德国FAG磁悬浮轴承研究现状及其发展

德国FAG磁悬浮轴承研究现状及其发展
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德国FAG磁悬浮轴承(磁轴承)与传统机械轴承不同，其不存在机械接触，是利用永磁体或通电线圈实现转子悬浮的一种新型高性能无接触支承轴承。对影响磁轴承系统性能的关键问题—结构和悬浮力建模方法进行较为全面的概述，针对未来磁轴承系统需要解决的关键问题及相关措施进行介绍。

01德国FAG磁轴承研究现状

1842年，“物体能在可以提供磁场力的永磁体的作用下实现六个自由度的稳定悬浮状态”，这一设想曾经被文献[1]证明其具有不可能性，因此磁悬浮技术的设想一直没得到发展。20世纪60年代中期，磁悬浮技术的发展有所突破并同时开展了2个方向的研究：磁悬浮列车和磁悬浮轴承。开展磁悬浮列车的研究工作主要集中在德国、英国、日本。磁轴承的快速发展**早起源于太空中对轴承的特殊要求，因此在一些空间惯性轮、卫星导向轮、宇宙飞船动量或能量存储飞轮等指航天器中磁轴承得到了广泛应用。随着磁悬浮轴承的应用日趋成熟，一些适合工业场合应用的低能耗、低成本的高性能磁轴承及相应的控制器逐渐出现。

02德国FAG磁悬浮轴承结构

磁悬浮轴承的结构是影响磁轴承系统整体性能的关键问题，按照磁悬浮轴承系统有无传感器和磁力提供方式对磁悬浮轴承进行分类介绍。

表1  磁悬浮轴承结构的类型

03未来研究趋势

随着相关技术的提高，实际应用对磁轴承系统的性能已提出了越来越高的要求，在已经形成大量磁轴承产品的基础上，未来磁轴承系统的研究趋势如下。

3.1 低功耗磁轴承及其控制策略研究

功耗的增加会使轴承线圈发热，引起转子的热膨胀和传感器温漂，影响转子的控制精度。为进一步提高磁轴承产品的质量，延长磁轴承产品的寿命，实际应用时对磁轴承系统的功耗提出了更高的要求。

1) 新型拓扑结构磁轴承：设计新型低功耗磁轴承，其拓扑形式的选择与应用场合密切相关，对应用需求进行分析，选择并设计出适合于某场合的功耗低、结构简单、控制方便的低功耗磁轴承结构应是未来主要的研究内容。

对于同**磁轴承，可以设计将其定子槽闭合，减少偏置磁通在磁**间的变化，降低转子铁心中的铁损，降低整个磁轴承的损耗，但控制绕组的嵌线相对困难，需采用穿线方式。可将四磁**变换为三磁**，利用三相逆变器作为开关功放，但自由度之间磁路要耦合，并且同等承载力的情况下，三磁**磁轴承的轴向长度要长。对于异**磁轴承，其优点是漏磁较小，轴向长度相比于同**性磁轴承相对较短，有助于转子临界转速的提高。可以通过将永磁体间隔加装在定子磁**或定子磁轭上，制成异**性磁轴承，但需考虑永磁磁**的被动控制。因此可以设计盘形、球形，甚至不规则型磁轴承，满足不同应用场合的新型拓扑结构。

2) 降低偏置电流：对于混合磁轴承来说，**常用的降低功耗的方法是降低其偏置电流。例如通过引入非线性控制算法(如设计TSK模糊控制器、变偏置电流控制器、双曲线型偏置控制器、PWM调制的PID控制器)智能地改变偏置电流，形成基于开关控制策略的智能偏置控制器。

3) 零功率控制策略：使转子在悬浮时电磁线圈中的电流近似为零，当受到允许范围内的静态力时，通过适当调整悬浮气隙，始终保持线圈中电流在零附近小幅振动。例如将电流积分项视为外环独立控制，其电流反馈采用**速电流环，使线圈电流能快速跟踪控制电压变化，减少电感滞后作用。根据不同负载对应的**优控制参数及其实现零功率悬浮时对应的间隙，设计变负载质量条件下PD环参数的自适应机制。

3.2 高速转子的抑制振动研究

虽然理论上磁轴承转子可以实现绕惯性轴转动，但是受限于加工精度和材料不均等因素，不可避免地存在转子质量不平衡、传感器噪声等因素，会造成转子惯性矢量产生误差，产生扰动力和力矩。尤其磁轴承转子允许的工作转速己远远超过普通轴承的工作转速，随着转速的增加，转子会产生较明显的陀螺效应和振动干扰，这是高转速磁轴承系统控制面临的另一主要挑战。此外，转子在高速下工作将导致转子的柔性化，在工作转速范围内出现多个临界区，一般情况下将磁轴承-转子当作刚性转子的分析将产生较大的误差，上述这些问题将使控制器的设计更加困难。

1) 限波器：可针对磁悬浮转子位移传感器谐波噪声引起的多频扰动问题，根据多频扰动特性，构造分级的自适应相移陷波器，每级陷波器对应一个陷波频率，再将陷波器级联，分别设置相角补偿矩阵解决闭环控制回路在全转速范围内的稳定性问题。

2) 解耦控制：可采取解耦振动控制的方法以减弱转子不平衡振动。通过建模分析，把转子的径向不平衡振动分解为2个互相正交方向的独立振动，各方向的振动均表现为与转速同频的单频率振动（简谐振动）。因此，可设计单自由度振动自适应控制方法，在已知频率前提下，对单频率简谐振动实现有效抑制。并且在振动变化时，能够对振动的幅值和相位实现自适应跟踪。

3) μ控制器：将μ控制器应用到磁轴承柔性转子控制上，可使磁轴承系统获得更高的刚度。

4) 建立柔性转子模型：可通过有限元法计算转子的频率响应，得到磁轴承系统转子的修正模型，然后将陀螺效应的五自由度磁轴承柔性转子简化为4个刚性模态和6个柔性模态组成的系统，为设计控制器建立精确的柔性转子模型。

5) 反馈控制策略: 可针对不同磁悬浮转子的转速，设计増益预调的反馈控制策略，基于所创建的与线性控制相对应的反馈通道增益及带宽参数表。

3.3 高性能控制器设计

随着控制技术的发展，几乎所有经典控制和现代控制理论中的控制方法都可以应用于磁轴承系统的控制中。

1) 单一型高性能控制器：PID控制器、H∞控制器、LQG控制器、μ控制器、滑模控制器、神经网络控制器、模糊控制器、解耦控制器等。未来单一型高性能控制器仍是实际应用中**实用且常用的控制器。

2) 复合型高性能控制器：近些年多种单一型控制器组合而成的复合型高性能控制器取得了广泛关注，也是未来控制器发展的必然趋势，可以同时发挥多种单一型控制器的优点，克服各控制器的缺点，实现优势互补的高性能控制器。例如粗集模糊神经网络控制，无模型自适应控制器，TS-PID模糊控制器，基于各种改进遗传算法的PID控制器等，或开发出更多新型复合型控制器。

3.4 无传感器磁轴承系统的研制

目前主流的无传感器磁轴承系统自检测方法有：高频信号注入法、凸**追踪、占空比补偿、状态观测、卡尔曼滤波器等多种方法。其中高频信号注入、凸**追踪和占空比补偿法需要附加电路和特殊信号处理技术才能实现位移的估计。而状态观测、卡尔曼滤波等方法依赖精确模型，且对控制器要求非常高。由于磁轴承易受外界干扰，具有非线性和参数不确定性，这些方法的实际应用效果并不理想，存在鲁棒性差、动态性能和信噪比低等问题。为此，有学者提出利用神经网络来实现位移自检测，但神经网络还存在依赖样本数据、易陷入局部**值等缺陷。而支持向量机方法具有不依赖对象模型，结构简单，泛化能力强等优点，非常适合解决小样本、非线性及高维函数拟合问题，在磁轴承位移预测建模与转子位置估计中具有广泛的应用前景，且具有较高的预测精度。

虽然无传感器磁轴承的种类繁多，但目前没有形成统一的参数设计方法、建模方法及控制系统设计规范的规律可循。未来研究重点应集中在针对无传感器磁轴承进行统一分类、且应逐步形成比较规范的通用参数设计、建模方法及控制平台的搭建规律。成熟统一的无传感器磁轴承产品若实现量产，可以更好地实现低能耗、低成本的磁轴承的社会需求。原因如下：

● 传感器的消失可使转子的径轴向尺寸变小，尤其轴向尺寸上的精简可大大提高系统的动态性能；

● 磁轴承系统的成本很大部分取决于传感器，且其受环境影响**强、**易发生零点漂移及机械故障，无传感器磁轴承的开发与应用可大大提高磁轴承系统的可靠性，降低整体系统成本；

● 有传感器磁轴承系统中采集转子位移信号时，需要解决由于安装位置导致的耦合性问题。尤其对于径向对称安装的磁轴承来说，为了增加测量的精确性，增加了传感器的个数且增加了成本。而对于非对称安装的传感器来说，由于非对称安装导致位移采集算法上需要精确解耦，增加了控制器设计的难度，而无传感器磁轴承恰无此类问题。综上所述，研究在无传感器下的磁轴承的参数设计、数学模型、控制系统设计及控制系统平台的搭建是需要进一步解决的问题。

高速、高精、低能耗、低成本对磁轴承系统是需要迫切解决的关键问题，未来对磁轴承系统的发展要求仍是确保磁轴承系统的精度、速度更高，且功耗和成本更低。

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