作者簡介

本文是生活中的電、電源與電力電子科普征文大賽的二等獎作品，原標題《磁懸浮軸承——電力電子在高速旋轉(zhuǎn)機械領域的應用》，作者：蔣棟，孫宏博，楊佶昌，劉自程，帥逸軒，來自華中科技大學，強電磁工程與新技術國家重點實驗室。

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磁懸浮軸承背景介紹

電動機想必大家都有所了解，轉(zhuǎn)子“呼呼呼”旋轉(zhuǎn)，帶動工業(yè)的發(fā)展。在工業(yè)和國防領域，旋轉(zhuǎn)機械是最重要的動力來源。無論是重工業(yè)中飛機發(fā)動機、船舶螺旋槳推進、汽車高鐵的動力系統(tǒng)，還是生活里中央空調(diào)的壓縮機，這些裝置中都能看到旋轉(zhuǎn)機械的身影。而在旋轉(zhuǎn)機械中，軸承是一個非常關鍵的部件，它對旋轉(zhuǎn)機械中的轉(zhuǎn)子起到支撐作用。如果沒有軸承，轉(zhuǎn)子是無法在一固定位置自由旋轉(zhuǎn)的。

軸承在工業(yè)和國防的重要性無可替代。在第二次世界大戰(zhàn)中，德軍迅猛的閃電戰(zhàn)術依靠的大量戰(zhàn)斗機與坦克，都離不開各類旋轉(zhuǎn)機械中的滾珠軸承。英美盟軍為遏制德軍，采用了大規(guī)模空襲的方法，對施韋因富特的德國滾珠軸承廠進行打擊，造成了德軍裝備軸承的嚴重短缺，直接影響了德軍的作戰(zhàn)能力，對戰(zhàn)局帶來了重要的影響。

目前工業(yè)界最廣泛應用的是軸承類型是滾珠軸承。采用低摩擦的滾珠實現(xiàn)接觸式支承。此外，滾珠軸承還需要加入潤滑油進一步減少摩擦。但隨著轉(zhuǎn)速的提升，伴隨著摩擦力的增加，這種接觸式支承的方法在高速會遇到很多麻煩。另外在很多應用場合，為保證環(huán)境潔凈度，潤滑油被禁止使用。

相信大家可能有了些想法，既然接觸式軸承存在的摩擦難以消減，那就盡量使用不接觸的軸承唄。就是按照這樣的想法，另外兩種機械軸承被發(fā)明出來。一種就是箔片軸承（Foil Bearing），旋轉(zhuǎn)中箔片與轉(zhuǎn)軸中形成膜，可以脫離接觸。另一種是氣浮軸承，在軸承中通入壓縮氣體。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速也可以實現(xiàn)與定子脫離接觸。這兩種方法相比于傳統(tǒng)接觸式的滾珠軸承具有高速運行條件下摩擦小的優(yōu)點。但是一般都只適用于高速，且工藝也較為復雜，目前主要使用在特殊應用場景。

與上述機械軸承不同，近年來發(fā)展起來的磁懸浮軸承采用可控電磁力實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的無接觸支承，可以適應從靜止到高速的寬轉(zhuǎn)速范圍應用，且具有不加潤滑油、無接觸摩擦等優(yōu)點。因此，磁懸浮軸承成為各類高端裝備中旋轉(zhuǎn)機械支承的新一代“領銜主演”

下方左圖展示了一個典型的磁懸浮軸承的實物，本質(zhì)就是一個電磁機構，通過產(chǎn)生可控的電磁力來實現(xiàn)懸浮。磁懸浮軸承的原理結(jié)構圖如下方右圖所示，主要結(jié)構包括控制器、傳感器、功率放大器（驅(qū)動器）、繞組等。高端的裝置，但其原理并不復雜。磁懸浮軸承的基本原理高中物理知識就能解釋：每一軸的方向上，兩側(cè)繞組通過電流產(chǎn)生電磁力均能吸引轉(zhuǎn)子。在一定的平衡狀態(tài)下，兩側(cè)電磁力正好與這一軸的其他力平衡，轉(zhuǎn)子在這一位置就能保持懸浮，而與定子沒有接觸了。

(a)典型實物

(b)原理結(jié)構圖

圖3.磁懸浮軸承的

從上圖可以看出來，磁懸浮軸承是一種不穩(wěn)定系統(tǒng)：當轉(zhuǎn)子受到干擾向一側(cè)偏移時，該側(cè)氣隙減小，磁吸引力增大。此時如果沒有快速準確的電流控制，轉(zhuǎn)子終會被這一側(cè)電磁力吸引到極限位置，懸浮必然失效。

因此，磁懸浮軸承系統(tǒng)的電流需要根據(jù)轉(zhuǎn)子此時的位置動態(tài)調(diào)節(jié)，比如轉(zhuǎn)子偏下方時，上方電流需要增大，下方電流需要減小，上下兩側(cè)電磁力的差值將轉(zhuǎn)子向上“托舉”。動態(tài)調(diào)節(jié)實現(xiàn)的前提就是位置檢測要足夠快，且需要準確到檢測微米級的微小位移。電流指令（小信號）是由控制器獲知當前轉(zhuǎn)子位置后做出的“決策”信號。有了“決策”信號，接下來需要“決策”的執(zhí)行了。執(zhí)行這一步呢，可以理解為將電流指令這一“比特世界”的量，變成繞組中真實的電流，該環(huán)節(jié)正是功率放大器的任務。產(chǎn)生的真實電流在繞組中流通后，電磁力將施加至轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子位置會發(fā)生變動。傳感器再次采集轉(zhuǎn)子位置信息，交由控制器產(chǎn)生電流指令，功率放大器產(chǎn)生真實電流，電磁力調(diào)整轉(zhuǎn)子位置。如此往復循環(huán)，形成“閉環(huán)控制”，使得轉(zhuǎn)子動態(tài)地懸浮在預期的位置。

事實上，圖3是只有上下方位受控制的磁懸浮軸承原理示意圖，真正的旋轉(zhuǎn)機械應用中，轉(zhuǎn)子一般需要在五個方位（即五自由度）上完成支承，其中包括四個徑向和一個止推軸承。下圖是一個典型的五自由度磁軸承系統(tǒng)示意圖。為了支承轉(zhuǎn)子，兩側(cè)各要一個平面的兩軸徑向磁軸承，每個平面包含一對圖 3(b)所示的軸承控制兩個正交方向的懸浮。而為了控制轉(zhuǎn)子的軸向（z方向）位移，還需要一個加載在止推盤上的止推軸承。除磁懸浮軸承外，轉(zhuǎn)子外圍往往配備機械保護軸承。保護軸承主要用于轉(zhuǎn)子失穩(wěn)跌落時支撐轉(zhuǎn)子，防止出現(xiàn)電磁機構等損壞，同時也用于在系統(tǒng)停機后對轉(zhuǎn)子進行支撐。為了實現(xiàn)良好的支撐特性，磁懸浮軸承系統(tǒng)的控制是至關重要的。

圖4.五自由度磁懸浮軸承

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磁懸浮軸承與電力電子技術

通過上述的介紹，相信大家對磁懸浮軸承有了一定的了解，可以看出，磁懸浮軸承是一個多學科交叉的領域，包括了力學，電磁學，傳感器和信號處理，控制理論，以及電力電子技術等知識。其中，以電力電子技術為基石的功率放大器是磁懸浮軸承控制中一個重要的環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)控制器中的“比特世界”轉(zhuǎn)化為真實電流的執(zhí)行機構。

為了使磁懸浮軸承性能更好，電力電子控制器有一定的指標要求。首先是響應速度要足夠快，這樣才能很快響應位置波動；第二是要輸出電流低紋波和噪聲，這是為了保證電磁力的穩(wěn)定；變換器還需要低損耗高效率，保證散熱滿足要求；進一步的，為求降低成本，變換器希望在保證性能的同時能用盡量少的器件；此外，當器件故障失效的條件下，能繼續(xù)保持穩(wěn)定懸浮，避免機組損壞等安全事故。

下面咱們從更深層次理解磁軸承工作原理。直觀上就能看出，電磁力與控制電流和氣隙相關。實際上，它們之間存在著較復雜的數(shù)學關系。為提高在電磁鐵中電磁力關于控制電流與氣隙的線性程度，方便控制模型的簡化，首先需要通過電力電子變換器在繞組中注入直流偏置電流，將電磁鐵中的磁場激勵到穩(wěn)定工作點。在此基礎上根據(jù)電磁力增減的需求疊加控制電流。比如說，若偏置電流為5安培，當控制電流為1安培時，同一自由度正對的兩個繞組電流分別為（5+1=6）安培和（5-1=4）安培，那么6安培繞組的作用力就大于對面4安培繞組的作用力，從而將這1安培控制電流的作用力效果加載在轉(zhuǎn)子上。兩繞組電流之和為10安培，即兩倍的偏置電流。另外，磁軸承的電磁力是磁阻力。那什么是磁阻力呢？舉個簡單的例子，磁鐵無論是N極端還是S極端均能吸引鐵磁物質(zhì)，電磁力的方向與極性無關。因此通入不同方向的電流，相當于形成N/S極端面向鐵磁物質(zhì)，極性不同，但電磁力均起到吸引作用，電磁力大小只與電流幅值相關，而我們?nèi)粘＝佑|較多的交流電機，其電磁力與電流方向有關。上述特點是磁軸承電力電子控制器與交流電機控制器原理上的主要區(qū)別。圖5為磁場極性與電磁力方向示意圖，圖5（a）為磁軸承，通過控制繞組電流產(chǎn)生的電磁吸力使轉(zhuǎn)子懸浮在中心位置，圖5（b）為交流電機，在各個繞組中通入交流電流，產(chǎn)生的磁場在空間中旋轉(zhuǎn)，其力矩帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

（a）磁軸承

（b）交流電機

圖5.磁場極性與電磁力示意圖

配合電力電子控制，磁懸浮軸承繞組電流都可以用圖6的三種方式表征。磁懸浮軸承的每個繞組都可以等效為一個電感。在直流母線供電的條件下，開關管組合將直流母線電壓正向加載在繞組上，繞組電流將快速增加（圖6(a)）；如果開關管關斷，繞組電流將通過反并聯(lián)二極管反向接入直流母線，使負母線電壓加載在繞組上，繞組電流快速下降（圖6 (b)）；如果一個開關管導通而另一個關斷，繞組電流則通過開關管與反并聯(lián)二極管續(xù)流，加載在繞組上的電壓接近零，繞組電流接近平穩(wěn)（圖6(c)）。磁軸承系統(tǒng)在以(a)(b)為主要模態(tài)下能實現(xiàn)較高的動態(tài)性能，在以(c)為主要模態(tài)下可以保持較小的電流脈動紋波。

(a)快速增加電流

(b)快速減小電流

(c)續(xù)流

圖6.磁軸承電力電子控制電流的基本組合

由三種工作模態(tài)演變出常見的磁懸浮軸承電力電子電路有以下兩種。下方左圖為“半橋”橋臂結(jié)構，通過開關管Sa與Sb的開通與關斷，可以實現(xiàn)圖6中各種模式的基本組合，實現(xiàn)電流的快速控制。從電壓的角度來看，可認為是在繞組兩端施加可控的電壓，即0，VDC，-VDC三種情況。此外，上面提到過控制同一軸的正對的兩個繞組電流滿足相加之和為偏置電流的兩倍，即為定值，因此可將正對的兩個繞組按如圖7（b）所示方式連接，兩個繞組各有一端共同連接至中間橋臂，由中間橋臂控制該點的電位，此結(jié)構被稱為“共橋臂”結(jié)構。與“半橋”結(jié)構相比，采用“共橋臂”結(jié)構時，每個自由度所需開關器件可減少，同時節(jié)省了開關器件的驅(qū)動電路等電氣裝置，整體裝置體積也能得到縮減。

(a)半橋

(b)共橋臂

圖7.磁軸承電力電子功率放大器拓撲結(jié)構

之前提到，磁懸浮軸承的電磁力與電流方向沒有關系，正向和反向的電流均能實現(xiàn)相同的電磁力，這樣的特性為故障下實現(xiàn)容錯控制提供了新的思路。在電力電子電路中，開關器件開路故障以及門極驅(qū)動信號丟失、門極驅(qū)動電路損壞是經(jīng)常遇到的問題。當上述故障發(fā)生時，如果恰好轉(zhuǎn)子處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，那么轉(zhuǎn)子必將發(fā)生高速跌落，發(fā)生撞擊磨損甚至擊毀機組結(jié)構等嚴重的安全事故。因此需要及時且精準地自動判斷故障發(fā)生，并且采取相應的措施確保轉(zhuǎn)子的不跌落運行。

幸運的是，現(xiàn)如今市場上基于全橋結(jié)構的電力電子功率模塊存在冗余器件，這為容錯提供了可能。以圖8為例，圖8（a）所示的結(jié)構為常見的三相全橋功率模塊，可視作圖8（b）和圖8（c）所示的兩個“共橋臂”結(jié)構的疊加。正常狀態(tài)下，功率放大器工作于圖8（b）模式，兩個繞組電流之和為兩倍的偏置電流；當開路故障發(fā)生時，兩個繞組電流之和小于兩倍偏置電流，以此為判斷依據(jù)檢測故障發(fā)生；控制器判斷故障發(fā)生后，發(fā)出切換指令，將圖8（b）模式切換為圖8（c）模式，電流雖然反向，但并不影響電磁力的方向。基于以上機制，實現(xiàn)了開關器件開路等故障工況下的“容錯控制”。

(a)三相全橋功率模塊

(b)正常模式

(c)容錯模式

圖8.磁軸承電力電子容錯控制

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磁懸浮軸承廣泛的應用領域

在電力電子技術的推動下，磁懸浮軸承的技術日趨成熟，也開始廣泛應用于各行各業(yè)。較早將磁懸浮軸承技術進行應用的案例為法國軍方在1972年將磁懸浮軸承技術應用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制[1]。此后，磁軸承在航空航天領域的應用逐漸增多，并拓展至其他領域。目前主要的應用場合有：

（1）高速電機：磁懸浮軸承可以避免轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的摩擦與碰撞，轉(zhuǎn)子容易獲得較高轉(zhuǎn)速。一個典型的案例是：2021年2月，美國Calnetix Technologies 公司開發(fā)了高速在線磁懸浮風機和雙控制器產(chǎn)品，并將其應用于NASA下一代二氧化碳去除系統(tǒng)[2]。

（2）離心式壓縮機：壓縮機是空調(diào)機組的核心旋轉(zhuǎn)機械，磁懸浮軸承可以替代傳統(tǒng)軸承的潤滑劑及潤滑裝置，對壓縮機制冷劑無污染。此外，磁懸浮軸承可以提高壓縮機的運行效率，可節(jié)能48%左右。目前各大空調(diào)公司均有應用了磁懸浮軸承的壓縮機產(chǎn)品。代表企業(yè)主要有丹佛斯，格尼斯，瑞士Mecos，日本精工、俄羅斯OKBM公司等。2019年，武漢地鐵裝配了格力公司推出的磁懸浮中央空調(diào)產(chǎn)品[3]。

（3）飛輪儲能：飛輪儲能的工作原理是利用電能驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能儲存起來，當需要將電能釋放時，飛輪減速，機械能轉(zhuǎn)化為電能。能量的存儲和輸出是通過飛輪的加速和減速實現(xiàn)的。飛輪快速旋轉(zhuǎn)，不可避免會存在摩擦損耗，這時磁懸浮又能派上用場了。磁懸浮的無摩擦支撐特性可以顯著降低飛輪旋轉(zhuǎn)過程中的機械損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率。2019年7月份，在北京地鐵廣陽城站，應用了磁懸浮軸承技術的兆瓦級飛輪儲能裝置正式實現(xiàn)了商用，填補了國內(nèi)應用飛輪儲能裝置在解決城市軌道交通再生制動能量回收領域的空白[4]。

（4）人工心臟泵：心臟泵血功能的喪失或衰竭會使人體產(chǎn)生嚴重的疾病甚至危害生命安全。對于心衰患者的治療，除采用心臟移植的方式外，另一種重要治療方式為人工心臟泵。2020年疫情期間大家經(jīng)常聽到的ECMO也是類似的原理。磁懸浮人工心臟泵將磁懸浮技術與人工心臟泵結(jié)合，為人體血液循環(huán)提供動力，而磁懸浮的無接觸支撐優(yōu)勢可以避免傳統(tǒng)軸承對于血細胞的破壞，同時有效降低病人的心肌耗氧量，促進病人心臟機能恢復。2021年7月，華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院為31歲心衰患者施行體外磁懸浮人工心臟輔助手術，并于12天后成功實施心臟移植手術，是國內(nèi)首個“體外人工心臟-磁懸浮體外左窒輔助裝置”臨床使用案例[5]。

除上述典型應用外，磁懸浮軸承技術還被應用于衛(wèi)星姿態(tài)控制，電主軸機床加工等領域。磁懸浮軸承是未來智能機械的重要組成部分，具有無摩擦、無碰撞、不需潤滑、可主動控制等優(yōu)勢。筆者相信磁懸浮軸承必將在工業(yè)、國防、醫(yī)療等領域扮演更為重要的角色。