五自由度磁懸浮軸承系統試驗臺設計及試驗驗證

高 平，楊芳芳，呂建超，卿 華

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

多電發動機是在航空發動機上用磁懸浮軸承取代傳統的滾動軸承，用集成在發動機主軸上的起動發電機給發動機和飛機以及機載高能激光武器提供所需能源，并用電氣化傳動附件取代機械式傳動附件，實現發動機和飛機的全電氣化傳動[1]。

磁懸浮軸承技術作為多電發動機的一項核心關鍵技術，國外學者和研究機構對磁懸浮軸承在航空發動機上的應用開展了大量研究。Iannello等[2-3]采用電容位移傳感器，對磁懸浮軸承的線圈和傳感器進行了冗余設計，提高了磁懸浮軸承系統的可靠性；Meeks等[4]采用永磁和電磁混合的磁懸浮軸承方案降低了磁懸浮軸承系統的質量；Storace[5]、Lyons[6]等采用無傳感器檢測技術和磁懸浮軸承冗余設計技術，完成了雙轉子發動機的支撐結構設計。國內對磁懸浮軸承在航空發動機上的應用研究開展相對較晚。徐龍祥課題組[7-8]開展了用于航空領域的高溫磁懸浮軸承和高溫位移傳感器研究；趙雷等[9]開展了磁懸浮軸承在高溫氣冷堆氦風機的應用研究；王戈一等[10]開展了磁懸浮軸承在多電發動機上的初步應用研究；楊韶[11]等開展了五自由度磁懸浮軸承耦合效應的試驗研究；楊芳芳等[12]開展了推力磁懸浮軸承的優化設計及分析研究。盡管上述研究均取得了一定的成果，但磁懸浮軸承在發動機上的應用仍處于起步階段。

為進一步掌握磁懸浮軸承在多電發動機上的應用技術，本文以某型多電發動機為基礎，開展了模擬多電發動機的五自由度磁懸浮軸承試驗臺的設計和試驗，以驗證磁懸浮軸承系統的性能，為磁懸浮軸承在多電發動機上的應用提供技術支持。

2 試驗臺總體結構設計

根據多電發動機的結構和性能要求，磁懸浮軸承試驗臺中磁懸浮軸承的支撐位置、結構尺寸和承載能力等都要與多電發動機的設計要求保持一致。圖1示出了磁懸浮軸承試驗臺的總體結構，其主要部件包括外部機匣、輔助軸承、磁懸浮軸承、位移傳感器、音輪、內置電機、模擬轉子以及磁懸浮軸承和電機的控制系統。其中輔助軸承分別置于試驗臺前后兩端，推力磁懸浮軸承、前徑向磁懸浮軸承、前位移傳感器和內置電機一起置于試驗臺的前腔，后徑向磁懸浮軸承和后位移傳感器置于試驗臺的后腔。表1給出了磁懸浮軸承試驗臺的主要技術參數。

3 模擬轉子設計與分析

為準確模擬多電發動機轉子的真實狀態，磁懸浮軸承試驗臺的轉子(以下稱模擬轉子)的質量、質心、轉動慣量、臨界轉速等要與多電發動機轉子的保持一致，且模擬轉子的結構應簡單可靠、方便安裝。圖2為模擬轉子的結構示意圖，主要由前軸頸、中間軸和后軸頸三部分組成。其中前軸頸裝配有推力磁懸浮軸承轉子、前徑向磁懸浮軸承轉子、音輪和內置電機轉子，中間軸包括壓氣機模擬盤和渦輪模擬盤，后軸頸裝配有后徑向磁懸浮軸承轉子。

表1 磁懸浮軸承試驗臺主要技術參數Table 1 The main parameters of the AMB test-bed

圖2 模擬轉子結構示意圖Fig.2 The structure of the simulation rotor

經轉子動力學分析，得出了模擬轉子與多電發動機轉子前三階臨界轉速的對比，見表2。可見不同支撐剛度下，模擬轉子和多電發動機轉子各階臨界轉速接近。其中一階彎曲臨界轉速都位于14 000～18 000 r/min之間，距設計轉速(30 000 r/min)的安全裕度大于40%，滿足轉子臨界轉速設計要求。計算分析表明，模擬轉子與多電發動機轉子的轉子應變能和支撐應變能接近，前三階振型和應變能分布相似，這說明模擬轉子能夠對發動機轉子進行較好的模擬，滿足設計要求。

表2 模擬轉子和多電發動機轉子的臨界轉速r/minTable 2 The critical speeds of the simulation rotor and the more-electric engine rotor

4 磁懸浮軸承設計與分析

磁懸浮軸承試驗臺中的五自由度磁懸浮軸承系統，包括前/后支點徑向磁懸浮軸承、推力磁懸浮軸承、位移傳感器、輔助軸承以及磁懸浮軸承控制系統。圖3為徑向磁懸浮軸承結構示意圖，其中軟磁材料采用高性能的1J22。圖4為僅施加偏置電流時徑向磁懸浮軸承每對磁極的磁力線分布。從圖中可看出，徑向磁懸浮軸承每個磁極上的磁力線分布均勻，每對磁極之間幾乎無磁漏，從結構上基本消除了磁極之間的相互耦合，有利于磁懸浮軸承控制系統設計。

圖4 施加偏置磁場時磁懸浮軸承磁力線分布Fig.4 The magnetic line of the AMB in bias magnetic field

通過對磁懸浮軸承結構的設計和優化，得出了徑向磁懸浮軸承和推力磁懸浮軸承的最終方案。圖5為徑向磁懸浮軸承和推力磁懸浮軸承組件實物，表3為磁懸浮軸承技術參數。

圖5 磁懸浮軸承實物圖Fig.5 The active magnetic bearings

表3 磁懸浮軸承技術參數Table 3 The main parameters of the AMB

輔助軸承的主要作用是在磁懸浮軸承不工作時支撐轉子，以及當磁懸浮軸承系統失效后支撐整個轉子系統繼續運行。本文輔助軸承采用的方案為：前支點為兩個角接觸球軸承配對使用，后支點為自潤滑深溝球軸承。

5 磁懸浮軸承控制系統設計

控制系統是磁懸浮軸承系統的核心，其根據測量獲取的轉子位移信號控制磁懸浮軸承對轉子的吸引力。圖6為磁懸浮軸承控制系統結構框圖，主要包括：①數字電子控制器——由DSP微處理器、信號輸入通道和信號輸出通道等組成，其功能是根據位移傳感器輸出的測量信號，按照預定的控制算法和控制程序進行處理和計算，形成控制信號輸送至執行機構；②測量元件——即位移傳感器，用于檢測轉子的位移信號；③執行機構——包括功率放大器以及電磁鐵，其作用是產生電磁力，以達到控制轉子的目的；④人機交互界面——功能是幫助操作人員隨時了解控制狀態、修改控制參數、發出控制命令、進行人工干預等。

圖6 磁懸浮軸承控制系統結構框圖Fig.6 The structure of the AMB control system

6 試驗驗證

6.1 試驗數據采集

試驗過程中，為了對模擬轉子和磁懸浮軸承的運行狀態進行實時監控并獲取試驗數據，需要對功率變換器輸入/輸出電壓及電流、模擬轉子轉速及軸心軌跡、磁懸浮軸承定子鐵芯溫度、輔助軸承外圈溫度、前/后軸承座振動等參數進行實時數據采集。

6.2 磁懸浮軸承性能試驗

在磁懸浮軸承試驗臺上開展了磁懸浮軸承系統性能試驗。試驗時，前徑向磁懸浮軸承偏置電流為3 A，后徑向磁懸浮軸承偏置電流為2 A，推力磁懸浮軸承偏置電流為2 A。圖7顯示了試驗臺實物。

圖7 磁懸浮軸承試驗臺Fig.7 The active magnetic bearing test-bed

整個試驗過程中，磁懸浮軸承試驗臺工作穩定，磁懸浮軸承控制電流和轉子位移均在允許范圍內。圖8(a)顯示了轉子通過一階彎曲臨界轉速(約17 000 r/min)時的轉子位移。可看出轉子位移峰峰值很小，位移波動也很小，說明磁懸浮軸承系統工作穩定、性能良好，控制參數選擇合理，能夠平穩地通過一階彎曲臨界轉速。圖8(b)顯示了模擬轉子轉速達到試驗臺設計轉速(30 000 r/min)時的轉子位移。可看出雖然轉子徑向位移波動較大，但未超過輔助軸承的保護間隙，磁懸浮軸承系統仍能正常工作。

圖9為不同轉速下各支點磁懸浮軸承位置處的轉子位移曲線，其中前徑向磁懸浮軸承和后徑向磁懸浮軸承各有2個位移電流檢測通道，推力磁懸浮軸承有1個位移電流檢測通道。從圖中可看出：轉速在25 000 r/min以下時，各支點位置處的轉子位移波動都很小，磁懸浮軸承系統運轉平穩；轉速在25 000～27 000 r/min時，轉子徑向位移突然增大，但未超出輔助軸承的保護間隙；當轉速繼續升高至27 000～30 000 r/min時，各支點位置處的轉子位移波動則呈下降趨勢。

圖10為不同轉速下磁懸浮軸承的控制電流曲線。可見：前徑向磁懸浮軸承在7 000～18 000 r/min時控制電流增加較快，在18 000～30 000 r/min時控制電流趨于平穩，其控制電流最大峰值為5.6 A(限制值為6.0 A)。后徑向磁懸浮軸承和推力磁懸浮軸承在25 000 r/min以下時控制電流較為平穩，在25 000～30 000 r/min時增加較快；整個試驗過程中，后徑向磁懸浮軸承控制電流最大峰值為3.8 A(限制值為4.0 A)，推力磁懸浮軸承控制電流最大峰值為3.5 A(限制值為 4.0 A)。

圖8 一階彎曲臨界轉速和設計轉速時的轉子位移Fig.8 The rotor displacement in the first bend under critical speed and the maximum speed

圖9 各支點磁懸浮軸承的轉子位移Fig.9 The rotor displacement of each AMB

圖10 各支點磁懸浮軸承控制電流Fig.10 The control current of each AMB

由于模擬轉子為柔性轉子，且轉子本身存在不平衡量，試驗過程中當轉速較低時，轉子不平衡量產生的離心力較小，轉子變形也較小，各支點磁懸浮軸承只需要較小的控制電流就可將轉子位移控制在較小范圍內。隨著轉速增加，不平衡量產生的離心力也增加，轉子變形量增大，磁懸浮軸承需要增大控制電流才能完成對轉子的控制。另外，由于前軸頸是細長結構，所以前支點磁懸浮軸承對轉子變形更加敏感，前支點磁懸浮軸承的控制電流隨轉速的增加就更加明顯。當磁懸浮軸承的控制電流趨于飽和而轉子離心力隨轉速繼續增加，磁懸浮軸承產生的磁場力不足以將轉子控制在較小范圍內時，轉子位移會隨之增大，但整個試驗過程中轉子位移都控制在允許范圍內。

7 結論

通過五自由度磁懸浮軸承試驗臺的設計以及磁懸浮軸承系統的性能試驗，主要得出以下結論；

(1)模擬轉子與多電發動機轉子在臨界轉速、各階振型以及轉子應變能等方面均較為近似，該模擬轉子能較為真實地模擬多電發動機轉子。

(2)模擬轉子轉速順利通過了一階彎曲臨界轉速，達到了預定的設計轉速30 000 r/min；磁懸浮軸承系統設計合理，控制參數選擇正確，磁懸浮軸承工作性能穩定，滿足磁懸浮軸承試驗臺的設計要求。

(3)該五自由度磁懸浮軸承系統在多電發動機上的應用合理可行，五自由度磁懸浮軸承試驗臺的設計為后續多電發動機的磁懸浮軸承支撐結構設計提供了支持。

(4)該五自由度磁懸浮軸承試驗臺工作可靠，采集的數據滿足要求，為后續建立其他試驗臺奠定了技術基礎。