机械加工误差对主动磁悬浮轴承性能的影响探究

董如昊，魏志韬，邓 艳

（珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070）

现阶段，主动磁悬浮轴承已经从实验阶段逐渐过渡到了实际应用阶段，在工业设备领域发挥着关键作用。这种轴承系统本身的可靠性处于较高水准，且具备可观的工作周期和工作寿命。不过，在主动磁悬浮轴承系统运行期间，机械加工误差对主动磁悬浮轴承系统会产生较大影响，有必要针对这项内容分析系统性能的影响机理，切实优化主动磁悬浮轴承系统运行性能，扩大应用范围。

1 主动磁悬浮轴承概述

1.1 主动磁悬浮轴承

作为一种颇具代表性的机电一体化产品，主动磁悬浮轴承（Active Magnetic Bearing, AMB）亦被称作磁力轴承、电磁轴承、磁轴承。涉及的综合技术包括数字信号处理技术、测试技术、磁性材料、控制工程技术、电工电子学技术、机械学技术以及转子动力学技术等。主动磁悬浮轴承不涉及机械接触的情况，在运行期间呈现出无需润滑处理、无磨损、无摩擦的情况，达成转子运转过程的高速化。一般来说，转子材料类型及材料强度是对转子转速产生影响的主要因素。主动磁悬浮轴承还具备噪声极小、功率消耗水平极低的优点，可以在多种复杂化的环境之中进行有效应用，本身具备较强的适用性。主动磁悬浮轴承的明显优势还体现在能够依托控制系统实时化监测转子的运行状态，实现在线评估不平衡情况，在此基础上采取主动控制的形式整改不平衡情况，主动磁悬浮轴承的转子系统将会保持较高的精度水平。同时，相较于气体轴承、油膜轴承以及传统滚动轴承而言，主动磁悬浮轴承的优越性更加明显。

1.2 主动磁悬浮轴承系统构成

主动磁悬浮轴承系统由功率放大器、传感器、电磁铁、转子以及控制器等构成。占据核心地位的是控制器，主动磁悬浮轴承整体性能在很大程度上是由控制器所决定的。同时，主动磁悬浮轴承的稳定性、阻尼以及动态性能，均会受到控制器的直接影响。一般来说，应用到主动磁悬浮轴承系统中的控制器存在两种形式，分别是数字控制器和模拟控制器。就现阶段我国所使用的主动磁悬浮轴承系统来看，当选用模拟控制器时，尽管可以在一定程度上满足系统稳定性的要求，不过相较于数字控制器而言，这种控制器本身存在着较为明显的缺陷：1）体积较大，功耗大；2）互换性较差，在应用期间，当主动磁悬浮轴承不同时，控制器需要进行相应的调整；3）无法达到同时控制两个及两个以上自由度的目标；4）应用期间无法实现便利调节，难以做到复杂化控制。

出于拓宽主动磁悬浮轴承应用范围的目的，需要有效规避模拟控制器在线调节性能不佳情况，对于主动磁悬浮轴承而言，数字化控制器才是最为主要的发展方向。同时，在未来的发展中，还应当不断致力于主动磁悬浮轴承系统的智能化发展。数字化控制器一方面能够促使主动磁悬浮轴承系统朝着智能化、网络化的方向发展，另一方面还能够实现控制器柔性、可靠性的提升，控制器功耗降低和体积的减小。

2 主动磁悬浮轴承原理

主动磁悬浮轴承在运转时主要是依托于磁力作用，使得转子得以在空中悬浮，定子与转子之间并不存在机械接触[1]。主动磁悬浮轴承的工作原理是通过磁浮线和轴芯的平行、磁浮线与磁感应线的垂直作用，使得转子能够始终在运转轨道上固定，依托于几乎不存在负载的轴芯在磁浮线方向来回往返，实现顶撑转子，使之处于悬空状态并在运转轨道上固定的目标。本次研究中的主动磁悬浮轴承工作原理为差动方式，且在转子两侧存在两个径向磁悬浮轴承。在主动磁悬浮轴承系统之中，每个径向磁悬浮轴承定子之中存在4 对磁极，处于相对状态的两对磁极将会组成差动结构，使得转子在运转轨道运动的过程中感受到双向电磁力，单个径向磁悬浮轴承能够控制转子的两个自由度，且在转子各个自由度方向之中，均进行了位移传感器的安装，从而实现对转子在对应方向上位移进行检测的目的。图1 为单自由度层面径向磁悬浮轴承的工作原理。

图1 单自由度层面径向磁悬浮轴承工作原理

在图1 中，圆形所代表的为转子，其两侧存在的物体即为两对磁极，这两对磁极共同构成了单个自由度的差动结构[2]。如图1 所示，如果转子在x轴方向与平衡位置偏离，且偏离值为x1，在这种情况下，依托于位移传感器的作用，控制系统能够有效监测转子出现的位置偏移情况，同时生成相应的电流ic予以控制。此时，正磁极和负磁极这两项内容之间存在的差异数值即为转子的受力，其中，正磁极为图1 中的i+，表示为：

式（1）中，i+所表示的含义为正磁极；Ir0所表示的含义为偏置电流；ic所表示的含义为控制电流，该式表示正磁极为这两项内容之和。

另外，负磁极为图1中的i-，表示为：

式（2）中，i-所表示的含义为负磁极；Ir0所表示的含义为偏置电流；ic所表示的含义为控制电流，该式表示负磁极为这两项内容之差。

在对转子在x方向所接受的磁力进行计算时，可以使用如下公式：

式（3）中，Fx1所表示的含义为主动磁悬浮轴承系统中转子在x方向所接受的磁力；Fx1+所表示的含义为主动磁悬浮轴承系统中转子在x方向所接受的正磁极磁力；Fx1-所表示的含义为主动磁悬浮轴承系统中转子在x方向所接受的负磁极磁力；μ0所表示的含义为真空磁导率；A所表示的含义为径向磁极面积；Ir0所表示的含义为偏置电流；ic所表示的含义为控制电流；n所表示的含义为单个磁极线圈的匝数；gr0所表示的含义为主动磁悬浮轴承系统中转子处于平衡状态时存在的单边气隙；φ所表示的含义为关于磁极结构的角度，此处取22.5°。

主动磁悬浮轴承系统中转子在x方向所接受的磁力能够使得转子重新恢复平衡状态，将偏离情况进行纠正。在轴承系统处于正常运转期间，转子会处于其平衡状态所在范围周边较小区间，降低主动磁悬浮轴承控制系统设计烦琐程度，当控制电流为0 且x也为0 时，对式（3）进行简化，整合之后可得如下公式：

式（4）中，ki所表示的含义为电流刚度；kx所表示的含义为位移刚度。

3 主动磁悬浮轴承系统装配误差检测原理

通常情况下，主动磁悬浮轴承系统本身的结构呈现出较为明显的烦琐性、复杂性特征，若想实现直接测量误差面临较大的难度，不仅如此，主动磁悬浮轴承系统的定子和转子之间如果存在气隙，也会使得转子安装状态无法直观地呈现出主动磁悬浮轴承系统本身存在的装配误差[3]。一般来说，当主动磁悬浮轴承系统处于悬浮状态时，径向磁悬浮轴承工作电流是反映存在的装配误差的主要载体，正因如此，在分析主动磁悬浮轴承系统的装配误差时，能够依托于对系统工作过程中径向磁悬浮轴承线圈电流进行分析的形式实现这一目的。就近年来的主动磁悬浮轴承装配调制现状而言，径向磁悬浮轴承定子不同轴、轴向磁悬浮轴承定子装配误差以及推力盘垂直度误差是具体的主动磁悬浮轴承系统中能够产生较大程度影响的几个主要因素。基于这种情况，在检测主动磁悬浮轴承系统的装配误差时，通常是检测上述三种误差的相位和大小。

在具体开展检测工作的过程中，第一步应当先使得主动磁悬浮轴承系统中的轴向磁悬浮轴承处于静止状态，而系统中的两个径向磁悬浮轴承则处于工作状态，将系统转子进行缓慢的转动，测量每一个径向磁悬浮轴承线圈工作电流中的直流分量和幅度、交流分量和幅度，并详细记录测得的结果，记录为状态一[4]。第二步使得主动磁悬浮轴承中的轴向磁悬浮轴承和径向磁悬浮轴承均处于工作状态，并将系统转子进行缓慢转动，测量每一个径向磁悬浮轴承线圈工作电流中的直流分量和幅度、交流分量和幅度，并详细记录测得的结果，记录为状态二。第三步计算所记录的状态二中的数值相较于状态一中的数值出现的增量，应当明确的是，之所以会产生数值增加的情况，根本原因即为相较于状态一下的系统运行状况，状态二之中加入了轴向磁悬浮轴承的运动。这种情况表明了径向磁悬浮轴承在工作期间会受到来源于轴向磁悬浮轴承的影响，依托于对实际电流增量的方向和数值进行分析的形式，即可以明确主动磁悬浮轴承系统实际的装配误差情况[5]。

4 机械加工误差对主动磁悬浮轴承系统性能的影响

4.1 轴向轴承推力盘相对于系统内定子发生偏斜状况

在主动磁悬浮轴承之中，由于类型的不同，轴承系统本身的自由度数量也不相同。在具备5 自由度的主动磁悬浮轴承系统之中，通常存在多个组成部分，共同构成系统的机械部分，包括转子、一个轴向轴承定子以及两个径向轴承定子。一般来说，涡流位移传感器是主动磁悬浮轴承系统对转子位置进行检测时最常用的一种传感器。出于实现涡流效应提升的目的，低电阻率材料是制作位移传感器检测面的主要材料。同时，出于降低材料涡流损耗和磁滞损耗的目的，在加工主动磁悬浮轴承系统的径向轴承定子及对应转子磁路部分时，通常所选用的加工方式为叠压硅钢片。在加工轴向轴承推力盘和轴向轴承定子时，在技术原因的限制下，所使用的制作材料通常是整体软磁材料，在这种情况下，主动磁悬浮轴承系统之中的转子通常是一种较为复杂的组件，需要将软磁材料推力盘、硅钢片以及低电阻率材料共同装配在钢制基轴上组合而成[6]。

在加工径向磁悬浮轴承定子时，为了实现机械加工误差的充分降低和有效控制，一般可以采取组合加工的形式，为上述目标的实现奠定基础。主动磁悬浮轴承系统之中之所以需要配备轴向轴承定子，主要原因在于为推力盘安装划分成两个独立磁极提供便利条件，并在装配工艺之下，构成完整定子。不过，在此类装配工艺之下，相较于控制径向轴承而言，想要实现有效控制轴向轴承安装精度需要面临更高的难度[7]。在具体进行机械加工的过程中，出现轴向轴承推力盘相对于主动磁悬浮轴承系统内定子偏斜情况的可能性较大。从本质上来说，主动磁悬浮轴承系统中两个径向轴承定子不同轴、轴向轴承定子装配偏斜、轴向轴承推力盘和转子轴线这二者并非垂直状态是导致偏斜现象产生的三个主要原因。

4.2 径向轴承系统位移传感器检测面产生的圆度误差

在机械加工的过程中，一种出现频率较高的误差为圆柱表面圆度误差。具体而言，在圆柱加工的过程中，由于加工技术等多重原因的限制，使得加工出的圆柱呈现出椭圆柱的形状，且横截面也为椭圆。这种误差情况也是主动磁悬浮轴承系统加工期间的常见误差之一，将会对系统的正常运行产生负面影响，具体表现为对转子的悬浮造成影响，削弱主动磁悬浮轴承性能[8]。

4.3 径向轴承位移传感器检测面轴线相对于径向轴承工作面轴线出现偏斜

在进行径向磁悬浮轴承工作面的加工时，为了满足使用性能和要求，所选择的制作材料与加工径向位移传感器检测面的轴承不相同，这两项内容的切削性能也存在着较为明显的差异。在这种情况下，当加工主动磁悬浮轴承的转子时，传感器检测面轴线相对于工作面轴线发生偏斜的可能性较大，即这两个表面的轴线不处于正常应有的重合状态，主动磁悬浮轴承系统的性能将受到影响，转子也难以处于平衡状态。

4.4 轴向磁悬浮轴承定子在安装过程中出现偏斜现象

相较于轴向轴承推力盘不垂直现象而言，此类误差与前者存在一定的相似点，一旦产生这种误差，将会使得径向轴承受到来源于轴向轴承的干扰力偶[9]。但是，这两种误差之间也存在一定的差异，这种不同体现在：当主动磁悬浮轴承系统中轴向轴承定子的安装出现偏斜情况时，所生成的干扰力偶的方向呈现出与轴向轴承定子偏斜方向一致的趋势，不仅如此，当转子转动时，干扰力偶的方向也不会随之发生变化。

4.5 径向位移传感器检测面相对于径向轴承工作面中心偏离

在主动磁悬浮轴承系统之中，涡流位移传感器是对转子位置进行检测时最常用的一种传感器，在工作的过程中，为了实现对转子位置的精准检测，一般是依托于检测传感头和转子表面这两项内容之间存在的空隙，从而达成对转子中心位置进行间接检测的目标。在这种情况下，主动磁悬浮轴承系统内部的控制系统将会控制转子，使转子的运动能够始终围绕涡流位移传感器检测表面的中心[10]。但是，一旦主动磁悬浮轴承系统中的径向位移传感器的检测面相对于径向轴承工作面出现偏离情况，将会使得转子在围绕涡流位移传感器检测表面中心转动的过程中，当转子转动时，径向轴承的工作气隙也会随之出现同频率波动，影响径向磁悬浮轴承的正常工作。

5 总结

综上所述，几种出现频率较高的机械加工误差将会对主动磁悬浮轴承系统的径向磁悬浮轴承工作电流产生不同程度的影响。所以，一方面需要将轴承系统中转子所承受的动态荷载和静态荷载作为对主动磁悬浮轴承系统工作参数产生影响的因素，另一方面还应当充分考虑装配和加工期间存在的误差情况对主动磁悬浮轴承系统工作参数造成的干扰和影响，以此为系统性能的优化创设良好条件，使得主动磁悬浮轴承系统在运转期间存在的误差能够处于允许范围内。