【導(dǎo)讀】電動機(jī)想必大家都有所了解，轉(zhuǎn)子“呼呼呼”旋轉(zhuǎn)，帶動工業(yè)的發(fā)展。在工業(yè)和國防領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)機(jī)械是最重要的動力來源。無論是重工業(yè)中飛機(jī)發(fā)動機(jī)、船舶螺旋槳推進(jìn)、汽車高鐵的動力系統(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，軸承是一個非常關(guān)鍵的部件，它對旋轉(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
01 磁懸浮軸承背景介紹
電動機(jī)想必大家都有所了解，轉(zhuǎn)子“呼呼呼”旋轉(zhuǎn)，帶動工業(yè)的發(fā)展。在工業(yè)和國防領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)機(jī)械是最重要的動力來源。無論是重工業(yè)中飛機(jī)發(fā)動機(jī)、船舶螺旋槳推進(jìn)、汽車高鐵的動力系統(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，軸承是一個非常關(guān)鍵的部件，它對旋轉(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，對施韋因富特的德國滾珠軸承廠進(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，對戰(zhàn)局帶來了重要的影響。
圖1.盟軍轟炸德國滾珠軸承廠（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遇到很多麻煩。另外在很多應(yīng)用場合，為保證環(huán)境潔凈度，潤滑油被禁止使用。
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典型的磁懸浮軸承的實(shí)物，本質(zhì)就是一個電磁機(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，該側(cè)氣隙減小，磁吸引力增大。此時如果沒有快速準(zhǔn)確的電流控制，轉(zhuǎn)子終會被這一側(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)子此時的位置動態(tài)調(diào)節(jié)，比如轉(zhuǎn)子偏下方時，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”。動態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的前提就是位置檢測要足夠快，且需要準(zhǔn)確到檢測微米級的微小位移。電流指令（小信號）是由控制器獲知當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置后做出的“決策”信號。有了“決策”信號，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)子位置會發(fā)生變動。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)子一般需要在五個方位（即五自由度）上完成支承，其中包括四個徑向和一個止推軸承。下圖是一個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)各要一個平面的兩軸徑向磁軸承，每個平面包含一對圖 3(b)所示的軸承控制兩個正交方向的懸浮。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)跌落時支撐轉(zhuǎn)子，防止出現(xiàn)電磁機(jī)構(gòu)等損壞，同時也用于在系統(tǒng)停機(jī)后對轉(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，相信大家對磁懸浮軸承有了一定的了解，可以看出，磁懸浮軸承是一個多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，包括了力學(xué)，電磁學(xué)，傳感器和信號處理，控制理論，以及電力電子技術(shù)等知識。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；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，將電磁鐵中的磁場激勵到穩(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，同一自由度正對的兩個繞組電流分別為（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？舉個簡單的例子，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)，在各個繞組中通入交流電流，產(chǎn)生的磁場在空間中旋轉(zhuǎn)，其力矩帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
圖5.磁場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。磁懸浮軸承的每個繞組都可以等效為一個電感。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)）；如果一個開關(guān)管導(dǎo)通而另一個關(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的兩個繞組電流滿足相加之和為偏置電流的兩倍，即為定值，因此可將正對的兩個繞組按如圖7（b）所示方式連接，兩個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，每個自由度所需開關(guān)器件可減少，同時節(jié)省了開關(guān)器件的驅(qū)動電路等電氣裝置，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)動信號丟失、門極驅(qū)動電路損壞是經(jīng)常遇到的問題。當(dāng)上述故障發(fā)生時，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。因此需要及時且精準(zhǔn)地自動判斷故障發(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“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，兩個繞組電流之和為兩倍的偏置電流；當(dāng)開路故障發(fā)生時，兩個繞組電流之和小于兩倍偏置電流，以此為判斷依據(jù)檢測故障發(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“容錯控制”。
圖8.磁軸承電力電子容錯控制
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)用場合有：
（1）高速電機(jī)：磁懸浮軸承可以避免轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的摩擦與碰撞，轉(zhuǎn)子容易獲得較高轉(zhuǎn)速。一個典型的案例是：2021年2月，美國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)軸承的潤滑劑及潤滑裝置，對壓縮機(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）飛輪儲能：飛輪儲能的工作原理是利用電能驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲存起來，當(dāng)需要將電能釋放時，飛輪減速，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。能量的存儲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)，不可避免會存在摩擦損耗，這時磁懸浮又能派上用場了。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，在北京地鐵廣陽城站，應(yīng)用了磁懸浮軸承技術(shù)的兆瓦級飛輪儲能裝置正式實(shí)現(xiàn)了商用，填補(bǔ)了國內(nèi)應(yīng)用飛輪儲能裝置在解決城市軌道交通再生制動能量回收領(lǐng)域的空白[4]。
圖11.磁懸浮飛輪儲能系統(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使人體產(chǎn)生嚴(yán)重的疾病甚至危害生命安全。對于心衰患者的治療，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)提供動力，而磁懸浮的無接觸支撐優(yōu)勢可以避免傳統(tǒng)軸承對于血細(xì)胞的破壞，同時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)，是國內(nèi)首個“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、不需潤滑、可主動控制等優(yōu)勢。筆者相信磁懸浮軸承必將在工業(yè)、國防、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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