未来黑科技——磁悬浮轴承
轴承是当代机械设备中的重要零部件，决定着重大装备和主机产品的性能、质量和可靠性，被誉为装备制造的“心脏”。
磁轴承，是一种新型高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。
在各种类型的磁轴承中，主动式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。下文所述磁悬浮轴承，一般指主动式磁悬浮轴承。
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磁悬浮轴承研究进展
国际磁悬浮轴承技术会议（ISMB）自1988年开始每两年举办一次，该会议是磁悬浮轴承领域顶级学术会议。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。
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。
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。
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。
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。
日前，在第二十三届全国发明展览会·“一带一路”暨金砖国家技能发展与技术创新大赛上，我院杨东升教授团队的科研成果《磁悬浮轴承的动能回馈电压中断保护系统及方法》斩获铜奖。
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1.概述
作为一类典型的机电一体化系统，电磁轴承-转子系统包括由传感器、控制器、功率放大器组成的电控部分，以及由转子、电磁铁组成的机械部分。轴承正常运行时，位移传感器会对转子位置变化情况进行不断检测，并将所测的位移信号同步向控制器输送，控制器依据反馈的位移信号计算并输出相应的控制量驱动功率放大器，使功率放大器调整对通入电磁铁线圈中的电压或电流，以控制作用于转子的电磁力，令转子能稳定悬浮于期望位置。控制系统能对转子的运行状态实行诊断和监控。
转子的高速旋转是由高速大功率电机驱动的，径向轴承负责起浮转子，轴向轴承负责转子的轴向运动，在磁悬浮轴承外侧设置了保护轴承，以避免磁悬浮轴承系统在突发失控情况时转子直接向电磁铁跌落，尤其是在转子高速运转的情况下，否则将造成非常严重的灾难性后果。此外，保护轴承可在转子未处于悬浮状态时对其进行支承，起到轴向定位的作用。
磁轴承控制系统发展主要历经了两个阶段，阶段一为基于模拟电路的控制系统；阶段二为基于数字电路的控制系统。磁轴承控制系统在早期时均是依靠电路模拟来实现的，其内部由模/数采集电路、数字运算电路、数/模输出电路构成。其特点是响应速度快，易于调试，但存在温度漂移、时间漂移、关键控制参数修正困难、所设计控制器体积庞大以及无法满足复杂现代控制算法的需要等缺陷而逐渐被淘汰。在数字电路技术不断进步的同时，CPLD、DSP、FPGA相继出现，基于模拟电路的控制系统便逐步由基于数字电路的控制系统替代，这些数字芯片能实现复杂的现代控制算法，并能实现控制系统集成度的提升、功耗的降低与体积的减小，控制灵活性强，所以各种类型的磁悬浮转子系统中对基于数字电路的控制系统进行了广泛应用。
2.磁悬浮轴承的控制方法
磁轴承系统具有高度的非线性和天然不稳定性，必须采用自动控制来保持系统稳定运行。因此，在磁悬浮轴承技术中，关键是控制系统的设计。控制器的性能不仅会对磁悬浮轴承能否保持正常悬浮运转具有决定性作用，且通过调节系统的刚度与阻尼，从而影响轴承的抗干扰性能、载荷性能等动态特性。因而要实现磁悬浮轴承性能的提升，改进控制器是一种有效措施，同时也是磁悬浮轴承领域一直以来的研究热点。控制器的灵魂在于控制算法，目前多种传统和现代控制算法在电磁轴承控制器中得到应用，大致可分为：
（1）传统经典控制：更多采用PID控制，此类控制器设计简单且调试方便，故而常见于磁悬浮轴承的实际应用中。但随着磁轴承转速的提高，特别是对径向多自由度耦合、大转动惯量的磁悬浮转子，传统PID控制难以取得成效。
（2）鲁棒控制：较为典型的有H∞、μ综合控制等。其中，H∞综合控制以小增益理论为基础，μ综合控制是H∞综合控制的自然扩展。不管是H∞综合控制或者是μ综合控制，两者均能够对系统模型存在的不确定性进行有效处理，抑制各类信号干扰，是控制理论的研究焦点之一，具有重要地位。对于被控对象，鲁棒控制看作是存在不确定性的一个数学模型，并以此模型为对象进行能够使得成员均符合给定性能指标的控制器的设计。理论和实验都表明鲁棒控制器比PID控制器具有更好的性能，但设备实现需要依靠难度较大的控制算法。
（3）智能控制：磁悬浮轴承智能控制算法主要包括神经网络控制、人工智能控制等。神经网络控制是（人工）神经网络理论与控制理论相结合的产物，为解决复杂的非线性、不确定性系统的控制问题开辟了新途径。
（4）其他控制：现如今除了上述常见的控制方法之外，学者们还提出了许多其他控制方法，例如非线性补偿时间延迟控制、不平衡控制等。
3.磁悬浮轴承应用示例
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。
图1 SKF公司S2M磁悬浮轴承
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11000r/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16000r/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
图3 GE公司集成式压缩机ICL
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。
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ZBV SD+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
供稿：李志达
编辑：庄新豪
