磁懸浮軸承懸浮能力及控制系統分析研究

吳曉峰 ，宋志江 ，張春艷

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磁懸浮軸承是以磁懸浮理論和自動控制理論為基礎發展起來的一種新型軸承。目前世界上只有英、法、美等少數國家成功應用到透平機、壓縮機、真空泵和超高速離心機等上。在我國，80年代末，清華大學張祖明做了垂直方向單自由度磁懸浮軸承研究，哈爾濱工業大學陳易新對單自由度磁懸浮軸承的控制系統進行了計算機輔助分析，94年河北煤炭建筑工程學院吳貴生等人，對磁懸浮軸承進行了研制和試驗研究。近幾年，南京航空航天大學將磁懸浮軸承應用到了航空發動機和鉆床主軸上;清華大學將磁懸浮軸承成功應用到了高溫氣冷堆氦氣透平發電機中，其轉速高達15 000 r/min，功率為2 500 kW。本文主要針對自行設計和研制的五維控制磁懸浮軸承的懸浮能力和閉環控制系統進行了分析計算研究，為進一步實際應用墊定了實踐基礎。磁懸浮軸承具有無摩擦、耗能小、噪聲小、壽命長、無污染、轉速高、不需要潤滑等優點，特別適用于輕載高速、重載低速、真空、超凈等特殊環境中。

1 基本原理

磁懸浮軸承是由上、下、左、右四組電磁鐵(定子)和轉子組成。在四組電磁鐵的對應方向上各設置了位移傳感器，隨時檢測電磁鐵(定子)與轉子之間的間隙大小。通過信號反饋，經過功率放大，控制流入四組電磁鐵線圈中的電流，使電磁鐵產生磁力變化，從而使轉子穩定地懸浮在平衡的位置旋轉。

2 懸浮能力的理論分析計算

磁場中某點磁感應強度B與該點磁導率μ的比值稱為該點的磁場強度H，即

根據安培環路定律，在磁場中的合成磁場強度H為沿閉合路徑的線積分等于這個閉合路徑包圍的各傳導電流的代數和，即H∮HcosθdL=∑I。

磁懸浮軸承的模型如圖1所示。

設每個磁極上螺旋線圈為ω匝，則∑I=ωI或B= μω I。

設磁路的磁場強度是均勻的，并忽略微小量磁漏和磁滯的影響，由麥克斯韋吸引力公式可得一個磁極的懸浮力為

式中μ0－空氣的磁導率;S－磁極的截面積;B1、B2－分別為上、下磁鐵氣隙處的磁感應強度。

從上式可見B2=0時，上磁鐵有最大懸浮力為

依據分段均勻安培定律，對圖1，氣隙、鐵芯、銜鐵的磁場強度的方向處處都與磁路的循環方向相一致，即θ=0，因此有

式中μ0－鐵芯與銜鐵之間的間隙;μ1、μ2－分別為鐵芯和銜鐵的磁導率;L1、L2－分別為鐵芯和銜鐵磁路的平均長度;H0、H1、H2－分別為氣隙、鐵芯、銜鐵的磁場強度。

實際上μ1和μ2遠大于μ0，所以可將式(2)中的忽略不計，則

將式(3)代入式(1)可得磁懸浮軸每個磁極的最大懸浮力為

所研制磁懸浮軸承裝置結構原理如圖2所示。

圖中A－A截面放大圖為徑向磁懸浮軸承定子的1/4(即上一組)，其中有6個磁極，每個磁極的方向與垂直方向都有一定夾角。B－B截面放大圖為軸向磁懸浮軸承的定子，其中有8個磁極，每個磁極的方向都與軸向一致。無論徑向磁懸浮軸承，還是軸向磁懸浮軸承，它們的每個磁極都可看成是圖1的推廣，只要考慮到每個磁極截面的投影方向就可得出徑向磁懸浮軸承和軸向磁懸浮軸承的最大懸浮力。

式中S、ω、δ、I－徑向磁懸浮軸承每個磁極的截面積、線圈匝數、氣隙大小和電流強度。

式中K－軸向磁懸浮軸承磁極的個數;S、ω、δ、I－分別為軸向磁懸浮軸承每個磁極的截面積、線圈匝數、氣隙大小和電流強度。

表1 磁懸浮軸承的結構參數和電流參數Tab.1 Magnetic bearing structure parameters and current parameters

所研制磁懸浮軸承裝置中徑向磁懸浮軸承和軸向磁懸浮軸承的有關結構參數和電流參數如表1所示。

將表1中的參數分別代入式(5)和式(6)就可得到所研制磁懸浮軸承裝置中每個徑向磁懸浮軸承和每個軸向磁懸浮軸承的最大懸浮力。磁懸浮軸承系統一般是由定子(電磁鐵)、轉子、傳感器、校正電路和功率放大器五個部分組成，其中定子(電磁鐵)和轉子是執行部件。

3 控制系統

磁懸浮軸承控制系統原理框圖如圖3所示。

當轉子受到上、下或左、右擾動時，就會偏離其平衡位置，幾乎同時高響應高精度位移傳感器就可檢測到轉子的微小位置變化，并把這一微小位置變化轉化成微小電信號反饋到控制器的微處理器，與基準信號相比較，經過校正電路，進入功率放大器將校正處理后的信號轉換成控制電流，控制電流在定子磁鐵中產生磁力，從而驅動轉子返回到原來的平衡位置。因此，不論轉子受到向上或向下、向左或向右的擾動，轉子都能始終穩定地處于平衡位置狀態旋轉。

4 結論

1)無論是徑向磁懸浮軸承還是軸向磁懸浮軸承，在選用高磁感應強度材料的基礎上，盡量增大線圈匝數、電流強度和磁極的截面積、減小轉子與定子(電磁鐵)之間的間隙對提高徑向磁懸浮軸承和軸向磁懸浮軸承的懸浮能力是有效的。其中增大線圈匝數和電流強度、減小轉子與定子(電磁鐵)之間的間隙尤為顯著。

2)控制系統的位移傳感器、信號反饋響應速度和功率放大是關鍵，功率放大可有效提高磁懸浮軸承的懸浮能力。

[1]謝元運.感應磁懸浮理論及應用[M].科學技術文獻出版社，1984.

[2]吳貴生.五維控制磁懸浮軸承裝置的試驗研究[J].河北煤炭建筑工程學院學報，1996，8(2):43－45.

[3]李慧敏.磁懸浮軸承的研究現狀和發展趨勢[J].軸承，2003(6):43－45.

[4]馬磊.薄圓盤形轉子5自由度磁懸浮軸承系統研究[J].制造自動化，2009(1):76－79.

[5]鄒海丹.磁懸浮軸承轉子位置檢測技術[J].軸承，2009(4):55－57.