董如昊，魏志韜，鄧 艷

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

現(xiàn)階段，主動磁懸浮軸承已經(jīng)從實驗階段逐漸過渡到了實際應(yīng)用階段，在工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種軸承系統(tǒng)本身的可靠性處于較高水準(zhǔn)，且具備可觀的工作周期和工作壽命。不過，在主動磁懸浮軸承系統(tǒng)運行期間，機械加工誤差對主動磁懸浮軸承系統(tǒng)會產(chǎn)生較大影響，有必要針對這項內(nèi)容分析系統(tǒng)性能的影響機理，切實優(yōu)化主動磁懸浮軸承系統(tǒng)運行性能，擴大應(yīng)用范圍。

1 主動磁懸浮軸承概述

1.1 主動磁懸浮軸承

作為一種頗具代表性的機電一體化產(chǎn)品，主動磁懸浮軸承（Active Magnetic Bearing, AMB）亦被稱作磁力軸承、電磁軸承、磁軸承。涉及的綜合技術(shù)包括數(shù)字信號處理技術(shù)、測試技術(shù)、磁性材料、控制工程技術(shù)、電工電子學(xué)技術(shù)、機械學(xué)技術(shù)以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)技術(shù)等。主動磁懸浮軸承不涉及機械接觸的情況，在運行期間呈現(xiàn)出無需潤滑處理、無磨損、無摩擦的情況，達(dá)成轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)過程的高速化。一般來說，轉(zhuǎn)子材料類型及材料強度是對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的主要因素。主動磁懸浮軸承還具備噪聲極小、功率消耗水平極低的優(yōu)點，可以在多種復(fù)雜化的環(huán)境之中進(jìn)行有效應(yīng)用，本身具備較強的適用性。主動磁懸浮軸承的明顯優(yōu)勢還體現(xiàn)在能夠依托控制系統(tǒng)實時化監(jiān)測轉(zhuǎn)子的運行狀態(tài)，實現(xiàn)在線評估不平衡情況，在此基礎(chǔ)上采取主動控制的形式整改不平衡情況，主動磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)將會保持較高的精度水平。同時，相較于氣體軸承、油膜軸承以及傳統(tǒng)滾動軸承而言，主動磁懸浮軸承的優(yōu)越性更加明顯。

1.2 主動磁懸浮軸承系統(tǒng)構(gòu)成

主動磁懸浮軸承系統(tǒng)由功率放大器、傳感器、電磁鐵、轉(zhuǎn)子以及控制器等構(gòu)成。占據(jù)核心地位的是控制器，主動磁懸浮軸承整體性能在很大程度上是由控制器所決定的。同時，主動磁懸浮軸承的穩(wěn)定性、阻尼以及動態(tài)性能，均會受到控制器的直接影響。一般來說，應(yīng)用到主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中的控制器存在兩種形式，分別是數(shù)字控制器和模擬控制器。就現(xiàn)階段我國所使用的主動磁懸浮軸承系統(tǒng)來看，當(dāng)選用模擬控制器時，盡管可以在一定程度上滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，不過相較于數(shù)字控制器而言，這種控制器本身存在著較為明顯的缺陷：1）體積較大，功耗大；2）互換性較差，在應(yīng)用期間，當(dāng)主動磁懸浮軸承不同時，控制器需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；3）無法達(dá)到同時控制兩個及兩個以上自由度的目標(biāo)；4）應(yīng)用期間無法實現(xiàn)便利調(diào)節(jié)，難以做到復(fù)雜化控制。

出于拓寬主動磁懸浮軸承應(yīng)用范圍的目的，需要有效規(guī)避模擬控制器在線調(diào)節(jié)性能不佳情況，對于主動磁懸浮軸承而言，數(shù)字化控制器才是最為主要的發(fā)展方向。同時，在未來的發(fā)展中，還應(yīng)當(dāng)不斷致力于主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的智能化發(fā)展。數(shù)字化控制器一方面能夠促使主動磁懸浮軸承系統(tǒng)朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，另一方面還能夠?qū)崿F(xiàn)控制器柔性、可靠性的提升，控制器功耗降低和體積的減小。

2 主動磁懸浮軸承原理

主動磁懸浮軸承在運轉(zhuǎn)時主要是依托于磁力作用，使得轉(zhuǎn)子得以在空中懸浮，定子與轉(zhuǎn)子之間并不存在機械接觸[1]。主動磁懸浮軸承的工作原理是通過磁浮線和軸芯的平行、磁浮線與磁感應(yīng)線的垂直作用，使得轉(zhuǎn)子能夠始終在運轉(zhuǎn)軌道上固定，依托于幾乎不存在負(fù)載的軸芯在磁浮線方向來回往返，實現(xiàn)頂撐轉(zhuǎn)子，使之處于懸空狀態(tài)并在運轉(zhuǎn)軌道上固定的目標(biāo)。本次研究中的主動磁懸浮軸承工作原理為差動方式，且在轉(zhuǎn)子兩側(cè)存在兩個徑向磁懸浮軸承。在主動磁懸浮軸承系統(tǒng)之中，每個徑向磁懸浮軸承定子之中存在4 對磁極，處于相對狀態(tài)的兩對磁極將會組成差動結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)軌道運動的過程中感受到雙向電磁力，單個徑向磁懸浮軸承能夠控制轉(zhuǎn)子的兩個自由度，且在轉(zhuǎn)子各個自由度方向之中，均進(jìn)行了位移傳感器的安裝，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子在對應(yīng)方向上位移進(jìn)行檢測的目的。圖1 為單自由度層面徑向磁懸浮軸承的工作原理。

圖1 單自由度層面徑向磁懸浮軸承工作原理

在圖1 中，圓形所代表的為轉(zhuǎn)子，其兩側(cè)存在的物體即為兩對磁極，這兩對磁極共同構(gòu)成了單個自由度的差動結(jié)構(gòu)[2]。如圖1 所示，如果轉(zhuǎn)子在x軸方向與平衡位置偏離，且偏離值為x1，在這種情況下，依托于位移傳感器的作用，控制系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的位置偏移情況，同時生成相應(yīng)的電流ic予以控制。此時，正磁極和負(fù)磁極這兩項內(nèi)容之間存在的差異數(shù)值即為轉(zhuǎn)子的受力，其中，正磁極為圖1 中的i+，表示為：

式（1）中，i+所表示的含義為正磁極；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流，該式表示正磁極為這兩項內(nèi)容之和。

另外，負(fù)磁極為圖1中的i-，表示為：

式（2）中，i-所表示的含義為負(fù)磁極；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流，該式表示負(fù)磁極為這兩項內(nèi)容之差。

在對轉(zhuǎn)子在x方向所接受的磁力進(jìn)行計算時，可以使用如下公式：

式（3）中，F(xiàn)x1所表示的含義為主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子在x方向所接受的磁力；Fx1+所表示的含義為主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子在x方向所接受的正磁極磁力；Fx1-所表示的含義為主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子在x方向所接受的負(fù)磁極磁力；μ0所表示的含義為真空磁導(dǎo)率；A所表示的含義為徑向磁極面積；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流；n所表示的含義為單個磁極線圈的匝數(shù)；gr0所表示的含義為主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)時存在的單邊氣隙；φ所表示的含義為關(guān)于磁極結(jié)構(gòu)的角度，此處取22.5°。

主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子在x方向所接受的磁力能夠使得轉(zhuǎn)子重新恢復(fù)平衡狀態(tài)，將偏離情況進(jìn)行糾正。在軸承系統(tǒng)處于正常運轉(zhuǎn)期間，轉(zhuǎn)子會處于其平衡狀態(tài)所在范圍周邊較小區(qū)間，降低主動磁懸浮軸承控制系統(tǒng)設(shè)計煩瑣程度，當(dāng)控制電流為0 且x也為0 時，對式（3）進(jìn)行簡化，整合之后可得如下公式：

式（4）中，ki所表示的含義為電流剛度；kx所表示的含義為位移剛度。

3 主動磁懸浮軸承系統(tǒng)裝配誤差檢測原理

通常情況下，主動磁懸浮軸承系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較為明顯的煩瑣性、復(fù)雜性特征，若想實現(xiàn)直接測量誤差面臨較大的難度，不僅如此，主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的定子和轉(zhuǎn)子之間如果存在氣隙，也會使得轉(zhuǎn)子安裝狀態(tài)無法直觀地呈現(xiàn)出主動磁懸浮軸承系統(tǒng)本身存在的裝配誤差[3]。一般來說，當(dāng)主動磁懸浮軸承系統(tǒng)處于懸浮狀態(tài)時，徑向磁懸浮軸承工作電流是反映存在的裝配誤差的主要載體，正因如此，在分析主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的裝配誤差時，能夠依托于對系統(tǒng)工作過程中徑向磁懸浮軸承線圈電流進(jìn)行分析的形式實現(xiàn)這一目的。就近年來的主動磁懸浮軸承裝配調(diào)制現(xiàn)狀而言，徑向磁懸浮軸承定子不同軸、軸向磁懸浮軸承定子裝配誤差以及推力盤垂直度誤差是具體的主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中能夠產(chǎn)生較大程度影響的幾個主要因素?；谶@種情況，在檢測主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的裝配誤差時，通常是檢測上述三種誤差的相位和大小。

在具體開展檢測工作的過程中，第一步應(yīng)當(dāng)先使得主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中的軸向磁懸浮軸承處于靜止?fàn)顟B(tài)，而系統(tǒng)中的兩個徑向磁懸浮軸承則處于工作狀態(tài)，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行緩慢的轉(zhuǎn)動，測量每一個徑向磁懸浮軸承線圈工作電流中的直流分量和幅度、交流分量和幅度，并詳細(xì)記錄測得的結(jié)果，記錄為狀態(tài)一[4]。第二步使得主動磁懸浮軸承中的軸向磁懸浮軸承和徑向磁懸浮軸承均處于工作狀態(tài)，并將系統(tǒng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行緩慢轉(zhuǎn)動，測量每一個徑向磁懸浮軸承線圈工作電流中的直流分量和幅度、交流分量和幅度，并詳細(xì)記錄測得的結(jié)果，記錄為狀態(tài)二。第三步計算所記錄的狀態(tài)二中的數(shù)值相較于狀態(tài)一中的數(shù)值出現(xiàn)的增量，應(yīng)當(dāng)明確的是，之所以會產(chǎn)生數(shù)值增加的情況，根本原因即為相較于狀態(tài)一下的系統(tǒng)運行狀況，狀態(tài)二之中加入了軸向磁懸浮軸承的運動。這種情況表明了徑向磁懸浮軸承在工作期間會受到來源于軸向磁懸浮軸承的影響，依托于對實際電流增量的方向和數(shù)值進(jìn)行分析的形式，即可以明確主動磁懸浮軸承系統(tǒng)實際的裝配誤差情況[5]。

4 機械加工誤差對主動磁懸浮軸承系統(tǒng)性能的影響

4.1 軸向軸承推力盤相對于系統(tǒng)內(nèi)定子發(fā)生偏斜狀況

在主動磁懸浮軸承之中，由于類型的不同，軸承系統(tǒng)本身的自由度數(shù)量也不相同。在具備5 自由度的主動磁懸浮軸承系統(tǒng)之中，通常存在多個組成部分，共同構(gòu)成系統(tǒng)的機械部分，包括轉(zhuǎn)子、一個軸向軸承定子以及兩個徑向軸承定子。一般來說，渦流位移傳感器是主動磁懸浮軸承系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測時最常用的一種傳感器。出于實現(xiàn)渦流效應(yīng)提升的目的，低電阻率材料是制作位移傳感器檢測面的主要材料。同時，出于降低材料渦流損耗和磁滯損耗的目的，在加工主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的徑向軸承定子及對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁路部分時，通常所選用的加工方式為疊壓硅鋼片。在加工軸向軸承推力盤和軸向軸承定子時，在技術(shù)原因的限制下，所使用的制作材料通常是整體軟磁材料，在這種情況下，主動磁懸浮軸承系統(tǒng)之中的轉(zhuǎn)子通常是一種較為復(fù)雜的組件，需要將軟磁材料推力盤、硅鋼片以及低電阻率材料共同裝配在鋼制基軸上組合而成[6]。

在加工徑向磁懸浮軸承定子時，為了實現(xiàn)機械加工誤差的充分降低和有效控制，一般可以采取組合加工的形式，為上述目標(biāo)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。主動磁懸浮軸承系統(tǒng)之中之所以需要配備軸向軸承定子，主要原因在于為推力盤安裝劃分成兩個獨立磁極提供便利條件，并在裝配工藝之下，構(gòu)成完整定子。不過，在此類裝配工藝之下，相較于控制徑向軸承而言，想要實現(xiàn)有效控制軸向軸承安裝精度需要面臨更高的難度[7]。在具體進(jìn)行機械加工的過程中，出現(xiàn)軸向軸承推力盤相對于主動磁懸浮軸承系統(tǒng)內(nèi)定子偏斜情況的可能性較大。從本質(zhì)上來說，主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中兩個徑向軸承定子不同軸、軸向軸承定子裝配偏斜、軸向軸承推力盤和轉(zhuǎn)子軸線這二者并非垂直狀態(tài)是導(dǎo)致偏斜現(xiàn)象產(chǎn)生的三個主要原因。

4.2 徑向軸承系統(tǒng)位移傳感器檢測面產(chǎn)生的圓度誤差

在機械加工的過程中，一種出現(xiàn)頻率較高的誤差為圓柱表面圓度誤差。具體而言，在圓柱加工的過程中，由于加工技術(shù)等多重原因的限制，使得加工出的圓柱呈現(xiàn)出橢圓柱的形狀，且橫截面也為橢圓。這種誤差情況也是主動磁懸浮軸承系統(tǒng)加工期間的常見誤差之一，將會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生負(fù)面影響，具體表現(xiàn)為對轉(zhuǎn)子的懸浮造成影響，削弱主動磁懸浮軸承性能[8]。

4.3 徑向軸承位移傳感器檢測面軸線相對于徑向軸承工作面軸線出現(xiàn)偏斜

在進(jìn)行徑向磁懸浮軸承工作面的加工時，為了滿足使用性能和要求，所選擇的制作材料與加工徑向位移傳感器檢測面的軸承不相同，這兩項內(nèi)容的切削性能也存在著較為明顯的差異。在這種情況下，當(dāng)加工主動磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子時，傳感器檢測面軸線相對于工作面軸線發(fā)生偏斜的可能性較大，即這兩個表面的軸線不處于正常應(yīng)有的重合狀態(tài)，主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的性能將受到影響，轉(zhuǎn)子也難以處于平衡狀態(tài)。

4.4 軸向磁懸浮軸承定子在安裝過程中出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象

相較于軸向軸承推力盤不垂直現(xiàn)象而言，此類誤差與前者存在一定的相似點，一旦產(chǎn)生這種誤差，將會使得徑向軸承受到來源于軸向軸承的干擾力偶[9]。但是，這兩種誤差之間也存在一定的差異，這種不同體現(xiàn)在：當(dāng)主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中軸向軸承定子的安裝出現(xiàn)偏斜情況時，所生成的干擾力偶的方向呈現(xiàn)出與軸向軸承定子偏斜方向一致的趨勢，不僅如此，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，干擾力偶的方向也不會隨之發(fā)生變化。

4.5 徑向位移傳感器檢測面相對于徑向軸承工作面中心偏離

在主動磁懸浮軸承系統(tǒng)之中，渦流位移傳感器是對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測時最常用的一種傳感器，在工作的過程中，為了實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的精準(zhǔn)檢測，一般是依托于檢測傳感頭和轉(zhuǎn)子表面這兩項內(nèi)容之間存在的空隙，從而達(dá)成對轉(zhuǎn)子中心位置進(jìn)行間接檢測的目標(biāo)。在這種情況下，主動磁懸浮軸承系統(tǒng)內(nèi)部的控制系統(tǒng)將會控制轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的運動能夠始終圍繞渦流位移傳感器檢測表面的中心[10]。但是，一旦主動磁懸浮軸承系統(tǒng)中的徑向位移傳感器的檢測面相對于徑向軸承工作面出現(xiàn)偏離情況，將會使得轉(zhuǎn)子在圍繞渦流位移傳感器檢測表面中心轉(zhuǎn)動的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，徑向軸承的工作氣隙也會隨之出現(xiàn)同頻率波動，影響徑向磁懸浮軸承的正常工作。

5 總結(jié)

綜上所述，幾種出現(xiàn)頻率較高的機械加工誤差將會對主動磁懸浮軸承系統(tǒng)的徑向磁懸浮軸承工作電流產(chǎn)生不同程度的影響。所以，一方面需要將軸承系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子所承受的動態(tài)荷載和靜態(tài)荷載作為對主動磁懸浮軸承系統(tǒng)工作參數(shù)產(chǎn)生影響的因素，另一方面還應(yīng)當(dāng)充分考慮裝配和加工期間存在的誤差情況對主動磁懸浮軸承系統(tǒng)工作參數(shù)造成的干擾和影響，以此為系統(tǒng)性能的優(yōu)化創(chuàng)設(shè)良好條件，使得主動磁懸浮軸承系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)期間存在的誤差能夠處于允許范圍內(nèi)。