主动磁悬浮轴承在压缩机及鼓风机应用的技术进展*

阴宏宇 刘 路 王跃方2, 李健伟

（1.沈阳鼓风机集团股份有限公司；2.辽宁重大装备制造协同创新中心沈鼓研究院；3.大连理工大学工程力学系)

0 引言

主动磁悬浮轴承（Active Magnetic Bearings）是一种新型的高性能轴承，它利用磁场力使转子稳定悬浮在空中且转子位置可以通过控制系统进行控制[1]。与传统轴承相比，主动磁悬浮轴承具有无机械接触、无需润滑、环境适应能力强、功耗低、转子转速高、系统可控性强等优越的性能[2-4]。这些优点使得主动磁悬浮轴承在各个领域具有广阔的应用前景，受到国内外工程界和学术界的广泛关注，是目前众多领域专家、学者和企业界人士的研究重点。同时主动磁悬浮轴承是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的最具代表性的机电一体化产品，未来具有成为智能机械中关键单元的潜能。

本文介绍了国内外磁悬浮轴承的发展状况，并研究了磁悬浮轴承在集成式压缩机领域和鼓风机领域的应用状况。之后，探讨了近十年国内外对磁悬浮轴承技术的研究进展，总结了磁悬浮轴承领域专家学者的研究热点：磁悬浮轴承结构设计与优化、磁悬浮控制系统、不平衡振动控制、喘振主动控制、辅助轴承和自检测磁悬浮轴承等。最后展望了磁悬浮轴承在压缩机、储能飞轮和节能环保等领域的应用前景。

1 磁悬浮轴承的发展

磁悬浮概念于19世纪中叶被提出，欧洲、美国和日本等国家在20世纪60代开始大力开展磁悬浮轴承的研究工作。进入21世纪，随着制造工艺技术的进步、控制理论与智能信息技术的发展，磁悬浮轴承技术趋于成熟，产品的性能也得到了优化和提高。

国外生产磁悬浮轴承技术相关产品的公司已有几十家，如瑞典SKF、美国WAUKESHA、瑞士MECOS、美国 CALNETIX、美国 RBSI、美国 SYNCHRONY、瑞士IBAG、瑞士SULZER、德国LTI MOTION、德国ZEITLOS和日本NSK等公司均有磁悬浮轴承产品在不同领域得到应用。国内虽然起步较晚，发展至今也取得了一些达到国际先进水平的研究成果，并涌现出了一批具有市场里的磁悬浮轴承制造企业。

图1 SKF公司S2M磁悬浮轴承Fig.1 S2M Magnetic bearing of SKF

国际磁悬浮轴承技术会议（ISMB）自1988年开始每两年举办一次，该会议是磁悬浮领域顶级学术会议。2010年第十二届会议首次在中国武汉召开，极大促进了中国磁悬浮轴承事业的发展。2018年第十六届会议再次在中国召开，地点为北京。中国磁悬浮轴承学术会议（CSMB）于2005年在北京顺利召开首次会议，同年还成立全国磁悬浮专业委员会，汇聚了国内知名高校和研究机构的磁悬浮专家，是中国磁悬浮领域最有权威性以及最具影响力的官方组织。

2 磁悬浮轴承的应用

2.1 磁悬浮轴承在集成式压缩机领域的应用

集成式压缩机将高速电机与压缩机合二为一，同时采用磁悬浮轴承配置[5-6]。集成式压缩机具有结构简单，系统紧凑，效率高和污染低等特点，逐渐应用于陆地、海底天然气管道和地下储气库等，且正在向炼油、石化等领域拓展[7-8]。

德国MAN Diesel&Turbo公司开发了全球第一款集成式管线压缩机MOPICO，在MOPICO基础上又开发出应用范围更广的HOFIM型集成式压缩机，这两款机型的功率范围为3MW到18MW。美国GE公司研制的集成式压缩机最大功率为15MW，随后开发出的专门用于海底压缩领域的Blue-C深水压缩机功率为12.5MW，最高转速可达11 000r/min。德国SIEMENS公司生产STC-ECO（LP）、STC-ECO（HP）两种集成式压缩机组。其中LP型功率可达10MW，HP型功率可到20MW。美国Dresser-Rand公司开发的DATUM C型集成式压缩机，最大转速可达16 000r/min。在此基础上开发的DATUM ICS不仅包括DATUM型压缩机，还在机壳内集成了离心气/液分离装置，尤其适合在海底应用。

图2 MAN Diesel&Turbo公司HOFIM压缩机Fig.2 HOFIM compressor of MAN Diesel&Turbo

图3 GE公司集成式压缩机ICLFig.3 Integrated Compressor Line of GE

沈阳鼓风机集团与国际磁悬浮轴承厂家合作研制天然气管线用集成式压缩机。上海电气集团正在研制超高速异步电动机，用于功率18MW，转速6 500r/min的集成式压缩机[9]。目前，集成式压缩机的国产化研制正处于起步阶段。

2.2 磁悬浮轴承在高速鼓风机领域的应用

磁悬浮离心式鼓风机是将磁悬浮轴承技术和高速电机技术融入传统风机而形成的一种高效、环保、节能的新型鼓风机。在可持续发展和节能减排的推动下，磁悬浮高速鼓风机逐渐应用于污水处理、火力发电、钢铁冶金、造纸印染、石油化工、食品医药等行业[10-11]。

瑞士SULZER的ABS HST高速磁悬浮鼓风机从1996年进入市场，发展到现在已有超过3000台设备在世界各地运行。瑞典的Atlas Copco集团的ZB VSD+离心式磁悬浮鼓风机功率可达250kW，已经成功应用于食品生产和火力发电烟气脱硫。

图4 SULZER公司ABS HST高速磁悬浮鼓风机Fig.4 ABS HST turbocompressor of SULZER

国内企业生产的磁悬浮产品其风机的功率等级大多在75～300kW之间。从发展趋势来看，未来国内会研发功率在500～800kW的磁悬浮鼓风机。具有我国自主知识产权的磁悬浮风机已经崭露头角，下一步将继续扩大市场占有率，提高产品的国际竞争力。

3 磁悬浮轴承研究现状

为了使磁悬浮轴承系统具备更好的鲁棒性、更高的智能化水平、更低的损耗和更强的抗冲击能力，近十年国内外研究学者在以下几个方面进行了重点研究：结构优化设计、控制系统升级、不平衡控制、喘振控制、跌落保护和自检测等。

3.1 结构设计及优化

磁悬浮轴承结构设计考虑磁极尺寸、气隙大小、线圈匝数、线圈电流等参数对磁感应强度分布和电磁力的影响，最大程度地提高磁悬浮轴承的承载能力并减少运行损耗。

王晓远[12]将果蝇优化算法引进到磁悬浮轴承的优化设计中，以尺寸参数为优化变量，以承载力、体积和轴向长度为优化目标，进行多目标优化。优化后的磁悬浮轴承在承载力得到提高的同时，结构尺寸也有很大程度的减小。Wan[13]采用多目标遗传算法开展设计优化，得到质量低、功率损耗少、承载力最高、且能满足ISO标准非线性振动要求的磁悬浮轴承结构。周瑾[14]使用优化集成平台Isight集成UG和ANSYS，以电磁力最大为目标，对磁悬浮轴承进行结构优化，在同等工况下优化后的磁悬浮轴承能耗和损耗大大降低，同时设计效率也得到了提高。Le[15]提出了一种以谐振频率下的阻尼系数为目标函数，同时考虑轴承本身、转子动力学、控制器特性以及功率放大器的磁悬浮轴承优化设计方法，此方法适用于高速柔性转子。

永磁偏置磁悬浮轴承（又称混合磁轴承）利用永磁体产生的磁场代替电磁铁中偏置电流产生的磁场，兼顾了主动磁悬浮轴承动态性能好和被动磁悬浮轴承体积小、无功耗的特点，得到研究者广泛的关注。Sun[16]设计的永磁偏置磁悬浮轴承结构，电磁回路在X和Y方向互相独立，提升了磁悬浮轴承的承载力以及控制精度。纪历和徐龙祥等[17]研究得到六极异极永磁偏置磁悬浮轴承与传统八极主动磁悬浮轴承相比，在永磁体等效励磁电流等于偏置电流的情况下，位移－力系数较大、电流－力系数较小。Okada[18]通过仿真分析与试验研究得到，六极永磁偏置磁悬浮轴承相比主动磁悬浮轴承的悬浮稳定性好、控制性能更佳、可以提供更准确的转矩。吴华春[19]采用等效磁路法设计了同极永磁偏置磁悬浮轴承，该轴承应用于轴流式磁悬浮血泵，降低了轴流式磁悬浮血泵的体积和功耗。Filatov[20]和Hawkins[21]设计的永磁偏置磁悬浮轴承，还将轴向磁轴承和径向磁轴承联合，并通过对比同一压缩机用不同磁轴承得到，轴向/径向联合永磁偏置磁悬浮轴承具有更短的轴向长度、更少的零件数、更低的气动阻力、更低的负刚度以及更低的造价等特点。

图5 永磁偏置磁悬浮轴承结构示意图[17]Fig.5 Permanent magnet biased magnetic bearing[17]

3.2 控制系统研究

磁悬浮轴承系统的控制系统需要解决磁悬浮轴承本身的开环不稳定性、悬浮力非线性、磁路耦合性等问题，还要满足高转速下对响应的快速性要求，因此磁悬浮轴承控制系统不断向数字化、智能化和集成化发展。

PID控制算法实现简单、适用性强且技术成熟，在磁悬浮轴承控制系统中应用最为广泛。但PID控制器存在稳定域较窄、抗干扰能力差的问题，为了使PID控制器具有更好的控制效果，研究人员设计了模态解耦PID[22]、状态反馈 PID[23]、模糊 PID[24]、滑膜 PID[25]、分数阶PID[26]、神经网络自适应PID[27]等改进的PID算法。

随着转子的渐柔化，外界干扰等不确定因素对系统的影响会显著增加，基于现代控制理论的控制算法可以提高系统的动态范围和抗干扰能力，得到更好的控制效果。Su[28]针对柔性转子-磁悬浮轴承系统，采用LQR控制方法，克服转子动态性能随转速变化的问题，构建实时系统并基于非平衡响应分析的转子动态特性。Hutterer[29]设计了基于LQG控制和时变反馈路径结合的控制器，使得磁悬浮轴承系统对转速不敏感，解决了随转速变化的陀螺效应带来的耦合问题。Core[30]设计了H∞控制器，克服磁悬浮轴承系统的非线性问题，并通过与传统控制器的对比试验，验证了H∞控制方法在高转速时对转子振动抑制的优越性。Di[31]为高速集成式电机/压缩机用磁悬浮轴承设计了μ-综合控制器，设计时考虑了系统共振频率的变化和陀螺效应等不确定性，实现强控制性能，使系统达到要求的性能和稳定余量。Chen[32]使用非奇异终端滑模控制系统，获得了非线性轴向磁悬浮轴承转子位置的有限时间跟踪，并提高了系统的收敛速度和控制精度。Nguyen[33]设计了智能模糊控制器，解决磁悬浮轴承系统的非线性问题，降低了由转子的高转速和不平衡引起的振动。Zhao[34]提出了一种基于离散时间约束模型预测控制算法的控制器，对保持系统稳定性有很好的效果。此外，当输入约束固定时，可以通过减小输出约束来抑制高速转子的振动幅值。荣海[35]采用零偏置电流控制策略来降低磁轴承的功耗，并结合多频率陷波器来抑制动不平衡力等造成的转子同频和倍频振动。

数字控制器灵活性好、运算速度快、易于实现复杂的算法，满足磁悬浮轴承领域发展的要求。随着高性能数字信号处理器（DSP）和现场可编程门列阵（FPGA）的出现，基于DSP[36]或FPGA[37]甚至两者结合使用[38]的数字控制器在磁悬浮轴承领域得到广泛应用。

3.3 不平衡振动控制

磁悬浮轴承具有刚度和阻尼的可调、可主动控制的优点，能有效解决由不平衡扰动给高速运行的磁悬浮转子带来的振动问题。利用先进的主动控制方法和理论提升磁悬浮转子振动抑制的效果是近来研究的热点。

磁悬浮轴承系统通过不平衡补偿和自动平衡的方法实现对转子不平衡振动的主动控制。Chen[39]提出一种基于径向位移信号用于频率估计的新型自适应陷波滤波器，实现同步电流的消除和残余不平衡振动力的抑制。Jiang[40]通过识别不平衡质量，生成控制信号实现不平衡补偿，该识别方法不受转速的影响，控制效果稳定，适用于变转速运行条件下的振动抑制。Ouyang[41]采用交叉反馈与滑膜控制结合的方法，解决磁悬浮转子系统高速运行时的陀螺力矩耦合和不平衡干扰产生的振动问题，获得与传统控制方法相比更好的鲁棒性能和调节性能。宋腾[42]设计了变极性LMS反馈补偿控制策略，通过大幅增加系统对位移信号中转速同频分量的广义动刚度，对位移信号中的同频分量进行抑制，保证了系统闭环稳定并实现全转速范围内的最小位移控制。Yoon[43]研究了有输入时滞的不平衡补偿问题，提出了一种基于等效输出调节器的解决方法，降低了转子的同步振动，减少了磁悬浮轴承系统的控制输入电流。蒲芃成[44]提出一种基于力自由不平衡控制，通过测量转子同频位移响应计算出转子的校正质量，实现高精度、高效率的转子在线动平衡的方法。岳彩培[45]对磁悬浮轴承的转子进行振动姿态解耦，结合迭代搜寻最优参数的方式产生精确的补偿信号，抵消不平衡力和不平衡力偶对转子的影响，使转子的不平衡振动得到有效抑制。

3.4 喘振主动控制

使用磁悬浮轴承对磁悬浮压缩机进行喘振主动控制，相比于传统的喘振避免的方法，更方便可靠、响应更快、功率损失更小。这种方法能有效扩大磁悬浮压缩机的稳定运行区域，提高其安全稳定性。

Yoon和Allaire等[46-48]研究了通过磁悬浮推力轴承改变压缩机叶尖间隙并补偿流动扰动从而实现喘振控制。通过试验对比不同方法估计质量流量对喘振控制效果的影响，最佳的控制性能下能够将压缩机稳定流量范围扩展21%。在此控制方法下允许压缩机在峰值压力/效率点运行，同时保持良好的喘振裕度。唐茂[49]使用H∞控制，满足了喘振控制时磁悬浮轴承—转子系统的位置跟踪性能以及悬浮的稳定性。崔恒斌[50]设计了V-Gap度量H∞控制器，并通过对喘振控制和磁悬浮推力轴承联合仿真，分析不同节流阀开度下转速及干扰等因素对磁悬浮推力轴承喘振控制性能的影响。Anantachaisilp[51]在Yoon研究的基础上，将不同控制器应用于磁悬浮压缩机的喘振控制，试验结果表明分数阶PID控制器和H∞控制器可以将压缩机稳定流量范围进一步扩展。

3.5 辅助轴承研究

辅助轴承，又称为保护轴承或备用轴承。在磁悬浮轴承失效或承载能力不足时，辅助轴承为高速转子提供支撑，防止转子与定子放生碰撞，避免系统的损坏。解决高速转子跌落给保护轴承带来振动与冲击的问题、设计更高可靠性的辅助轴承对提升磁悬浮轴承系统的安全可靠性具有重要意义。

在辅助轴承系统中集成弹性阻尼器，能有效地耗散掉转子跌落后的冲击能量，降低转子跌落所带来的冲击和振动，受到国内外研究者的重点关注。Cao和Allaire等[52]使用波形弹簧和阻尼环作为阻尼器安装在保护轴承的外圈与轴承座之间，显著减小辅助轴承内圈所受的冲击力。金超武[53]设计了一种安装在转子上的弹性减震器，该减震器以过盈的方式安装在转子上，随转子一起旋转。通过这种减震器，可以及时避免保护轴承受到振动与冲击。康骁[54]研究了立式磁轴承磁悬浮转子用的轴向弹性阻尼器，通过阻尼器的压缩变形以及剪切变形储存冲击能量以及减少冲击所产生的振动从而将尖锐的冲击波以较缓和的形式作用在设备上以达到对辅助轴承以及系统的保护作用。

新型辅助轴承的研究也越来越多的出现。Xia[55]使用四角接触球轴承作为磁悬浮轴承系统的保护轴承，与传统的角接触轴承相比具有更小的接触变形、更强的承载力和更高的极限转速，并且节省空间和重量。朱益利[56]提出一种双层滚动轴承作为保护轴承，通过组合两个大小不同的滚动轴承以及中间转接环组合成一个双层滚动轴承，提高了滚动轴承的极限转速、降低了阻尼，具有较小的刚度和较低的应力集中。通过跌落试验表明双层轴承具有更长的使用寿命。俞成涛[57]设计了一种自消除间隙保护轴承，将滚动轴承以过盈配合的方式安装于转子上，机构中一系列支座均布于滚动轴承外圈的外围。这些机构能在转子跌落后，消除转子与滚动轴承之间的间隙，避免了在传统保护轴承使用过程中所出现的转子与内圈之间的剧烈碰撞以及可能出现的大幅涡动现象。Song[58]设计了径向和轴向集成辅助轴承，并将辅助轴承段的转子设计成了圆锥形，同时在一端配备额外的电机带动旋进盘。当转子跌落，电机带动旋进盘前进，使得集成辅助轴承接近转子，同时消除转子和滚动轴承的径向和轴向间隙。

3.6 自检测磁悬浮轴承的研究

为解决磁悬浮轴承用位移传感器成本高、尺寸受限制的问题，自检测（无传感）磁悬浮轴承研究应运而生。自检测磁悬浮轴承通过测量电气回路内部信号或者依赖精确模型的状态观测法，间接地获取转子的位置信息，取代专门的位置传感器，减小系统能耗和成本，提高系统可靠性。

图6 自消除间隙保护轴承结构[57]Fig.6 Auto-eliminating Clearance Auxiliary Bearing[57]

图7 径向和轴向集成辅助轴承[58]Fig.7 Radial and Axial Integrated Auxiliary Bearing[58]

Chen[59]基于磁悬浮轴承的状态空间模型，设计了光滑电压控制器和转子位移的状态观测器，实现对转子位移的自检测。Hofer[60]采用基于电压脉冲注入的电感测量方法、Jiang[61]使用差动变压器法，实现对永磁偏置磁悬浮轴承的无位移传感器的控制。Niemann[62]根据开关功率放大器电流纹波特性，通过直接测量电流提取转子位移信息，不需要注入额外的高频信号。Franz[63]提出一种考虑了涡流影响的基于最小二乘识别的磁悬浮轴承自检测策略。于洁和祝长生在电流纹波特性法基础上，采用希尔伯特变换[64]和小波变换[65]使得电流纹波特性法具有更高的精度和更小的相位滞后。You[66]使用人工神经网络的方法对自检测磁悬浮轴承的转子位移进行估计，可以有效解决系统的非线性效应。Yu[67-68]在频域范围内建立了精确的自检测分析模型，并对可能存在的估计误差源进行了评估，提升了自检测磁悬浮轴承的估计精度、鲁棒性和动态性能。

4 结论

磁悬浮轴承技术在压缩机和风机领域的成功应用显现了其相对传统轴承的独特优势。先进材料的不断出现、制造工艺技术的进步、控制理论与智能信息技术的发展，未来磁悬浮轴承将具备更好的鲁棒性、更高的智能化水平、更低的损耗、更强的抗冲击与抗跌落能力。随着磁悬浮轴承技术的提升、成本的降低，以及当今环保意识的加强，主动磁悬浮轴承有望在天然气长输管道压缩机、高速储能飞轮、污水处理配套高速鼓风机、MVR蒸汽压缩机和余热发电ORC装置膨胀机等领域拥有广阔的应用前景。