【導(dǎo)讀】電動(dòng)機(jī)想必大家都有所了解，轉(zhuǎn)子“呼呼呼”旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工業(yè)的發(fā)展。在工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)機(jī)械是最重要的動(dòng)力來源。無論是重工業(yè)中飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶螺旋槳推進(jìn)、汽車高鐵的動(dòng)力系統(tǒng)，還是生活里中央空調(diào)的壓縮機(jī)，這些裝置中都能看到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的身影。而在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，軸承是一個(gè)非常關(guān)鍵的部件，它對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)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。
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(jiǎng)作品，原標(biāo)題《磁懸浮軸承——電力電子在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
01 磁懸浮軸承背景介紹
電動(dòng)機(jī)想必大家都有所了解，轉(zhuǎn)子“呼呼呼”旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工業(yè)的發(fā)展。在工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)機(jī)械是最重要的動(dòng)力來源。無論是重工業(yè)中飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶螺旋槳推進(jìn)、汽車高鐵的動(dòng)力系統(tǒng)，還是生活里中央空調(diào)的壓縮機(jī)，這些裝置中都能看到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的身影。而在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，軸承是一個(gè)非常關(guān)鍵的部件，它對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)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(guó)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(shù)依靠的大量戰(zhàn)斗機(jī)與坦克，都離不開各類旋轉(zhuǎn)機(jī)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(duì)施韋因富特的德國(guó)滾珠軸承廠進(jìn)行打擊，造成了德軍裝備軸承的嚴(yán)重短缺，直接影響了德軍的作戰(zhàn)能力，對(duì)戰(zhàn)局帶來了重要的影響。
圖1.盟軍轟炸德國(guó)滾珠軸承廠（來自網(wǎng)絡(luò)）
目前工業(yè)界最廣泛應(yīng)用的是軸承類型是滾珠軸承。采用低摩擦的滾珠實(shí)現(xiàn)接觸式支承。此外，滾珠軸承還需要加入潤(rùn)滑油進(jìn)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(huì)遇到很多麻煩。另外在很多應(yīng)用場(chǎng)合，為保證環(huán)境潔凈度，潤(rùn)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(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速也可以實(shí)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(yùn)行條件下摩擦小的優(yōu)點(diǎn)。但是一般都只適用于高速，且工藝也較為復(fù)雜，目前主要使用在特殊應(yīng)用場(chǎng)景。
圖2.典型的幾種機(jī)械軸承（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
與上述機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的無接觸支承，可以適應(yīng)從靜止到高速的寬轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)用，且具有不加潤(rùn)滑油、無接觸摩擦等優(yōu)點(diǎn)。因此，磁懸浮軸承成為各類高端裝備中旋轉(zhuǎn)機(jī)械支承的新一代“領(lǐng)銜主演”
下方左圖展示了一個(gè)典型的磁懸浮軸承的實(shí)物，本質(zhì)就是一個(gè)電磁機(jī)構(gòu)，通過產(chǎn)生可控的電磁力來實(shí)現(xiàn)懸浮。磁懸浮軸承的原理結(jié)構(gòu)圖如下方右圖所示，主要結(jié)構(gòu)包括控制器、傳感器、功率放大器（驅(qū)動(dòng)器）、繞組等。高端的裝置，但其原理并不復(fù)雜。磁懸浮軸承的基本原理高中物理知識(shí)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。
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(dāng)轉(zhuǎn)子受到干擾向一側(cè)偏移時(shí)，該側(cè)氣隙減小，磁吸引力增大。此時(shí)如果沒有快速準(zhǔn)確的電流控制，轉(zhuǎn)子終會(huì)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(shí)的位置動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，比如轉(zhuǎn)子偏下方時(shí)，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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的前提就是位置檢測(cè)要足夠快，且需要準(zhǔn)確到檢測(cè)微米級(jí)的微小位移。電流指令（小信號(hào)）是由控制器獲知當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置后做出的“決策”信號(hào)。有了“決策”信號(hào)，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(shí)的電流，該環(huán)節(jié)正是功率放大器的任務(wù)。產(chǎn)生的真實(shí)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(huì)發(fā)生變動(dòng)。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(shí)電流，電磁力調(diào)整轉(zhuǎn)子位置。如此往復(fù)循環(huán)，形成“閉環(huán)控制”，使得轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)地懸浮在預(yù)期的位置。
事實(shí)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(jī)械應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子一般需要在五個(gè)方位（即五自由度）上完成支承，其中包括四個(gè)徑向和一個(gè)止推軸承。下圖是一個(gè)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(gè)平面的兩軸徑向磁軸承，每個(gè)平面包含一對(duì)圖 3(b)所示的軸承控制兩個(gè)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(gè)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(jī)械保護(hù)軸承。保護(hù)軸承主要用于轉(zhuǎn)子失穩(wěn)跌落時(shí)支撐轉(zhuǎn)子，防止出現(xiàn)電磁機(jī)構(gòu)等損壞，同時(shí)也用于在系統(tǒng)停機(jī)后對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行支撐。為了實(shí)現(xiàn)良好的支撐特性，磁懸浮軸承系統(tǒng)的控制是至關(guān)重要的。
圖4.五自由度磁懸浮軸承
02 磁懸浮軸承與電力電子技術(shù)
通過上述的介紹，相信大家對(duì)磁懸浮軸承有了一定的了解，可以看出，磁懸浮軸承是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，包括了力學(xué)，電磁學(xué)，傳感器和信號(hào)處理，控制理論，以及電力電子技術(shù)等知識(shí)。其中，以電力電子技術(shù)為基石的功率放大器是磁懸浮軸承控制中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)控制器中的“比特世界”轉(zhuǎn)化為真實(shí)電流的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
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(biāo)要求。首先是響應(yīng)速度要足夠快，這樣才能很快響應(yīng)位置波動(dòng)；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(jìn)一步的，為求降低成本，變換器希望在保證性能的同時(shí)能用盡量少的器件；此外，當(dāng)器件故障失效的條件下，能繼續(xù)保持穩(wěn)定懸浮，避免機(jī)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(guān)。實(shí)際上，它們之間存在著較復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系。為提高在電磁鐵中電磁力關(guān)于控制電流與氣隙的線性程度，方便控制模型的簡(jiǎn)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(chǎng)激勵(lì)到穩(wěn)定工作點(diǎn)。在此基礎(chǔ)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(dāng)控制電流為1安培時(shí)，同一自由度正對(duì)的兩個(gè)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(duì)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(gè)簡(jiǎn)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(guān)。因此通入不同方向的電流，相當(dāng)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(guān)，而我們?nèi)粘＝佑|較多的交流電機(jī)，其電磁力與電流方向有關(guān)。上述特點(diǎn)是磁軸承電力電子控制器與交流電機(jī)控制器原理上的主要區(qū)別。圖5為磁場(chǎng)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(jī)，在各個(gè)繞組中通入交流電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間中旋轉(zhuǎn)，其力矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
圖5.磁場(chǎng)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(gè)繞組都可以等效為一個(gè)電感。在直流母線供電的條件下，開關(guān)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(guān)管關(guān)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(fù)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(gè)開關(guān)管導(dǎo)通而另一個(gè)關(guān)斷，繞組電流則通過開關(guān)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(shí)現(xiàn)較高的動(dòng)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(dòng)紋波。
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(gòu)，通過開關(guān)管Sa與Sb的開通與關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)圖6中各種模式的基本組合，實(shí)現(xiàn)電流的快速控制。從電壓的角度來看，可認(rèn)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(duì)的兩個(gè)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(duì)的兩個(gè)繞組按如圖7（b）所示方式連接，兩個(gè)繞組各有一端共同連接至中間橋臂，由中間橋臂控制該點(diǎn)的電位，此結(jié)構(gòu)被稱為“共橋臂”結(jié)構(gòu)。與“半橋”結(jié)構(gòu)相比，采用“共橋臂”結(jié)構(gòu)時(shí)，每個(gè)自由度所需開關(guān)器件可減少，同時(shí)節(jié)省了開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路等電氣裝置，整體裝置體積也能得到縮減。
圖7.磁軸承電力電子功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
之前提到，磁懸浮軸承的電磁力與電流方向沒有關(guān)系，正向和反向的電流均能實(shí)現(xiàn)相同的電磁力，這樣的特性為故障下實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制提供了新的思路。在電力電子電路中，開關(guān)器件開路故障以及門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失、門極驅(qū)動(dòng)電路損壞是經(jīng)常遇到的問題。當(dāng)上述故障發(fā)生時(shí)，如果恰好轉(zhuǎn)子處于高速運(yùn)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(jī)組結(jié)構(gòu)等嚴(yán)重的安全事故。因此需要及時(shí)且精準(zhǔn)地自動(dòng)判斷故障發(fā)生，并且采取相應(yīng)的措施確保轉(zhuǎn)子的不跌落運(yùn)行。
幸運(yùn)的是，現(xiàn)如今市場(chǎng)上基于全橋結(jié)構(gòu)的電力電子功率模塊存在冗余器件，這為容錯(cuò)提供了可能。以圖8為例，圖8（a）所示的結(jié)構(gòu)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(gè)“共橋臂”結(jié)構(gòu)的疊加。正常狀態(tài)下，功率放大器工作于圖8（b）模式，兩個(gè)繞組電流之和為兩倍的偏置電流；當(dāng)開路故障發(fā)生時(shí)，兩個(gè)繞組電流之和小于兩倍偏置電流，以此為判斷依據(jù)檢測(cè)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(jī)制，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)器件開路等故障工況下的“容錯(cuò)控制”。
圖8.磁軸承電力電子容錯(cuò)控制
03 磁懸浮軸承廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域
在電力電子技術(shù)的推動(dòng)下，磁懸浮軸承的技術(shù)日趨成熟，也開始廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。較早將磁懸浮軸承技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的案例為法國(guó)軍方在1972年將磁懸浮軸承技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制[1]。此后，磁軸承在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，并拓展至其他領(lǐng)域。目前主要的應(yīng)用場(chǎng)合有：
（1）高速電機(jī)：磁懸浮軸承可以避免轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦與碰撞，轉(zhuǎn)子容易獲得較高轉(zhuǎn)速。一個(gè)典型的案例是：2021年2月，美國(guó)Calnetix Technologies 公司開發(fā)了高速在線磁懸浮風(fēng)機(jī)和雙控制器產(chǎn)品，并將其應(yīng)用于NASA下一代二氧化碳去除系統(tǒng)[2]。
圖9.磁懸浮高速電機(jī)（來自網(wǎng)絡(luò)）
（2）離心式壓縮機(jī)：壓縮機(jī)是空調(diào)機(jī)組的核心旋轉(zhuǎn)機(jī)械，磁懸浮軸承可以替代傳統(tǒng)軸承的潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑裝置，對(duì)壓縮機(jī)制冷劑無污染。此外，磁懸浮軸承可以提高壓縮機(jī)的運(yùn)行效率，可節(jié)能48%左右。目前各大空調(diào)公司均有應(yīng)用了磁懸浮軸承的壓縮機(jī)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]。
圖10.磁懸浮中央空調(diào)機(jī)組（來自網(wǎng)絡(luò)）
（3）飛輪儲(chǔ)能：飛輪儲(chǔ)能的工作原理是利用電能驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存起來，當(dāng)需要將電能釋放時(shí)，飛輪減速，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。能量的存儲(chǔ)和輸出是通過飛輪的加速和減速實(shí)現(xiàn)的。飛輪快速旋轉(zhuǎn)，不可避免會(huì)存在摩擦損耗，這時(shí)磁懸浮又能派上用場(chǎng)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(jī)械損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率。2019年7月份，在北京地鐵廣陽(yáng)城站，應(yīng)用了磁懸浮軸承技術(shù)的兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能裝置正式實(shí)現(xiàn)了商用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能裝置在解決城市軌道交通再生制動(dòng)能量回收領(lǐng)域的空白[4]。
圖11.磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（來自網(wǎng)絡(luò)）
（4）人工心臟泵：心臟泵血功能的喪失或衰竭會(huì)使人體產(chǎn)生嚴(yán)重的疾病甚至危害生命安全。對(duì)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(shù)與人工心臟泵結(jié)合，為人體血液循環(huán)提供動(dòng)力，而磁懸浮的無接觸支撐優(yōu)勢(shì)可以避免傳統(tǒng)軸承對(duì)于血細(xì)胞的破壞，同時(shí)有效降低病人的心肌耗氧量，促進(jìn)病人心臟機(jī)能恢復(fù)。2021年7月，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)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(shù)，并于12天后成功實(shí)施心臟移植手術(shù)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)“體外人工心臟-磁懸浮體外左窒輔助裝置”臨床使用案例[5]。
圖12.磁懸浮人工心臟（來自網(wǎng)絡(luò)）
除上述典型應(yīng)用外，磁懸浮軸承技術(shù)還被應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制，電主軸機(jī)床加工等領(lǐng)域。磁懸浮軸承是未來智能機(jī)械的重要組成部分，具有無摩擦、無碰撞、不需潤(rùn)滑、可主動(dòng)控制等優(yōu)勢(shì)。筆者相信磁懸浮軸承必將在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療等領(lǐng)域扮演更為重要的角色。
參考文獻(xiàn)
[1] Gerhard Schweitzer,Eric H.Maslen（著），徐旸，張剴，趙雷（譯） .磁懸浮軸承——理論、設(shè)計(jì)及旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)用〔Ｍ〕 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2013.147~179
[2] Calnetix Technologies Supplies Key Components for NASA’s Next-Generation CO2 Removal System | Calnetix Technologies
[3] https://home.163.com/15/1230/12/BC35MSPJ00104JV9.html
[4] http://sd.sina.com.cn/news/2019-07-09/detail-ihytcitm0790715.shtml
[5] http://www.chinanews.com/sh/2021/07-21/9524774.shtml
來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體，原創(chuàng)：蔣棟、孫宏博等
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