磁懸浮軸承——電力電子在高速旋轉機械領域的應用

電動機想必大家都有所了解，轉子“呼呼呼”旋轉，帶動工業的發展。在工業和國防領域，旋轉機械是最重要的動力來源。無論是重工業中飛機發動機、船舶螺旋槳推進、汽車高鐵的動力系統，還是生活里中央空調的壓縮機，這些裝置中都能看到旋轉機械的身影。而在旋轉機械中，軸承是一個非常關鍵的部件，它對旋轉機械中的轉子起到支撐作用。如果沒有軸承，轉子是無法在一固定位置自由旋轉的。

軸承在工業和國防的重要性無可替代。在第二次世界大戰中，德軍迅猛的閃電戰術依靠的大量戰斗機與坦克，都離不開各類旋轉機械中的滾珠軸承。英美盟軍為遏制德軍，采用了大規模空襲的方法，對施韋因富特的德國滾珠軸承廠進行打擊，造成了德軍裝備軸承的嚴重短缺，直接影響了德軍的作戰能力，對戰局帶來了重要的影響。

圖1.盟軍轟炸德國滾珠軸承廠（來自網絡）

目前工業界最廣泛應用的是軸承類型是滾珠軸承。采用低摩擦的滾珠實現接觸式支承。此外，滾珠軸承還需要加入潤滑油進一步減少摩擦。但隨著轉速的提升，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。另外在很多應用場合，為保證環境潔凈度，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，另外兩種機械軸承被發明出來。一種就是箔片軸承（Foil Bearing），旋轉中箔片與轉軸中形成膜，可以脫離接觸。另一種是氣浮軸承，在軸承中通入壓縮氣體。當轉子旋轉到一定轉速也可以實現與定子脫離接觸。這兩種方法相比于傳統接觸式的滾珠軸承具有高速運行條件下摩擦小的優點。但是一般都只適用于高速，且工藝也較為復雜，目前主要使用在特殊應用場景。

圖2.典型的幾種機械軸承（圖片來自網絡）

與上述機械軸承不同，近年來發展起來的磁懸浮軸承采用可控電磁力實現對轉子的無接觸支承，可以適應從靜止到高速的寬轉速范圍應用，且具有不加潤滑油、無接觸摩擦等優點。因此，磁懸浮軸承成為各類高端裝備中旋轉機械支承的新一代“領銜主演”

下方左圖展示了一個典型的磁懸浮軸承的實物，本質就是一個電磁機構，通過產生可控的電磁力來實現懸浮。磁懸浮軸承的原理結構圖如下方右圖所示，主要結構包括控制器、傳感器、功率放大器（驅動器）、繞組等。高端的裝置，但其原理并不復雜。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，兩側繞組通過電流產生電磁力均能吸引轉子。在一定的平衡狀態下，兩側電磁力正好與這一軸的其他力平衡，轉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定系統：當轉子受到干擾向一側偏移時，該側氣隙減小，磁吸引力增大。此時如果沒有快速準確的電流控制，轉子終會被這一側電磁力吸引到極限位置，懸浮必然失效。

因此，磁懸浮軸承系統的電流需要根據轉子此時的位置動態調節，比如轉子偏下方時，上方電流需要增大，下方電流需要減小，上下兩側電磁力的差值將轉子向上“托舉”。動態調節實現的前提就是位置檢測要足夠快，且需要準確到檢測微米級的微小位移。電流指令（小信號）是由控制器獲知當前轉子位置后做出的“決策”信號。有了“決策”信號，接下來需要“決策”的執行了。執行這一步呢，可以理解為將電流指令這一“比特世界”的量，變成繞組中真實的電流，該環節正是功率放大器的任務。產生的真實電流在繞組中流通后，電磁力將施加至轉子，轉子位置會發生變動。傳感器再次采集轉子位置信息，交由控制器產生電流指令，功率放大器產生真實電流，電磁力調整轉子位置。如此往復循環，形成“閉環控制”，使得轉子動態地懸浮在預期的位置。

事實上，圖3是只有上下方位受控制的磁懸浮軸承原理示意圖，真正的旋轉機械應用中，轉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示意圖。為了支承轉子，兩側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，轉子外圍往往配備機械保護軸承。保護軸承主要用于轉子失穩跌落時支撐轉子，防止出現電磁機構等損壞，同時也用于在系統停機后對轉子進行支撐。為了實現良好的支撐特性，磁懸浮軸承系統的控制是至關重要的。

圖4.五自由度磁懸浮軸承

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科交叉的領域，包括了力學，電磁學，傳感器和信號處理，控制理論，以及電力電子技術等知識。其中，以電力電子技術為基石的功率放大器是磁懸浮軸承控制中一個重要的環節，是實現控制器中的“比特世界”轉化為真實電流的執行機構。

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要求。首先是響應速度要足夠快，這樣才能很快響應位置波動；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定；變換器還需要低損耗高效率，保證散熱滿足要求；進一步的，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，當器件故障失效的條件下，能繼續保持穩定懸浮，避免機組損壞等安全事故。

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。實際上，它們之間存在著較復雜的數學關系。為提高在電磁鐵中電磁力關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定工作點。在此基礎上根據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，電磁力的方向與極性無關。因此通入不同方向的電流，相當于形成N/S極端面向鐵磁物質，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，而我們日常接觸較多的交流電機，其電磁力與電流方向有關。上述特點是磁軸承電力電子控制器與交流電機控制器原理上的主要區別。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生的電磁吸力使轉子懸浮在中心位置，圖5（b）為交流電機，在各個繞組中通入交流電流，產生的磁場在空間中旋轉，其力矩帶動轉子旋轉。

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)）；如果開關管關斷，繞組電流將通過反并聯二極管反向接入直流母線，使負母線電壓加載在繞組上，繞組電流快速下降（圖6 (b)）；如果一個開關管導通而另一個關斷，繞組電流則通過開關管與反并聯二極管續流，加載在繞組上的電壓接近零，繞組電流接近平穩（圖6(c)）。磁軸承系統在以(a)(b)為主要模態下能實現較高的動態性能，在以(c)為主要模態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”橋臂結構，通過開關管Sa與Sb的開通與關斷，可以實現圖6中各種模式的基本組合，實現電流的快速控制。從電壓的角度來看，可認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的電位，此結構被稱為“共橋臂”結構。與“半橋”結構相比，采用“共橋臂”結構時，每個自由度所需開關器件可減少，同時節省了開關器件的驅動電路等電氣裝置，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撲結構

之前提到，磁懸浮軸承的電磁力與電流方向沒有關系，正向和反向的電流均能實現相同的電磁力，這樣的特性為故障下實現容錯控制提供了新的思路。在電力電子電路中，開關器件開路故障以及門極驅動信號丟失、門極驅動電路損壞是經常遇到的問題。當上述故障發生時，如果恰好轉子處于高速運轉狀態下，那么轉子必將發生高速跌落，發生撞擊磨損甚至擊毀機組結構等嚴重的安全事故。因此需要及時且精準地自動判斷故障發生，并且采取相應的措施確保轉子的不跌落運行。

幸運的是，現如今市場上基于全橋結構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）所示的結構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”結構的疊加。正常狀態下，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；當開路故障發生時，兩個繞組電流之和小于兩倍偏置電流，以此為判斷依據檢測故障發生；控制器判斷故障發生后，發出切換指令，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。基于以上機制，實現了開關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

在電力電子技術的推動下，磁懸浮軸承的技術日趨成熟，也開始廣泛應用于各行各業。較早將磁懸浮軸承技術進行應用的案例為法國軍方在1972年將磁懸浮軸承技術應用于衛星的姿態控制[1]。此后，磁軸承在航空航天領域的應用逐漸增多，并拓展至其他領域。目前主要的應用場合有：

（1）高速電機：磁懸浮軸承可以避免轉子旋轉時的摩擦與碰撞，轉子容易獲得較高轉速。一個典型的案例是：2021年2月，美國Calnetix Technologies 公司開發了高速在線磁懸浮風機和雙控制器產品，并將其應用于NASA下一代二氧化碳去除系統[2]。

圖9.磁懸浮高速電機（來自網絡）

（2）離心式壓縮機：壓縮機是空調機組的核心旋轉機械，磁懸浮軸承可以替代傳統軸承的潤滑劑及潤滑裝置，對壓縮機制冷劑無污染。此外，磁懸浮軸承可以提高壓縮機的運行效率，可節能48%左右。目前各大空調公司均有應用了磁懸浮軸承的壓縮機產品。代表企業主要有丹佛斯，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產品[3]。

圖10.磁懸浮中央空調機組（來自網絡）

（3）飛輪儲能：飛輪儲能的工作原理是利用電能驅動飛輪旋轉，將電能轉化為機械能儲存起來，當需要將電能釋放時，飛輪減速，機械能轉化為電能。能量的存儲和輸出是通過飛輪的加速和減速實現的。飛輪快速旋轉，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過程中的機械損耗，提高能量轉換效率。2019年7月份，在北京地鐵廣陽城站，應用了磁懸浮軸承技術的兆瓦級飛輪儲能裝置正式實現了商用，填補了國內應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域的空白[4]。

圖11.磁懸浮飛輪儲能系統（來自網絡）

（4）人工心臟泵：心臟泵血功能的喪失或衰竭會使人體產生嚴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與人工心臟泵結合，為人體血液循環提供動力，而磁懸浮的無接觸支撐優勢可以避免傳統軸承對于血細胞的破壞，同時有效降低病人的心肌耗氧量，促進病人心臟機能恢復。2021年7月，華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院為31歲心衰患者施行體外磁懸浮人工心臟輔助手術，并于12天后成功實施心臟移植手術，是國內首個“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（來自網絡）

除上述典型應用外，磁懸浮軸承技術還被應用于衛星姿態控制，電主軸機床加工等領域。磁懸浮軸承是未來智能機械的重要組成部分，具有無摩擦、無碰撞、不需潤滑、可主動控制等優勢。筆者相信磁懸浮軸承必將在工業、國防、醫療等領域扮演更為重要的角色。