磁力轴承——过去、现在和未来

磁力轴承是集电磁学、转子动力学、传感技术、控制工程等学科知识为一体的典型机电一体化产品,在高速、洁净、低功耗、低振动等应用场景具有机械轴承无法比拟的优势,但同样存在诸多技术难点。基于磁力轴承的发展历程,重点对磁力轴承的类型、工作原理、控制算法、控制硬件进行了综述和分析;介绍了磁力轴承功率放大器技术、控制技术、监测技术,以及设计、制造、系统集成等方面的关键技术;对磁力轴承目前在高速电动机、透平机械、人工心脏、储能飞轮、磁悬浮推进器、磁悬浮高速电主轴等方面的应用情况进行了梳理;提出了磁力轴承承载力、精度及可靠性、跌落保护、环境适应性、标准化、成本等面临的问题,并预测了磁力轴承的未来发展趋势。

轴向磁力轴承结构综述

按照悬浮力的产生方式将轴向磁力轴承分为主动型、被动型和混合型,主动型的优点是能够产生可控电磁力,被动型的优点是结构简单,混合型兼顾了主动型和被动型的特点。在研究同心单环结构的基础上,分析了具备冗余性的同心多环冗余结构及叠片式冗余结构,从电磁力角度看,整体式同心双环结构优于同心三环结构,叠片式六环结构优于叠片式四环结构和叠片式八环结构。最后,对轴向磁力轴承在结构、控制及工业应用方面的发展前景进行了展望,轴向磁力轴承的结构应当朝着更具备冗余性和重构能力的方向优化。

“磁力轴承”专题特约主编寄语

磁力轴承(Magnetic Bearing,MB)又称为磁悬浮轴承、磁轴承、电磁轴承,是依靠磁力将物体无机械接触悬浮在给定的位置,具有高速、节能、低噪、免维护、长寿命,以及轴承特性在线可控可调等优势,克服了传统机械轴承寿命短、需润滑、易磨损的缺陷,是实现我国“双碳”目标的重要技术支撑,对深化新旧动能转换,解决“卡脖子”问题,加快发展新质生产力具有重要意义。

“磁力轴承”专题特约主编介绍

龙志强,男,1967年出生。国防科技大学研究员、博士生导师,学校电磁悬浮与推进方向学术带头人,中国振动工程学会磁悬浮与振动控制专委会副主任委员,中国指挥控制学会自抗扰控制专委会常务委员,《振动工程学报》《机车电传动》《磁性材料与器件》编委,电磁悬浮与推进技术湖南省重点实验室主任,湖南省磁浮技术研究中心常务副主任,全军优秀教师,国务院政府特殊津贴获得者。

磁力轴承膨胀/再压缩机的操作与维护

随着天然气工业和化工技术的发展,磁力轴承膨胀/再压缩机凭借其操作维护简单、效率高、整机性能更稳定可靠,已得到广泛应用,成为天然气工业、乙烯装置的重要设备之一。介绍法国CRYOSTAR制造的MTC200/90型磁力轴承膨胀/再压缩机的工作原理、结构、操作步骤、故障处理以及维护要点等。可为天然气工业、乙烯装置领域内磁力轴承膨胀/再压缩机的操作维护、故障处理、安全运行提供重要技术指导。

高速电机磁力轴承—转子系统临界转速的计算

在建立高速电机磁力轴承-转子系统的动力学方程基础上,利用有限元法计算了高速电机转子的临界转速。首先分析了磁力轴承支承刚度及其与系统结构参数以及气隙静态偏置磁通密度的关系,然后基于磁场分析证明磁力轴承对转子的支承是各向同性的,计算了电磁轴承的线性支撑刚度。在此基础上,建立了磁力轴承-转子系统的动力学方程,用有限元法计算了高速电机转子的临界转速。利用该计算方法,设计研制的1台采用磁力轴承的高速电机已成功实现60000r/min的运行。

基于结构动态特性的磁力轴承转子系统的设计

分析了径向磁力轴承动力学特性，计算了磁力轴承的刚度系数和阻尼系数。在此基础上，对磁力轴承的转子结构动态特性进行了有限元分析。提出了基于结构动态特性的磁力轴承转子控制系统的设计方法。

超导混合磁力轴承的发展现状和前景

磁力轴承是自五十年代以来迅速发展起来的一种新型高性能磁悬浮轴承。本文介绍了磁力轴承的工作原理和发展现状，首次提出了国内外全新的立式永磁有源超导混合磁力轴承的研究方案，并给出了两个飞轮储能设计方案。

径向磁力轴承力耦合及其软件解耦方法研究

分析了径向磁力轴承的力耦合问题 ,给出了耦合力大小和方向按圆周方向的分布规律。在研究径向磁力轴承的差动控制原理的基础上 ,探讨了径向磁力轴承力耦合的软件解耦方法。

磁力轴承支承刚性转子的临界转速计算

针对磁力轴承支承转子的结构特点提出了一种用于分析该类转子的简化处理方法,并使用Samcef Rotor有限元软件建立了某刚性转子的轴对称模型,计算得到了转子的临界转速及振型。研究了该转子的临界转速与磁力轴承支承刚度的关系。计算结果及相关结论将为磁力轴承和传感器的布置以及控制系统的设计提供重要依据。

磁力轴承转子系统的力耦合和力矩耦合分析

为减轻或消除磁力轴承转子系统中存在的力耦合和力矩耦合,针对八极径向磁力轴承,在不考虑时间因数的情况下,以转子与定子的偏心为变量,分析和计算了电磁力的分布,推导了径向磁力轴承沿周向任意点处电磁力的表达式,提出了磁力轴承转子系统力耦合和力矩耦合概念,并推导出交叉耦合系数计算公式。计算结果表明:力耦合和力矩耦合总是存在的,结构设计无法解决,只有采用控制补偿的方法才能减少或消除这两种耦合。

用于飞轮电池的电动磁力轴承的研究

针对飞轮电池目前存在的主要问题 ,如价格和可靠性 ,提出了一种新型被动磁悬浮支承系统 ,系统由轴向永磁磁力轴承和径向电动磁力轴承两部分构成 .从电动磁力轴承的悬浮机理出发 ,分析转子在特定磁场下运动时的电磁力 ,建立了转子的状态方程 ,继而导出稳定运转条件 。

径向磁力轴承磁极布置对磁场和磁力的影响

使用有限元方法对8极径向磁力轴承的磁场进行了建模,计算了气隙磁通密度和磁力,对比分析了在转子不同的偏心情况下两种磁极布置形式(NSNS交替磁极布置和NNSS成对磁极布置)的磁力轴承的气隙磁通密度和磁力,并通过实验测试验证了有限元磁场建模和计算的准确性。结果表明,在同样大小的电流激励下,NSNS布置比NNSS布置的气隙磁通密度大,偏心时产生的磁力也较大,适合小尺寸的磁力轴承,而NSNS布置磁极之间的磁耦合比NNSS布置形式强,增加了控制系统的复杂性。研究结论对磁力轴承的结构设计和控制系统设计具有一定的指导意义。

磁悬浮风力发电机用磁力轴承的分析与设计

设计了一种磁悬浮风力发电机的转子系统,径向方向采用磁力轴承支承,轴向方向靠机械力约束。采用有限元方法,对磁力轴承的结构和磁路进行了分析与设计,最后对磁力轴承的磁环高度h和叠加磁环个数n进行了优化。

主动磁力轴承系统的模糊逆建模

为了主动磁力轴承分析和控制的需要,提出一种建立其非线性的力-电流-位移关系逆T-S模糊模型方案。该模糊模型的输入为电磁力和转子位移,输出为控制电流。该方案将模糊聚类分析、最小二乘法和残差分析有机结合,采用模糊聚类分析方法确定前提结构和参数,采用最小二乘法确定结论参数,并通过对残差的分析进一步确定模糊规则的数目。使用所提方法对一单自由度磁力轴承进行建模。为使磁悬浮转子在离平衡位置的大位移范围运行,采用了具有一定幅值的低频正弦信号作为参考输入信号。仿真结果表明所获得的逆T-S模糊模型有很高的拟合精度。

具有被动式磁力轴承的无刷直流电机研究

非接触式磁力轴承广泛用于高速电机及某些具有免维护要求的特殊应用场合,如人工心脏旋转血泵。该文介绍了一种具有被动式磁力轴承的新型无刷直流电机。采用该文提出的被动式磁力轴承,电机转子可实现磁悬浮而不需要进行悬浮力控制。电机转子的轴向稳定性依靠被动式轴承以及永磁转子由于轴向位移产生的轴向力来实现。电机转子的径向磁悬浮,需要通过对被动式磁力轴承永磁环以及无刷直流电机的气隙、永磁体的径向厚度和轴向长度的优化设计来实现。

磁力轴承电磁力计算的两种建模方法与比较

从工程设计的实用角度对磁力轴承两种电磁结构——无永磁偏置和有永磁偏置电磁铁的电磁力计算方法进行了研究。在分析理想模型的基础上 ,提出一种引入修正系数的建模方法 ,并用实例对这两种建模方法进行了比较。结果表明 ,修正系数的引入提高了电磁力的计算精度 。

磁力轴承移相式PWM功率放大器的研究

介绍了一种采用移相式PWM控制方式的磁力轴承功率放大器,使H型半桥开关元件部分实现零电流无损开通与关断。实验表明,采用移相式PWM控制方式和辅助网络,可以有效减小开关应力,降低开关损耗和电磁干扰。本研究为进一步减小功放体积,改进功放设计具有一定参考价值。

磁力轴承支承特性的研究与仿真

定义了磁力轴承支承在时间域的刚度与阻尼和在频率域的广义刚度 ,建立了两者之间的联系 ,结合PD、PID控制规律推导出磁力轴承刚度与阻尼的计算公式 ,建立了轴承刚度、阻尼与控制系统参数之间的联系 。

磁力轴承的发展及应用

综述磁力轴承的基本原理、优越性、分类、发展历史以及国内外应用研究现状,特别是磁力轴承在转子振动主动控制中的应用—电磁动力吸振器;提出电磁动力吸振器固有频率控制的新方法—间隙控制法,即保持电磁铁线圈电流不变,只通过调整电磁动力吸振器与转子之间的间隙来改变动力吸振器的固有频率;详细论述了采用间隙控制法的间隙控制型电磁动力吸振器的结构和原理。通过分析刚度计算公式,表明采用间隙控制法的电磁动力吸振器,固有频率调节范围宽,系统功耗小,响应速度快。