空气悬浮鼓风机波箔轴承和高速永磁电机的关键技术研究∗

舒行军 徐 刚 郑越青 崔海龙 蓝 河

（中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所）

空气悬浮鼓风机波箔轴承和高速永磁电机的关键技术研究∗

舒行军 徐 刚 郑越青 崔海龙 蓝 河

（中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所）

空气动压箔片轴承是一种无油支承技术，没有接触摩擦，从根本上避免了滚动支承的润滑油“高温起雾”的难题，被认为是支承技术的一场革命。本文针对某离心风机对空气动压箔片轴承的需求，重点研究了轴承的设计、仿真计算、制造、表面涂层等技术，研制出了承载能力12.5kg的高速空气动压轴承，并对轴承性能进行了测试；同时，对高速大功率永磁电机及其控制技术进行了研究与开发，研制出了不同功率的多套样机；最后，将空气动压轴承、高速电机、风机叶轮等结合起来，设计制造了动压风机原理样机。

波箔轴承；鼓风机；高速永磁电机；控制器；固体润滑涂层

0 引言

空气动压轴承以空气作为工作介质，弹性平箔作为支承表面，弹性波箔作为支承部件。转子高速旋转时，由于空气的粘性和楔形的作用，在平箔与转子表面之间产生动压效应，使平箔与波箔发生弹性变形，从而将平箔推开，使转子处于悬浮状态，周向气体压力的不均匀使箔片轴承具备了承受负载的能力[1-3]。空气动压箔片轴承工作时无需润滑油，是一种无油支承技术[4]。同时运动副之间无接触摩擦，从根本上避免了滚动支承润滑油的“高温起雾”问题。因此，空气动压轴承在高速旋转机械领域有重要的应用。

自上世纪70年代空气动压轴承在高速透平产品上，实验获得成功应用以来，国外的风机企业开始尝试将其应用于离心式鼓风机上，同时不断融入其它新技术以提高风机性能，例如采用三元高效叶轮、变频调速、永磁无刷电机直连等。至上世纪末，高效节能且高度集成化的空气动压轴承风机产品问世，宣告这一集成技术成功。在之后短短的十几年时间，多家风机企业推出自己的空气动压轴承风机产品。反观国内，空气动压轴承的相关理论研究早已开展，但受材料及工艺水平的制约，成型产品迟迟没能面市。自20世纪90年代以来，中国科学院工程热物理研究所、西安交通大学、哈尔滨工业大学等单位曾对波箔型和悬臂型空气动压轴承进行了大量研究，虽取得了一些进展[5-9]，但是鉴于空气动压轴承在结构参数的选择、材料性能、加工工艺水平和装配精度等方面的要求，许多研究只限于理论分析而最终并没有获得应用。目前，中国工程物理研究院机械制造工艺研究所瞄准空气动压轴承风机的市场需求，对空气动压轴承的设计与制造技术、高速永磁无刷电机及其控制技术、高速电主轴系统的设计、集成与调试技术等进行了大量研究开发，获得了一些初步的成果。

1 空气动压轴承风机的总体设计

传统的鼓风机、空气压缩机是以齿轮传动，各级齿轮传动中的机械摩擦产生较大的能量耗损，且噪声问题突出。空气动压轴承风机针对性的解决了这些问题。如图1所示，电机主轴与风机叶轮共轴；高速转子系统直接由空气动压轴承支撑，无需齿轮箱、增速器、联轴器等额外机构；电机采用变频器调速；转子系统工作时，转子与径向轴承和止推轴承之间没有物理接触，无需额外润滑油系统。综合以上因素，空气动压轴承风机具有高效、节能、低噪声、运行可靠、长期无需维修保养和体积小等特点。这种风机具有两大核心技术：空气动压轴承技术、高速永磁同步电机及其控制技术。

图1 空气动压风机整体结构示意图Fig.1 The structure of blower with foil bearing

2 空气动压轴承的研制

根据风机有关技术参数，对空气动压轴承提出的设计要求如下：1）与永磁电机结合使用，两端支撑，单个径向轴承的承载不小于122.5N；止推轴承的承载不小于400N；2）电机转子额定转速n=18 750r/min；电机转子主轴直径为d=80mm；3）启停次数（表征使用寿命）在10 000次以上。采用自编的空气动压轴承设计程序，完成了波箔和平箔的详细设计（如下图5所示，为了设计及制造方便，径向波箔片与止推波箔片的波拱采用相同结构参数）。

为了进一步获取轴承性能，从理论上避免设计失误，对设计方案进行了轴承性能的仿真验算。

在给定12.5kg的载荷下，计算了径向轴承的升速过程，主要表征量包括偏位角、最小气膜间隙。图2给出了轴承升速过程中的轴心姿态角与最小气膜间隙变化。从图中可以看到：轴承在4 000r/min下能够达到足够的承载力，满足承载力使用要求。在整个工作区间（由起飞转速到额定转速），其轴心姿态角小于45°，最小气膜间隙大于10μm，满足最小气膜间隙与偏位角的要求。

图2 升速过程中的姿态角与最小气膜间隙变化图Fig.2 the attitude angle as a function of rotational speed,the minimum gas film clearance as a function of rotational speed

另外，对轴承的动态特性进行了仿真分析（见图3）。图3仿真在给定固定偏心率下获得，在4000～20000r/min的转速范围对应的承载力在11.9～12.4kg，承载力变化并不大，给定偏心率是为简化仿真计算。图3中，kxx和kyy是主刚度系数，kyx与kxy是交叉刚度系数，cxx和cyy是主阻尼系数，cyx与cxy是交叉阻尼系数。可以看出：在较高转速下，总体刚度在2×106～3×106N/m（阻尼在～0.1×104N·s/m），该型轴承的理想刚度阻尼特性需要在较高转速下才能表现出来，因此在其起飞（>4 000r/min）后的升速过程中，仍然可能经历一段动态不稳定区域，这个区域大致可定位于4 000～10 000r/min，这给轴承实现高速运转带来一定难度。根据仿真获得的轴承刚度系数，可以估算该系统的1阶共振频率为63.7～70Hz之间，对应转速为3 820～4 200r/min，轴承的1阶共振频率落在其起飞转速附近，这意味着起飞前后会伴有较明显振荡，在控制策略上需要采用较大加速度快速通过，以保证尽快越过共振区间。

图3 升速过程的动态参数图Fig.3 Stiffness coefficient as a function of the rotational speed

图4 额定工况下的压力、变形、气膜分布Fig.4 The distribution of stress,deformation,air film in rated condition

径向轴承额定工况下的压力、变形与气膜分布如图4所示。从图4中可以看出：在额定工况下轴承表面变形较小，轴承刚性偏强，体现了最初的设计思想，即保留了箔片轴承柔性抗振抗冲击的特点，又通过适当提高刚性增加承载力，同时高刚度使转子偏心减小，以保证转子对中度，从而减小高速永磁电机的设计难度。另外，高刚度使轴承抵抗电机偏心磁拉力的能力得到加强，从而使其能够与大功率高速永磁电机集成使用。

最后，根据设计，完成了箔片轴承的制造，制造出的实物如图5所示。

图5 研制的径向与止推轴承图Fig.5 radial foil and thrust bearing

用制造好的波箔，在压力机上进行了弹性测试，测得的载荷与位移之间的曲线如图6所示。最大测试压力设定为1 000N，预载5N使波箔的每个波拱与压力机的上下压块真实接触。实测结果表明，波箔的载荷与位移呈明显的非线性关系，这与San Andres等人研究结果相同[2]。初始段区间的刚度很小，随压缩量增大刚度不断增加。多次弹性测试后箔高未发生明显变化，说明该波箔具有较好的弹性，其最大承载超过负载1 000N，其弹性能够满足某风机使用要求。

在动压箔片轴承启停阶段，由于转速低于动压起飞的临界转速，轴承内表面与转子之间存在接触摩擦，虽然时间较短，但还是增大了启动与停止时的摩擦力，带来了平箔片的磨损问题，降低了使用寿命。为提高动压轴承的使用寿命，必须在轴承表面涂覆优质润滑涂层。为此，课题组提出一种巧妙的润滑方案——采用固体润滑软膜作为轴承内表面涂层。从实验结果来看，所使用的涂层使各个转速阶段的力矩都降低到很低的水平，涂层表现出很好的润滑效果，保障了启停次数在10 000次以上。

图6 箔片性能测试图Fig.6 the performance test of foil

3 高速永磁同步电机及其控制器的研制

永磁电机结构简单、控制灵活，转子形式多样易于实现最优化设计，因而围绕永磁电机及其控制算法的设计、开发和应用一直是业界关注的热点。永磁电机已经在许多场合不可避免地取代传统交流感应电机[9]。在动压风机的设计过程中，由于采用的是具有柔性支撑的空气动压轴承，对于永磁电机的设计就不能简单套用传统的永磁电机结构和设计计算方法，必须建立新的设计概念，研究新的分析计算方法，来提高设计计算的准确度。

针对这一关键性技术问题，课题组通过不断的改进，先后设计、制造了几种不同功率（8kW,55kW,75kW）的永磁高速直流电机（图8，75kW），初步解决了高速电机转子、定子的设计与制造问题，电机转、定子均采用精密加工，达到极高的加工精度，以确保转子部件的对称性与平衡性，从而保证高速运行的稳定性，同时通过保证轴承工作面的表面质量与圆柱度，从而保证轴承动压性能。

图7 平箔片涂层及其减膜效果图Fig.7 the coating of foil and its effect

图8 研制的永磁电机定子、转子与控制器图Fig.8 The stator of motor,rotor and controller

为了验证空气动压轴承支撑的永磁电机的性能，设计制造了以空气动压轴承作为支撑、以高速永磁电机作为驱动的全动压高速电机验证平台（图9），系统设计功率75kW，设计转速30 000r/min，实验测试最高工作转速已达30 000r/min，并经历近万次启停的轴承寿命测试，基本能满足风机的使用需要。

图9 动压轴承支撑永磁电机样机图Fig.9 permanent magnet motor

电机控制上，针对箔片轴承的工作特点，采用独特的控制策略。空气动压轴承起飞前存在严重摩擦与碰撞，这使得阻力矩较大且不稳定，这种工况下很难实现闭环控制，因此在启动阶段采用开环控制，短时间内输入极大电流，强制拖动电机同步提速，以使在短期内获得较高转速。虽然大电流会带来较大的发热量，但由于提速很快，发热量不会过度积累。当转速达到一定数值后，控制器开始采集位置信号，从而实现闭环控制，此时驱动电流最小化，实现节能并降低电机发热量。

4 转子系统模态分析

转子系统模态分析的目的在于为系统的结构可靠性、各阶特征、最大允许不平衡量提供一定参考，为系统的设计、制造、最大不平衡量的确定、控制策略等提供依据。本项目中转子系统主要由叶轮、电机转子、前后轴套、止推盘、冷却风扇五个部分组成。

在ANSYS Workbench下，建立转子系统的三维有限网格模型如图10所示。基于实际工况，明确材料特性参数、边界约束条件、系统激励以及求解对象，其中面刚度边界支撑方式如图11所示。面刚度确定基于仿真获得的轴承主刚度。采用模态分析方法，对整个系统的特征频率进行求解，计算得到前三阶模态特征频率点为63.065Hz、83.538Hz、778.64Hz，对应的振型如图12所示。

图10 有限元网格模型图Fig.10 Rotor finite limited mesh model

图11 面刚度边界支撑方式图Fig.11 Elastic support

图12 模态频率点及对应振型图Fig.12 The three modes frequency corresponding vibration types

在模态分析的技术上，采用谐响应分析方法，求解系统在不平衡激励下过临界转速的振动特性，优化设计边界约束条件及整个系统结构，达到有效抑制振动的目的。在10mg动不平衡量激励下，对应的响应曲线如图13所示，即针对本文中的Φ80转子，动不平衡量允许在10mg左右。

图13 不平衡响应曲线Fig.13 Unbalance response curve

6 风机样机的系统集成

在各核心关键技术进行突破的基础上，项目组完成了风机样机的投产、制造、安装、调试等工作，风机样机的实物照片如图14～17所示。

图14 风机样机图（去除后盖照片）Fig.14 Blower model

图15 研制的电机定子图Fig.15 Stator of motor rotor

图16 研制的电机转子及三元流叶轮Fig.16 The motor rotor and 3D impeller

图17 空气轴承图Fig.17 Air bearing

该套原机目前最高转速可达30 000r/min，运行后振动小，基本达到了最初的设计目标。通过该套样机，基本验证了研制空气动压风机的各项核心关键技术，具备了优化设计与改进、系列化研制空气动压风机、从实验室走向工业应用的能力。

6 结论

1）长期以来，受材料与工艺的制约，我国动压箔片轴承承载能力较低，未能获得广泛应用。本文研制的Φ80空气动压轴承单个承载能力高达13kg，具备了工业应用能力。

2）对高速大功率永磁电机及其控制技术进行了系统研究与开发，成功研制出了不同功率的多套样机，已经顺利开展了各项性能测试实验，为下一步的优化设计及工业应用打下了坚实的基础。

3）将空气动压轴承、高速电机、叶轮等单元技术结合起来，并分别进行了技术优化，设计制造了风机样机，具备系列化空气动压风机的研发能力，目前正在进行小批量工程样机的研制。

[1]侯予，赵祥雄，赵红利．弹性支承箔片动压气体径向轴承理论模型的研究[J]．润滑与密封，2008(33)：1-5.

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[9]侯予，陈双涛，陈汝刚,等.弹性支承箔片动压气体径向轴承的实验研究[J].润滑与密封，2010(35):1-4.

[10]R.Krishnan著，柴凤,等译.永磁无刷电机极其驱动技术[M].机械工业出版社，2012.

Key Technologies for Centrifugal Blowers with Foil Bearings and High Speed Magnet Motor

Xing-jun ShuGang XuYue-qing ZhengHai-long CuiHe Lan
（Institute of Machinery Manufacturing Technology,CAEP）

Air foil bearings,which are oil-free support technology with negligible friction,can overcome many problems of rolling element bearings such as lubricant deterioration at high temperature,and bring a technological revolution in the high speed bearing field.To meet the requirements in centrifugal blower applications,air foil bearings with a load capacity of 12.5kg were designed,manufactured and tested.A high speed and high power permanent magnet motor and its control technology were investigated,and a series of foil bearing-supported high speed blowers with different powers were designed and manufactured.

foil bearing，centrifugal blower，high speed permanent magnet motor，controller，solid lubricant coating

TH133.3；TK05

1006-8155-(2017)02-0036-07

A

10.16492/j.fjjs.2017.02.0007

∗项目资助：中物院应用技术开发重大项目（K948-15-CLJ）；四川省战略新兴产品计划项目(2011GZX0098)

2016-08-20 四川 绵阳 621999