸向磁力軸承結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

磁力軸承系統(tǒng)一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)2 個(gè)部分組成。軸向磁力軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)一般由定子和轉(zhuǎn)子（推力盤(pán)）組成，控制系統(tǒng)一般由傳感器、功率放大器、控制器等組成。傳統(tǒng)E 型軸向磁力軸承工作原理如圖1所示，圖中：X0為標(biāo)準(zhǔn)位置，X為傳感器檢測(cè)到的位置，Ic為控制電流，I0為偏置電流。傳感器用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，并將其位移偏差信號(hào)傳輸?shù)娇刂破?，控制器做出相?yīng)處理后，再經(jīng)由功率放大器控制電磁鐵中的電流產(chǎn)生變化，改變轉(zhuǎn)子左右兩側(cè)力的大小，將轉(zhuǎn)子重新拉回平衡位置，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮時(shí)，其軸向兩側(cè)的受力達(dá)到平衡。軸向磁力軸承按照懸浮力的產(chǎn)生方式可分為主動(dòng)型、被動(dòng)型和混合型［6］。

圖1 傳統(tǒng)E型軸向磁力軸承工作原理Fig.1 Working principle of traditional E-type axial magnetic bearing

1.1 主動(dòng)型

主動(dòng)型軸向磁力軸承通常為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子兩側(cè)均有定子磁極，如圖2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界干擾而偏離平衡位置時(shí)，可以主動(dòng)調(diào)整氣隙所產(chǎn)生的磁力，使轉(zhuǎn)子回到預(yù)定位置并保持穩(wěn)定懸浮。

圖2 主動(dòng)型軸向磁力軸承受力示意圖Fig.2 Diagram of active axial magnetic bearing forces

根據(jù)偏置磁場(chǎng)分布的不同，主動(dòng)型軸向磁力軸承分為同極性和異極性［7-8］。同極性是指磁通的磁路通過(guò)與轉(zhuǎn)子軸線平行的平面，異極性是指磁通的磁路通過(guò)與轉(zhuǎn)子軸線垂直的平面。同極性主動(dòng)型軸向磁力軸承的磁路有穿過(guò)單邊氣隙和穿過(guò)雙邊氣隙2 種形式［6］，如圖3 所示。異極性主動(dòng)型軸向磁力軸承磁場(chǎng)磁路如圖4 所示，一般來(lái)說(shuō)，其具有多個(gè)磁極，不是傳統(tǒng)的整體式圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，這也使得異極性主動(dòng)型軸向磁力軸承的鐵損較小。

圖3 同極性主動(dòng)型軸向磁力軸承磁場(chǎng)磁路示意圖Fig.3 Diagram of magnetic field circuit of homopolar active axial magnetic bearing

圖4 異極性主動(dòng)型軸向磁力軸承磁場(chǎng)磁路示意圖Fig.4 Diagram of magnetic field circuit of heteropolar active axial magnetic bearing

1.2 被動(dòng)型

被動(dòng)型軸向磁力軸承主要分為永磁型和超導(dǎo)型，永磁型又分為全永磁被動(dòng)型軸向磁力軸承和軟磁與永磁組合被動(dòng)型軸向磁力軸承。

全永磁被動(dòng)型軸向磁力軸承按照軸向或徑向的充磁方向和環(huán)形結(jié)構(gòu)布置永磁體［9］，如圖5 所示，用箭頭表示充磁方向的為永磁材料（下同）。相較于軟磁與永磁組合被動(dòng)型軸向磁力軸承，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易加工制造；缺點(diǎn)是整塊永磁體的強(qiáng)度不夠，實(shí)際應(yīng)用中多采用多極永磁環(huán)，不僅降低了永磁體的利用率還會(huì)增加漏磁風(fēng)險(xiǎn)，且不適用于高速旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。

圖5 全永磁被動(dòng)型軸向磁力軸承Fig.5 All permanent magnet passive axial magnetic bearing

軟磁與永磁組合被動(dòng)型軸向磁力軸承主要通過(guò)軟磁表面所產(chǎn)生的麥克斯韋張力來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮，如圖6所示，軟磁材料在轉(zhuǎn)子上，永磁體在定子上，這類(lèi)被動(dòng)型軸向磁力軸承能夠用于高速旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，并可以在磁路上設(shè)計(jì)永磁體。

圖6 軟磁、永磁組合被動(dòng)型軸向磁力軸承Fig.6 Soft magnet， permanent magnet combination passive axial magnetic bearing

永磁被動(dòng)型軸向磁力軸承的優(yōu)點(diǎn)是不需要控制設(shè)備，提高了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的可靠性，降低了成本，不需要持續(xù)的能量供給；缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)可控懸浮。

超導(dǎo)被動(dòng)型軸向磁力軸承由超導(dǎo)體（HTS）、永磁體（PM）和冷卻系統(tǒng)組成，如圖7所示，懸浮力方向與旋轉(zhuǎn)軸平行，易于設(shè)計(jì)和制造，常被應(yīng)用在超導(dǎo)磁力軸承、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、磁懸浮列車(chē)等領(lǐng)域。美國(guó)波音公司與阿貢實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)了超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其定子由六邊形高溫超導(dǎo)塊拼接而成，轉(zhuǎn)子由徑向充磁的永磁環(huán)和聚磁環(huán)裝配而成［10-12］。

圖7 高溫超導(dǎo)被動(dòng)型軸向磁力軸承示意圖Fig.7 Diagram of high-temperature superconducting passive axial magnetic bearing

超導(dǎo)被動(dòng)型軸向磁力軸承具有良好的無(wú)源穩(wěn)定性，超導(dǎo)材料能夠大幅提升軸承的懸浮特性，具有減少能量損耗，提高系統(tǒng)工作效率等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是較難維持所需溫度環(huán)境，制造材料及工藝較為苛刻。

1.3 混合型

混合型軸向磁力軸承同樣可以分為同極性和異極性。根據(jù)文獻(xiàn)［13］，混合型軸向磁力軸承又可以分為全氣隙結(jié)構(gòu)和半氣隙結(jié)構(gòu)：全氣隙指定子磁極與轉(zhuǎn)子鐵芯之間的氣隙中均存在控制磁場(chǎng)；半氣隙指定子磁極與轉(zhuǎn)子鐵芯之間只有部分氣隙存在控制磁場(chǎng)。

1.3.1 同極性混合型軸向磁力軸承

根據(jù)同極性全氣隙混合型軸向磁力軸承同極性和全氣隙懸浮的特點(diǎn)，設(shè)置永磁、軟磁材料及其對(duì)應(yīng)的偏置磁場(chǎng)如圖8所示［14-15］，偏置磁場(chǎng)與控制磁場(chǎng)存在于所有的軸向氣隙中［15-17］。永磁材料填充于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)，增加了轉(zhuǎn)子的加工難度，降低其機(jī)械強(qiáng)度，并且氣隙中的偏置磁場(chǎng)會(huì)受到轉(zhuǎn)子鐵芯徑向位移的影響。

圖8 同極性全氣隙混合型軸向磁力軸承材料布置與偏置磁場(chǎng)Fig.8 Material arrangement and biased magnetic field of homopolar full air gap hybrid axial magnetic bearing

根據(jù)同極性半氣隙混合型軸向磁力軸承同極性和半氣隙懸浮的特點(diǎn)，設(shè)置永磁、軟磁材料及其對(duì)應(yīng)的偏置磁場(chǎng)如圖9 所示。該結(jié)構(gòu)因轉(zhuǎn)子鐵芯不存在永磁材料，適用于轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，且圖9所示永磁材料布置能夠很好地解決諸如軸承外徑大，轉(zhuǎn)子鐵芯偏離徑向中心位置而產(chǎn)生偏心磁拉力所帶來(lái)的影響等問(wèn)題。

圖9 同極性半氣隙混合型軸向磁力軸承材料布置與偏置磁場(chǎng)Fig.9 Material arrangement and biased magnetic field of homopolar half air gap hybrid axial magnetic bearing

1.3.2 異極性混合型軸向磁力軸承

根據(jù)異極性全氣隙混合型軸向磁力軸承異極性和全氣隙懸浮的特點(diǎn)，多定子磁極的永磁材料及偏置磁場(chǎng)如圖10所示。多定子磁極混合型軸向磁力軸承的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子鐵芯上不存在永磁材料且定子磁極與轉(zhuǎn)子鐵芯之間的軸向氣隙都參與了可控懸浮力的產(chǎn)生。

圖10 多定子磁極異極性全氣隙混合型軸向磁力軸承永磁材料與偏置磁場(chǎng)Fig.10 Permanent magnet materials and biased magnetic field of multiple stator magnetic pole heteropolar full air gap hybrid axial magnetic bearing

根據(jù)異極性半氣隙混合型軸向磁力軸承異極性和半氣隙懸浮的特點(diǎn)，設(shè)置軟磁材料和繞組及其對(duì)應(yīng)的控制電流和控制磁場(chǎng)如圖11所示［13-15］。

圖11 異極性半氣隙混合型軸向磁力軸承控制繞組與控制磁場(chǎng)Fig.11 Control winding and control magnetic field of heteropolar half air gap hybrid axial magnetic bearing

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

人類(lèi)很早就注意到了電磁現(xiàn)象，并且一直憧憬利用磁力使物體懸浮起來(lái)。然而，這一想法實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。

2.1 國(guó)外磁力軸承研究歷程

1842 年，英國(guó)物理學(xué)家Earnshaw 首次提出了磁懸浮的概念［18］。1937 年，德國(guó)人Kemper 申請(qǐng)了第一個(gè)磁懸浮技術(shù)專利［19-20］。20 世紀(jì)60 年代，主動(dòng)磁懸浮技術(shù)開(kāi)始在軸承領(lǐng)域得到應(yīng)用并取得了驚人的成績(jī)。1972 年，衛(wèi)星導(dǎo)向輪首次采用磁力軸承支承，就此磁力軸承的應(yīng)用與研究展開(kāi)了序幕［21-22］。2017 年，文獻(xiàn)［23］利用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化了振動(dòng)控制率和磁力軸承幾何結(jié)構(gòu)，達(dá)到了設(shè)計(jì)需求；文獻(xiàn)［24］研究了基于磁力軸承控制系統(tǒng)的模糊PID控制，結(jié)果表明該方法的控制效果良好。2019年，文獻(xiàn)［25］研究了由多個(gè)基本立方體超導(dǎo)塊組成的磁力軸承，通過(guò)優(yōu)化布置抑制旋轉(zhuǎn)角度的傾斜效果十分顯著。2020年，文獻(xiàn)［26］進(jìn)行了有關(guān)超導(dǎo)磁力軸承的試驗(yàn)，并得出橫向位移時(shí)裝配超導(dǎo)磁力軸承能夠產(chǎn)生更高的剛度；文獻(xiàn)［27］利用布谷鳥(niǎo)搜索算法對(duì)模糊PID 控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，新的控制器在精度、魯棒性和控制力等方面都有較好的效果。2021 年，文獻(xiàn)［28］研究了基于磁力軸承控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器，提出了一個(gè)FLANN-TLBO 模型，改進(jìn)了磁懸浮系統(tǒng)的模型辨識(shí)和控制。

國(guó)外在磁力軸承領(lǐng)域的研究開(kāi)始得非常早，結(jié)構(gòu)方面的研究十分成熟，近年來(lái)研究方向更多是在磁力軸承控制器、振動(dòng)抑制等方面。一方面，在不同的科技背景下，國(guó)外研究者嘗試將當(dāng)前的新技術(shù)與磁力軸承系統(tǒng)相結(jié)合，研究較為深入和領(lǐng)先；另一方面，由于磁力軸承系統(tǒng)的非線性、強(qiáng)耦合、開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，其控制策略還存在模型精度不夠，控制器設(shè)計(jì)困難等問(wèn)題，仍有很大的研究空間；同時(shí)，國(guó)外磁懸浮領(lǐng)域得益于諸多工業(yè)巨頭和國(guó)家、高校力量的助推，磁力軸承已經(jīng)可以作為比較成熟的產(chǎn)品推向用戶市場(chǎng)，例如高速銑床、高速車(chē)床、離心機(jī)等，磁力軸承的應(yīng)用也被拓展至醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)制造等諸多領(lǐng)域和一些特殊場(chǎng)合［29-32］，這些運(yùn)用反過(guò)來(lái)將磁力軸承的各方面性能推向更高層次。

2.2 國(guó)內(nèi)磁力軸承研究歷程

我國(guó)對(duì)磁懸浮技術(shù)的研究晚于國(guó)外，20 世紀(jì)60 年代初，我國(guó)有十余家單位開(kāi)始從事磁力軸承的研究，但大多沒(méi)有堅(jiān)持下去。20 世紀(jì)80 年代，我國(guó)又興起了對(duì)磁力軸承的研究熱潮。1983 年，上海微電機(jī)研究所研制出我國(guó)第一臺(tái)磁力軸承電動(dòng)機(jī)和軸向主動(dòng)、徑向被動(dòng)式混合磁力軸承［33-35］。此后，清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等紛紛投入到磁力軸承的相關(guān)研究中［36-38］。

2017年，文獻(xiàn)［39-41］以磁力軸承的控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，將滑?？刂撇呗院蚉ID控制策略相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種滑模自適應(yīng)PID 控制器。2018 年，文獻(xiàn)［42］驗(yàn)證了滑?？刂茖?duì)于磁力軸承系統(tǒng)控制的可行性；文獻(xiàn)［43］利用有限元法建立了16 級(jí)均勻分布的徑向磁力軸承模型，并進(jìn)行了電磁和承載力分析。2019 年，文獻(xiàn)［44］通過(guò)遺傳算法對(duì)磁力軸承進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［45］結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID 控制，提出了磁力軸承自適應(yīng)PID 控制策略；文獻(xiàn)［46］提出了一種通過(guò)等效磁路計(jì)算磁力軸承電磁力的方法。

國(guó)內(nèi)在磁力軸承研究方面與國(guó)外的發(fā)展過(guò)程較為相近，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究較為成熟，近些年開(kāi)始深入到磁力軸承系統(tǒng)控制和振動(dòng)抑制等方面，但總體較國(guó)外還有很大提升空間。國(guó)內(nèi)磁力軸承的發(fā)展較國(guó)外最大的區(qū)別在于主要的生力軍來(lái)源于高校，工業(yè)化程度較低，整體造價(jià)偏高，離工業(yè)普及運(yùn)用還有較長(zhǎng)的路要走。

2.3 軸向磁力軸承研究現(xiàn)狀

從磁力軸承的發(fā)展歷程來(lái)看，尤其是20 世紀(jì)90 年代至今，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于徑向磁力軸承的研究比較深入，這主要因?yàn)閺较虼帕S承在結(jié)構(gòu)上具有冗余性，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了渦流損耗和發(fā)熱量；而軸向磁力軸承大多采用整體式同心單環(huán)結(jié)構(gòu)，存在不具備冗余性，無(wú)法重構(gòu)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，渦流損耗大等問(wèn)題。2017—2018 年，文獻(xiàn)［47-48］提出了軸向磁力軸承疊片式冗余結(jié)構(gòu)及同心多環(huán)式冗余結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真分析和參數(shù)計(jì)算；文獻(xiàn)［49］利用超導(dǎo)型軸向磁力軸承進(jìn)行了超導(dǎo)儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子的懸浮試驗(yàn)。2019 年，文獻(xiàn)［50］提出了一種采用主動(dòng)軸向磁力軸承的新型飛輪結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了基于李雅普諾夫函數(shù)的復(fù)合自適應(yīng)反饋控制；文獻(xiàn)［51］利用徑向干擾力修改不平衡的前饋補(bǔ)償系數(shù)來(lái)降低永磁軸向磁力軸承對(duì)徑向振動(dòng)的影響。2020 年，文獻(xiàn)［52］基于永磁軸向磁力軸承建立了磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子模型，并進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究。

3 軸向磁力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸向磁力軸承傳統(tǒng)的整體式同心單環(huán)結(jié)構(gòu)自身不具備冗余性，工作過(guò)程中所產(chǎn)生的渦流損耗大，導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度升高，影響了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性，且同心單環(huán)結(jié)構(gòu)不能在受損后重構(gòu)，可靠性進(jìn)一步降低。因此，對(duì)軸向磁力軸承進(jìn)行冗余結(jié)構(gòu)方向的優(yōu)化十分有意義，本節(jié)在對(duì)同心單環(huán)結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，研究了具備冗余性的同心多環(huán)冗余結(jié)構(gòu)和疊片式冗余結(jié)構(gòu)。

3.1 同心單環(huán)結(jié)構(gòu)

圖12 所示的傳統(tǒng)同心單環(huán)結(jié)構(gòu)一般具有2 種形式：1）推力盤(pán)外徑與定子外徑相同（結(jié)構(gòu)1）；2）推力盤(pán)外徑小于定子外徑（結(jié)構(gòu)2）。具體采用哪種結(jié)構(gòu)，主要取決于推力盤(pán)的抗拉能力。以結(jié)構(gòu)1 為例給出同心單環(huán)結(jié)構(gòu)模型如圖13 所示，同心單環(huán)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)比較容易，能夠滿足一定的使用要求，但不具備冗余性，無(wú)法進(jìn)行重構(gòu)。

圖13 同心單環(huán)結(jié)構(gòu)軸向磁力軸承模型Fig.13 Model of axial magnetic bearing with concentric single ring structure

磁力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)的要求在于滿足最大承載力的需求，以此為出發(fā)點(diǎn)確定有關(guān)參數(shù)，如磁極面積、線圈腔面積、線圈直徑等，設(shè)計(jì)時(shí)一般忽略漏磁，即認(rèn)為磁通處處相等，且要綜合考慮各參數(shù)之間的關(guān)系。軸向磁力軸承設(shè)計(jì)參考圖如圖14所示。

圖14 同心單環(huán)結(jié)構(gòu)軸向磁力軸承設(shè)計(jì)參考圖Fig.14 Design reference diagram for axial magnetic bearing with concentric single ring structure

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給定相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，如最大承載力Fmax、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm、最大電流Im、總厚度b1等，然后根據(jù)初始條件，設(shè)計(jì)計(jì)算定轉(zhuǎn)子、線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

首先， 計(jì)算偏置磁感應(yīng)強(qiáng)度B0和偏置安匝數(shù)N0I0

式中：x0為單邊工作氣隙；μ0為空氣磁導(dǎo)率。

其次，計(jì)算導(dǎo)線線徑dc和線圈腔面積Acμ

式中：J為允許最大電流密度；N為線圈匝數(shù)；λ為槽滿率，一般取0.60～0.75。由Acμ=(hc- 1)(hc-0.5 - 1)可得最小線圈腔高度hc，這里hc可以近似選取hcr或hca。

再次，計(jì)算最小磁極面積Ag

根據(jù)上述結(jié)果可以初步確定轉(zhuǎn)子內(nèi)徑d0、軸肩處直徑d3、定子內(nèi)徑d。

然后，計(jì)算最小定子線圈槽下底徑d1、最小側(cè)壁厚h1、定子軸承厚度h、定子線圈槽上底徑d2和定子外徑da

最后，計(jì)算定子外圈磁極面積Aw、轉(zhuǎn)子圓盤(pán)厚度b、軸承總軸向厚度L

同理可求得定子內(nèi)圈磁極面積An。

設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行相關(guān)的核驗(yàn)，檢查設(shè)計(jì)合理性。

計(jì)算定子內(nèi)、外圈磁感應(yīng)強(qiáng)度Bn，Bw

理論設(shè)計(jì)時(shí)的承載力為

式中：Fn，F(xiàn)w分別為定子內(nèi)、外圈承載力；F為理論設(shè)計(jì)最大承載力。

3.2 冗余結(jié)構(gòu)

3.2.1 同心雙環(huán)冗余結(jié)構(gòu)

整體式同心單環(huán)結(jié)構(gòu)不具備冗余性，并且當(dāng)控制回路中任意元件失效時(shí)，不能通過(guò)對(duì)剩余線圈進(jìn)行電流補(bǔ)償來(lái)冗余重構(gòu)。于是在同心單環(huán)的基礎(chǔ)上，演化出了具有冗余性的同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)［53］。同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)最早在1995 年由Storace 提出［54］，當(dāng)某一環(huán)線圈控制回路中的一個(gè)元件損壞時(shí)，剩下的另一組線圈可以在補(bǔ)償電流下進(jìn)行冗余重構(gòu)。在體積不變的前提下，從同心單環(huán)結(jié)構(gòu)演化出的同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖15 所示，圖中A為磁極面積。

圖15 同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)軸向磁力軸承模型Fig.15 Model of axial magnetic bearing with concentric double ring structure

同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)軸向磁力軸承有2組線圈，這也決定其可以有2 種通電方式，即2 組線圈電流同向或異向，前者磁感應(yīng)強(qiáng)度十分容易飽和，后者磁感應(yīng)強(qiáng)度不容易飽和，且隨電流的增大而增大。除此之外，在同心單環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上還可以演化出同心三環(huán)和同心四環(huán)等結(jié)構(gòu)，同樣具備冗余性。

從電磁力角度而言，整體式同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)于同心三環(huán)結(jié)構(gòu)，而同心四環(huán)結(jié)構(gòu)的電磁力較小，這主要是因?yàn)槠涓鱾€(gè)磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不均勻，雖然具有高可靠性但力學(xué)性能不如同心單環(huán)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由文獻(xiàn)［55］試驗(yàn)可知，同心六環(huán)結(jié)構(gòu)軸向磁力軸承較同心雙環(huán)具有更高的可靠性以及更好的力學(xué)性能和熱特性。

3.2.2 疊片式冗余結(jié)構(gòu)

軸向磁力軸承疊片式冗余結(jié)構(gòu)一般有疊片式同心多環(huán)和疊片式多環(huán)2 種。疊片式同心多環(huán)結(jié)構(gòu)用疊片式結(jié)構(gòu)代替整體式結(jié)構(gòu)，將N個(gè)U 形硅鋼片沿圓周均勻擺放，線圈以同心方式纏繞在U形硅鋼片上［55］，具備一定的冗余度，在一定程度上降低了渦流損耗和系統(tǒng)溫升；缺點(diǎn)是出現(xiàn)失效時(shí)，電磁力會(huì)大幅下降，重構(gòu)難度大。疊片式多環(huán)結(jié)構(gòu)將每組線圈單獨(dú)纏繞在硅鋼片上進(jìn)行單獨(dú)控制，冗余性和重構(gòu)能力高；缺點(diǎn)是控制難度較大。本節(jié)主要介紹冗余性更大的疊片式多環(huán)結(jié)構(gòu)。

對(duì)于軸向磁力軸承而言，忽略漏磁的前提下，可以將軸向的電磁力（理論設(shè)計(jì)最大承載力）等效為

根據(jù)上述公式，定子體積一定時(shí)，電磁力的大小由線圈腔面積和磁極面積決定，而線圈腔面積又與線圈匝數(shù)和線徑互相制約。為了增大電磁力，應(yīng)盡可能增大硅鋼片的磁極面積，于是將原本是矩形的硅鋼片設(shè)計(jì)成梯形以有效增大電磁力，其弊端在于容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，可以在定子盤(pán)內(nèi)徑磁極面積減小的位置增設(shè)加強(qiáng)環(huán)［55］。

疊片式多環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看作是將同心單環(huán)分成幾塊，相關(guān)約束條件也與同心單環(huán)結(jié)構(gòu)相似。定子上的硅鋼片沿圓周均勻分布，當(dāng)其個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)為對(duì)稱分布，某個(gè)線圈失效后，可以人為將非平衡力轉(zhuǎn)化為平衡力，降低了控制難度，故取硅鋼片數(shù)為偶數(shù)進(jìn)行研究，硅鋼片數(shù)目分別取4，6，8時(shí)，模型如圖16所示。

圖16 疊片式四環(huán)、六環(huán)、八環(huán)模型Fig.16 Laminated four ring， six ring， eight ring model

一般來(lái)說(shuō)，體積一定時(shí)，硅鋼片數(shù)目越多，其內(nèi)部回路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布越均勻，但電磁力也越小。在相同電流的情況下，疊片式四環(huán)與六環(huán)、八環(huán)結(jié)構(gòu)相比更容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，疊片式八環(huán)結(jié)構(gòu)的磁路最小磁極面積較疊片式六環(huán)結(jié)構(gòu)小，隨著電流的增加疊片式八環(huán)結(jié)構(gòu)更容易磁飽和，因此從電磁力角度分析，疊片式六環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)于疊片式四環(huán)結(jié)構(gòu)和疊片式八環(huán)結(jié)構(gòu)［55］。

以最優(yōu)的疊片式六環(huán)結(jié)構(gòu)為例，在相同體積、電流的前提下，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)疊片式六環(huán)結(jié)構(gòu)的功耗小于同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其渦流損耗主要集中在硅鋼片上，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，渦流損耗值變化不大；同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)的渦流損耗集中在定子盤(pán)上并相對(duì)均勻，其通反向電流時(shí)的功耗要小于通同向電流時(shí)的功耗［55］。同時(shí)，相比同心單環(huán)結(jié)構(gòu)，同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)、疊片式冗余結(jié)構(gòu)功耗較小，這也是冗余結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)所在。

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)軸向磁力軸承進(jìn)行分類(lèi)綜述，并對(duì)同心單環(huán)、同心多環(huán)和疊片式冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。從結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)同心單環(huán)結(jié)構(gòu)不具備冗余性，渦流損耗大，系統(tǒng)穩(wěn)定性低，優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，其約束特征、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程、仿真過(guò)程等可以為同心多環(huán)結(jié)構(gòu)和疊片式冗余結(jié)構(gòu)以及后續(xù)一些軸向磁力軸承新型結(jié)構(gòu)提供參考。在同心單環(huán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上演化出的具有一定冗余能力的同心雙環(huán)、同心三環(huán)、同心四環(huán)、同心六環(huán)等結(jié)構(gòu)是以犧牲電磁力來(lái)?yè)Q取穩(wěn)定性，適用于一些需要高穩(wěn)定性而對(duì)電磁力要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合，同時(shí)也為軸向磁力軸承的冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路。軸向磁力軸承疊片式多環(huán)結(jié)構(gòu)則由于硅鋼片放置、環(huán)數(shù)等因素有多種不同的類(lèi)型，疊片式六環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)于疊片式四環(huán)、八環(huán)結(jié)構(gòu)。從總體上看，無(wú)論是同心多環(huán)結(jié)構(gòu)還是疊片式冗余結(jié)構(gòu)都是演化自同心單環(huán)結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于整個(gè)線圈和硅鋼片的切分和重新布置，使其分成幾個(gè)互相獨(dú)立的模塊進(jìn)行控制；但這無(wú)疑對(duì)軸向磁力軸承的控制系統(tǒng)造成了巨大負(fù)擔(dān)，也使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜和造價(jià)高昂。單就冗余性而言，疊片式冗余結(jié)構(gòu)優(yōu)于同心多環(huán)和同心單環(huán)結(jié)構(gòu)；單就結(jié)構(gòu)而言，同心單環(huán)結(jié)構(gòu)較同心多環(huán)和疊片式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。以下基于自身認(rèn)知展望軸向磁力軸承未來(lái)的發(fā)展方向：

1）結(jié)構(gòu)方面。軸向磁力軸承由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不具備冗余性而導(dǎo)致渦流損耗高，可靠性低等問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)朝著更具備冗余性和重構(gòu)能力的方向優(yōu)化。同時(shí)，輕量環(huán)保的概念近年來(lái)被反復(fù)提及，軸向磁力軸承的發(fā)展勢(shì)必也會(huì)融合這一概念，而為整個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程的選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)方式等帶來(lái)新要求。

2）控制方面。結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新意味著對(duì)控制系統(tǒng)的更多要求，從最初控制單組線圈到控制多組線圈再到控制多級(jí)線圈，難度逐漸增大。隨著軸向磁力軸承的進(jìn)一步發(fā)展，不同的承載力、尺寸、轉(zhuǎn)速、散熱等要求決定了不同的控制方式，對(duì)不平衡振動(dòng)抑制等問(wèn)題也提出了新的挑戰(zhàn)。

3）應(yīng)用方面。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的軸向磁力軸承很難滿足復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合和較高的性能要求，此方面混合軸向磁力軸承明顯更具備優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)磁力軸承的發(fā)展?fàn)顩r，成本始終是擋在工業(yè)運(yùn)用面前的難關(guān)，如何在保證高標(biāo)準(zhǔn)的前提下，降低成本、普及運(yùn)用是軸向磁力軸承未來(lái)應(yīng)用中應(yīng)首先克服的問(wèn)題。