磁悬浮轴承发展及其研究综述

周金宇，朱熀秋

(江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江212013)

0 引 言

磁悬浮轴承系统中，通过使用电磁力使得定转子间无摩擦。因为传统机械轴承定转子间相接触，在转速较高的情况下，摩擦损耗很大，从而降低其使用寿命。工业生产中为了减少其摩擦损耗，通常会使用润滑油，从而会造成有油污的问题。因此磁悬浮轴承拥有着传统机械轴承不可比拟的无摩擦损耗、清洁、机械寿命长、超高速的优点[1-2]。近年来，随着磁悬浮轴承的发展，磁轴承已在航空航天、民用工业、生命科学、交通运输方面均得到了应用[3]。其产品有磁悬浮鼓风机、人工心脏泵、高速加工机床、航空发动机、压缩机等。但磁悬浮轴承也存在着结构复杂、造价成本高的问题，并且在超高速环境下的稳定性问题也日益突出。因此如何设计结构简单、价格低廉、高效性能的磁悬浮轴承成为了目前专家学者们的研究重点。因此从工作原理与分类、国内外现状、关键技术、未来的发展对其综述很有必要。

1 磁悬浮轴承工作原理与分类

常见的磁悬浮轴承可通过自由度不同、悬浮力提供方式不同或极对数不同进行分类。本文以悬浮力的提供方式对其进行了分类。

1.1 被动磁轴承

在被动磁轴承系统中，永磁体产生所需的全部磁场对转子进行悬浮[4]。被动磁轴承的工作原理为通过定、转子永磁体间的吸力或斥力产生回复力。其具有结构简单，不需要消耗功耗的优点，因此受到了广泛的关注。

1.2 主动磁轴承

主动磁悬浮系统由五部分组成：位置传感器、执行电磁铁、被悬浮体、功率驱动放大器、控制器。(其中，由于转子位移自检测技术的发展，位置传感器也可以省略)。其具体的原理框图如图1所示。

图1 主动式磁悬浮轴承原理图

主动磁悬浮系统的原理为：假设转子在给定位置稳定运行，突然系统受到一个小的扰动时，转子偏移了给定位置。此时，位移传感器检测到转子位移偏差并传送给控制器。控制器将数字信号传送给功率放大器使其原来的电流i0，经过调节变为i0±i(正负由转子位移的偏差决定)，从而实现转子位移的闭环控制，使其复位、稳定运行。

1.3 混合磁轴承

混合式磁轴承系统在结构上与主动式磁轴承相比添加了永磁体或超导体来提供偏置磁通，并且加入了一些辅助轴承。因此与主动磁轴承相比，结构组成上较为复杂，但降低了匝数用料，做到了小体积、低功耗及低成本的需求[6]。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

在理论研究方面，1842年，英国物理学家厄恩肖指出：要想实现被悬浮体在空间六个自由度上均可达到稳定运行，单靠永磁体无法成功。1922年，德国坎伯提出了通电线圈对被悬浮体提供悬浮力的方法，并发表了首个磁悬浮轴承专利。其提出了磁悬浮列车这一新型交通方式的理念，并且为以后磁悬浮列车的发展提供了重要的理论模型。随着磁悬浮理论的发展与进步，磁悬浮其中一个方向——磁悬浮轴承的理论研究也得到了发展。上世纪60年代，日本梅森朗与金子礼对磁轴承理论进行了总结与报告，并且对磁悬浮轴承进行了系统的数学建模，提出了电磁铁可以提供可控磁场的概念。1960年后，随着控制技术的日益成熟，磁悬浮轴承的巨大价值也受到了德国、日本、瑞士等国的关注，并在各种行业均有了应用。

在航空航天领域，1976年，法国的卫星导向飞轮中首次通过磁悬浮轴承代替了传统机械轴承进行支撑[7]。1983年，在空间飞轮实验中，日本技术人员将磁轴承技术运用到了H-1火箭中，并取得了理想的结果。同年，美国研究人员于欧洲太空实验舱中将磁悬浮轴承技术引入到了真空泵中，并于1988年美国将研究磁悬浮轴承支撑的航空发动机列入IH PTET计划中。与普通的航空发动机相比，采用磁悬浮轴承进行多点或全点支撑的航空发动机具有着轻质量、高效率的特点，并且有着良好的可靠性与维护性。1997年，为了促进磁悬浮轴承技术在航空发动机上应用的发展，欧洲国家组成了联合研制小组，并制定了AMBIT的研究计划。同一时期，美国的德雷伯实验室研制了一款工作温度可达500摄氏度，最高转速为22 000 r/min的航空发动机。美国的GE公司将磁悬浮的无传感技术引入到了航空发动机的设计当中，极大的缩小了其重量以及体积。

在民用及工业领域，1976年，瑞士SKF轴承公司与法国SEP公司(现如今SAFRAN公司的航天引擎部)联合创立了S2M公司。1977年，S2M公司自主研发了峰值转速可达35 000 r/min的基于磁悬浮轴承技术的高速机床，并将其B20/500系统在1981年的欧洲国际机床展览会上亮相[8]。1984年，日本NTN公司推出了高速磁悬浮铣削头，并标准化了径向与轴向磁轴承产品[9]。1991年，S2M公司与日立公司将磁悬浮技术应用到了离心压缩机领域，其取消了油路设计，清洁了压缩机的工作环境。2003年，McQuay公司在空调的冷式机组中，为了降低空调的噪声，提高空调的性能，采用了基于磁悬浮轴承的离心式压缩机。2015年，S2M公司在挪威近海域建造了世界上第一个使用磁悬浮轴承的海底天然气压缩站。

在人工心脏泵方面，与接触式的第二代人工心脏泵相比，基于悬浮式支撑的第三代人工心脏泵能够有效地降低泵内血栓形成几率，并且具有着无摩擦、高清洁的优点[10]。20世纪初，科研人员对磁轴承心室辅助装置进行了设计与研究，目前，德国Berlin Heart公司的INCOR、日本Terumo DuraHeart、美国的HVAD与Levitronix CentriMag均已投入了使用。

目前，国外在磁轴承方面有突出贡献的知名高校有苏黎世联邦理工学院、Sussex大学、东京大学、千叶大学、维吉尼亚大学、马里兰大学等。同时，为了加强学术交流以及促进磁悬浮轴承的发展，于1988年，来自英、美、日等国的专家召开了第一届国际磁悬浮轴承技术会议，并且至今保持着两年召开一届的传统。最近一次，2018年的第十六届国际磁悬浮轴承技术会议在我国北京召开，会议上我国国内知名磁轴承企业中国动力谷、南京磁谷、飞旋科技等均纷纷亮相。

2.2 国内研究现状

由于磁轴承的各项优异性能，在20世纪70年代，磁悬浮轴承的研究工作也在国内展开。目前，国内的磁悬浮轴承技术已经趋于成熟，但磁悬浮轴承的产业化才刚刚起步。磁悬浮轴承的研究也主要集中于高校以及科研单位中，国内主要研究磁悬浮轴承的高校为：清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、山东大学、西安交通大学、上海大学、南京航天航空大学、西安理工大学、江苏大学等。国内在磁悬浮轴承方面有突出产品的公司有：飞旋科技、亿昇科技、南京磁谷、海尔公司、格力公司等[11]。

2004年，清华大学在数控机床中引入了磁悬浮轴承技术，实现了最高转速可达50 000 r/min的成果。2006年，飞旋科技与清华大学合作，在FS450型分子泵磁轴承中使用了交叉反馈控制，这也是我国首个有自主知识产权的磁轴承技术。2009年，南京航天航空大学研制了国内首台自主知识产权的磁悬浮鼓风机，其额定转速可达40 000 r/min。同年，南京磁谷科技公司通过产学研合作平台，与南京航天航空大学的高科技成果进行了转化，将磁悬浮离心鼓风机投入到了污水厂污水处理中，并且热销全国。海尔公司于2006年研制了磁悬浮中央空调，也由于磁悬浮技术使得其产品更加的节能、降噪，符合用户的需求。另外，格力公司于2015年研制了CC系列磁悬浮变频离心式冷水机组。在人工心脏泵方面，国内也有了显著的发展。2009年，山东大学与中国医学科学院合作研制了国内首个具有五自由度的全磁悬浮人工心脏泵样机，其工作原理为径向位置采用被动磁轴承，轴向位置单端采用主动磁轴承[12]。2013年，苏州同心医疗器械公司成功研制了目前全球最小的离心式人工心脏泵磁悬浮样机，极大的推动了国内磁轴承在生命科学方面的发展。

在国内会议方面，中国磁悬浮轴承会议自2005年以来，每两年举行一次，如今已在清华大学、南京航天航空大学、武汉理工大学、上海大学、国防科技大学、西安交通大学、山东大学七所学校成功举办，促进了磁悬浮轴承在我国的发展。总的来说，我国的磁悬浮轴承与世界有着一定的差距，但随着科研人员的努力与创新，在磁轴承领域的差距也将逐渐消失。

3 磁轴承关键技术

3.1 磁轴承的建模与仿真

在分析磁轴承磁通时，等效磁路法经常被应用于主动磁轴承与混合磁轴承的建模中，此方法最为经典。该方法的原理为通过等效磁路图来建立磁悬浮轴承悬浮力数学模型，依据理论计算以及工程经验对磁悬浮轴承进行各参数的选定。但其是基于理想情况下的建模，忽略了铁心磁阻、涡流损耗、铁心材料饱和、边缘效应等因素的影响[13]。为了使电磁场特性进行更加准确的分析与计算，学者们对于传统的等效磁路法进行了相应的改进。文献[14]提出了一种考虑材料非线性以及涡流损耗影响的径向磁轴承等效磁路法建模，但未考虑转子振动对磁轴承磁场分布的影响。文献[15]在三极磁悬浮的建模中考虑到了边际效应的影响。经过对比与分析，在模型的计算中加入了边际效应的影响后，计算所得结果与实际磁悬浮力的误差大大的减小，从而有效的提高了悬浮力模型的精准度。

针对于交流磁悬浮轴承的建模，等效磁路法需要根据不同的磁轴承进行相对应的建模，在使用时不够简便。因此，为了提高建模的精准性、直接且通用性，参考无轴承悬浮子系统的建模[16]，可以使用麦克斯韦张量法对交流磁轴承进行建模。文献[17]提出了一种通过采用麦克斯韦张量法对混合磁悬浮轴承进行悬浮力建模的方法。通过实验表明，与等效磁路相比，麦克斯韦张量法的建模更为精准。但其只是对于两个自由度的交流轴承进行的建模，同时使用麦克斯韦张量法时，也存在着计及磁路饱和、磁阻损耗、边际效应等因素建模复杂的弊端。

3.2 磁轴承驱动技术

磁轴承驱动技术按驱动方式来分，可分为直流驱动与交流驱动。交流磁轴承的驱动又可分为：三相逆变器驱动与矩阵变换器驱动[18]。

直流功率放大器驱动使用较为广泛，使用一个功率放大器对单个磁极进行驱动，每个自由度的正方向或负方向由一个功率放大器控制。由此可见，当磁极较多时，需使用多个直流功率放大器，其具有着高成本、大体积的缺点。因此为了可以更少的使用直流功放的个数，达到低成本，小体积的目的，三相功率逆变器驱动技术在磁轴承的驱动方面受到了广泛的应用。文献[5]通过一个三相逆变器代替了传统的多个直流功放驱动，实现了磁悬浮设计的低成本，小体积的需求。

矩阵变换器是一种直接进行交交变换的装置，与传统的交直交变换器相比，其可省略中间储能的电容或电感[19]。同时，其有着能量双向流动、输入功率因数为1、动态性能好、维护成本低的优点，在电机驱动、风力发电、航空航天、变流变频调速等方面均得到了应用。文献[20]将矩阵变换器引入到了磁轴承运动控制装置的驱动中，通过采用双滞环电流控制的方法，使得转子在平衡位置可稳定悬浮，输入侧的电流波形也得到了完善。这种装置适用于所有三极的混合或主动磁轴承。

3.3 磁轴承的控制技术

磁悬浮轴承的控制技术极大的决定了整个磁轴承系统的好坏，处于整个系统的核心地位。控制系统决定了磁轴承系统的动稳态性能、转子控制的精度、系统抗干扰能力以及受扰动后的快恢复性等方面[21]。目前，常见的控制方法有：PID控制、反馈线性 化控制、鲁棒控制、模糊控制、BP神经网络等[22]。其中PID控制结构简单、便于设计与参数的调整，其已经在工业生产领域得到了应用。但常规的PID控制存在着超调量大、鲁棒性差、稳定性差、最优PID的三个初始参数获取困难的问题，难以对转子进行较好的控制。为了使得磁轴承转子得到更加有效的控制，近年来，国内外学者在各种智能算法或控制方法相结合方面进行了深入的研究。

文献[23]在PID控制的基础上加入了神经网络的方法，利用神经网络的权值调整以及自学习的特点获取最优的PID初始参数。实验结果表明，当系统受到一个小的扰动偏差时，此系统比经典的PID控制能更快的趋于稳定。文献[24]通过积分滑模变结构控制实现了转子四个自由度的控制，解决了传统变结构控制只能对单自由度控制的弊端。并且实验结果表明，此系统动稳态性能好、受扰动时有很好的快恢复性、转子转子几乎无“抖振”的优点。文献[25]将PID控制与变论域模糊算法相结合，为了使得函数形式以及函数参数能系统的选择，使用了模糊推理来设计伸缩因子。实验表明，这种控制方法与传统的PID控制和模糊PID控制相比，动、稳态稳定性均有了显著提高，使得鲁棒性更好、控制精度更高。文献[26]在变域论模糊PID控制的基础上加入了遗传算法的概念，通过遗传算法对PID的三个初始值进行了离线优化，使得系统有着更好的动静稳定性。

3.4 磁轴承的转子位移检测技术

转子位移检测技术在磁悬浮控制系统中至关重要，转子位移检测的优劣很大程度上决定了磁轴承整体系统性能的好坏。目前的转子位移检测技术分为两类：有传感技术和无传感技术。

目前，有传感技术的使用较为广泛，技术也较为成熟，具有着高精度、高稳定性、高可靠性、高性能的优点[27～28]。对于传感器的选择需要依据应用的环境以及条件，同时也需考虑传感器的灵敏性、线性度、热稳定性、抗干扰能力等性能指标。但有传感技术也存在着价格高、体积大的问题，因此无传感技术受到了国内外学者的广泛关注。

磁悬浮的转子位移自检测技术最早由SIVADASAN[29]提出，通过电磁铁线圈中电压(或电流)信号间接得出转子的位移，其具有以下几个优点：①不需要造价高额的传感器，降低成本。②省略了原所需器件的引线，减小了体积。③缩小转子，提高了转速，最大承载力也得到增加。④提高了磁轴承系统的可靠性。目前，苏黎世联邦理工学院已经研制出了一款转子转速在8 000 r/min运行下具有良好刚度以及阻尼特性的样机。文献[30]中Koichi M在三极主动磁轴承的转子位移与转速的检测时使用了卡尔曼滤波器的方法，实验结果表明，该方法计算结果与实际转子位移误差不大。文献[31]中江苏大学学者提出了一种基于SPSO算法优化最小二乘支持向量机的六极径向混合磁轴承转子位移自检测技术，通过仿真及实验表明，此方法下转子位移自检测的预测值较为精确，并且有较强的抗干扰能力。

4 磁悬浮轴承的未来展望

目前，磁悬浮轴承技术在航空航天、生命科学、机械生产等领域均有了一定的应用。但其也存在着成本高、结构复杂、难以控制等问题，为了可以使得磁悬浮轴承更加的可靠、高效、高性能，未来需要在以下几个方面开展研究。

磁轴承结构设计方面。一方面：采用永磁偏置混合磁轴承结构，永磁体提供静态偏磁磁场，减少磁轴承体积和功率损耗，降低成本；采用径向-轴向实现转子三自由度悬浮的磁轴承结构，缩小磁轴承轴向长度，提高悬浮转子临界速度；进而采用径向-轴向混合磁轴承结构，提高磁轴承性能，降低体积、功耗和成本。另一方面：为了进一步降低功率放大器体积、数量和成本，磁悬浮轴承采用三极集中绕组结构，采用三相逆变器进行驱动，与传统的直流驱动式八极磁轴承相比，其功率损耗与体积都有明显降低；但三极结构存在明显耦合和非线性，因此，为了降低耦合，提高磁悬浮轴承性能，提出径向六极对称结构的磁轴承，其集成三极磁轴承优点外，紧一步提高了磁轴承的性能[31]。

磁轴承的建模方面。在建立磁轴承悬浮数学模型时，考虑到涡流损耗、边际效应、铁心材料是否饱和、转子振动等因素对于磁轴承磁场分布的影响，从而做到更加精准的建模。

磁轴承的控制方面。通过现代控制理论的方法对磁悬浮轴承进行更加可靠、高效的控制是未来发展的必然趋势。同时，如何使得磁轴承控制技术更加的智能化、集成化，并且降低功耗，也是未来学者们需要突破的技术。

磁轴承的驱动方面。在各极磁轴承驱动中均可引入三相逆变器代替直流功放，从而达到低成本、小体积的目的。因此通过三相功率逆变器驱动三极磁轴承值得受到广泛研究。同时，将矩阵变换器引入到各种极对数的交流磁轴承的驱动，也是一种高效率、高性能的驱动方法。

磁轴承的转子位移监测方面。无传感技术虽然有许多优势，但是与有位移传感器的磁悬浮轴承相比，存在着对转子的控制精度不足、动稳态性能不行、抗干扰能力差的问题，因此在机械领域还未受到应用。无传感技术的优化以及性能的提高也会是未来的重点研究方向之一。

5 结 语

本文首先对磁轴承的工作原理与分类进行了介绍，其次通过已有的文献以及研究成果对国内外研究现状以及现有技术进行了概述，最后对磁悬浮轴承未来发展前景进行了展望。磁悬浮轴承与传统轴承相比具有着清洁、损耗小、寿命长、高速的优点，因此磁轴承在某些方面取代传统机械轴承是必然的趋势。目前，虽然磁悬浮轴承已经得到了一定的发展及应用，但如何使其能够更好的应用于生产、生活中，还需要国内外学者们的共同努力与研究。