磁軸承在船舶推進軸系振動控制中的應用現狀與展望

祁立波,周 瑾,余 越,林長剛

（1.中國船舶科學研究中心,江蘇 無錫 214082;2.深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇 無錫 214082;3.深海技術科學太湖實驗室,江蘇 無錫 214082;4.南京航空航天大學,南京 210016）

0 引 言

機械噪聲、水動力噪聲、螺旋槳噪聲是船舶的三大噪聲源。螺旋槳噪聲包括其直發聲及螺旋槳非定常力通過軸系激勵船體產生的耦合振動噪聲。正常航速工況下，水動力噪聲和螺旋槳直發聲還不明顯，因此，隨著機械噪聲控制技術的不斷成熟，螺旋槳非定常力引起的推進軸系激勵船體產生的振動噪聲越來越突出。我國最先進的水下船舶通過正常航行和同航速停車滑行工況對比分離，實測數據表明船舶推進軸系振動噪聲是主要噪聲分量，約占總噪聲能量的70%以上，是進一步降低我國船舶噪聲水平的控制重點。船舶推進軸系通過徑向軸承和推力軸承與船體相連，如圖1 所示。船舶推進軸系振動噪聲包括徑向軸承處橫向激勵和推力軸承處縱向激勵船體產生的耦合振動噪聲。正常情況下，縱向激勵引起的振動噪聲為主要分量，橫向激勵引起的也不可忽略。

圖1 某船舶推進器-軸系-船體示意圖Fig.1 Propeller-shaft-hull coupled system

針對船舶推進軸系振動噪聲，研究人員已開展了豐富的研究[1-5]，并應用了低噪聲推進器、軸系縱向減振器、軸系動力吸振器等多種控制措施[6-7]，取得了一定的控制效果，但仍未達到顯著降低的程度。隨著船舶探測手段向極低頻發展，船舶噪聲控制也需向極低頻拓展，其技術難度更大。為突破船舶推進軸系振動噪聲控制技術瓶頸，需要打破傳統控制思路的束縛，研究廣泛的多學科融合的控制手段。

磁軸承，又名磁懸浮軸承，其工作原理如圖2所示。磁軸承系統[8]包括轉子、定子、傳感器、控制器和功率放大器。定子由電磁鐵組成，轉子懸浮在按徑向對稱放置的電磁鐵所產生的磁場中。通過傳感器監測轉子的位置變化，借助控制系統校正通過電磁鐵的電流，從而控制電磁鐵的磁力，使轉子在穩定平衡狀態下運轉。根據磁力的提供方式，磁軸承可分為：（I）有源磁軸承，也稱主動磁軸承，磁場是可控的，通過檢測被懸浮轉子的位置，由控制系統進行主動控制實現轉子懸浮，如圖2 所示；（II）無源磁軸承，也稱被動磁軸承，以永磁體或超導體實現對轉子部分自由度的支承；（III）混合磁軸承，包含了電磁體和永磁體或超導體。磁軸承的主要特征是無接觸微振動、高精度低功耗、無需潤滑、可實時進行主動控制。磁軸承的特征使其在航天姿態控制、航空發動機渦輪泵、電機主軸等穩定性、精度和振動特性要求較高的高轉速、低載荷系統振動控制中首先得到較多的應用[9]。隨著一些高轉速、重載荷系統對穩定性、精度和振動特性的要求越來越高，磁軸承在高轉速、重載荷系統的振動控制中也逐漸得到了應用。近年來，磁軸承在高溫氣冷堆氦風機、氦氣輪機中的使用取得進展[10-12]。某氦風機[10]轉子結構如圖3 所示。某氦氣輪機[11]軸向磁軸承的設計承載力達9.8 kN，氣隙為0.7 mm；徑向磁軸承的設計承載力達1.96 kN，定轉子間氣隙為0.6 mm。隨著磁軸承技術的發展和對船舶低轉速、重載荷的軸系振動噪聲控制的迫切需求，磁軸承應用在低轉速、重載荷系統振動控制中成為可能。

圖2 磁軸承原理圖Fig.2 Operating principle diagram of magnetic bearing

圖3 某氦風機轉子結構圖[10]Fig.3 Structure diagram of helium fan rotor[10]

采用徑向磁軸承和推力磁軸承控制低轉速、重載荷的船舶推進軸系振動噪聲具有廣闊的前景：

（1）控制軸與徑向軸承相對位置，避免軸與軸承的接觸，從根本上消除軸與軸承的摩擦激勵。

（2）推力磁軸承的縱向剛度可以根據需求隨時進行大范圍的參數設計調整，一方面，可實現船上目前采用軸系縱向減振器達到的降低軸系縱向安裝頻率，控制槳軸系統對船體的縱向非定常激勵力的目的；另一方面，可通過縱向剛度的調整，改變本船“聲紋”特征，降低我方船舶被敵方識別的風險。

（3）通過磁軸承測量-反饋的主動控制系統，可對軸系進行力的補償，將軸系對船體的激勵力控制在較小的幅值范圍內，顯著降低軸系激勵船體引起的振動噪聲。

1 磁軸承研究現狀

1.1 國外磁軸承研究

上世紀60 年代初，美國首先在空間制導和慣性輪上成功地使用了磁軸承。90 年代末，美國成功研制了能夠在510 ℃高溫下工作的磁軸承系統。隨后，磁軸承在航空發動機渦輪泵、各類定位系統、驅動機械裝置、空間飛行器姿態控制系統、電機主軸等裝置上獲得了大量應用。

1969 年，法國開始對磁軸承進行研究，并在1972 年將第一個磁軸承用于衛星導向輪的支承上。1986 年，日本在火箭上進行了磁軸承飛輪的空間實驗。各航天強國都對磁軸承的研究與制造開展了大量的工作。目前國外能夠實現磁軸承的制造和應用的公司主要有美國的NASA 和Waukesha、法國的S2M、日本的精工、瑞士的MECOS、德國的LEViTEC，以及加拿大的REVOLVE等。

Sortore 等[13]對傳統的主動型磁軸承與混合型磁軸承的功率損耗進行了對比，其研制的轉速達23000 r/min 的磁軸承電機系統的運行結果表明，采用傳統的全電磁型磁軸承支承時系統的功率損耗為500 W，而采用混合型磁軸承支承時系統的功率損耗僅為207 W。

Honeywell 發動機系統公司、REVOLVE 磁軸承有限公司及美國空軍實驗室聯合成功研制了功率為250 kW、轉速達42 000 r/min 的開關磁阻電機起動發電系統，該系統采用了兩個混合型徑向磁軸承來實現轉軸徑向四個自由度懸浮，采用一個全電磁型軸向磁軸承來實現轉軸軸向自由度的懸浮[14]。

Rao 等[15]分別研究了磁軸承的動態和靜態剛度，并提出了基于此兩種剛度的磁軸承的設計準則。Nataraj等[16]通過對八極式的磁軸承的理論建模，分析得到了與控制算法無關的電磁力計算公式，得出了電磁力與位移交叉耦合的結論。

Said等[17]研究了磁軸承轉子與定子動態力，并進行了軸系的臺架實驗，如圖4～5所示，理論預報結果與實測結果吻合較好；Singh等[18]開展了主動磁軸承在轉子疲勞裂紋檢測方面的應用研究；Salet等[19]開展了主動磁軸承轉子與定子接觸相關的測量與檢驗研究。

圖4 某軸系臺架磁軸承[17]Fig.4 Magnetic bearing of a shafting bench[17]

圖5 磁軸承軸與軸承動態力示意圖[17]Fig.5 Dynamic forces of shaft and magnetic bearing[17]

1.2 國內磁軸承研究

我國從上世紀80 年代開始磁軸承的研究。目前國內許多科研院校，如清華大學、南京航空航天大學、武漢理工大學、上海大學、國防科技大學、浙江大學、山東大學、北京航空航天大學、西安交通大學和江蘇大學等都在開展磁軸承方面的研究。

1988年，陳易新等[20]研究了主動磁軸承機床主軸控制系統數學模型，這是國內首次對主動磁軸承全懸浮機床主軸從結構到控制進行的系統研究；1989年，楊泉林等[21]采用狀態反饋原理探討了磁控制的多自由度解耦問題；高振金等[22]利用磁荷庫侖定律對磁軸承的徑向磁力做了分析和計算，提出的方法更易于理解；1994 年，吳國慶等[23]在機電與控制實驗室成功研制臥式五自由度磁軸承系統，轉速高達53200 r/min。

梅磊[24]對三種混合型磁軸承（軸向、徑向、軸向-徑向）具體的參數設計與優化方法進行了研究，在對其拓撲結構與磁場分布進行分析的基礎上，以最大懸浮力為設計目標，以軟磁材料內部磁場不飽和為約束條件，以體積最小為優化目標，推導出了其軟磁材料、永磁材料及控制繞組的參數設計與優化公式，并以MATLAB為基礎開發出了界面友好、操作簡單的混合型磁懸浮軸承參數設計與優化軟件。

近期，周瑾等[25]提出了一種主動磁軸承的剛度和阻尼參數識別方法，針對如圖6 所示的磁軸承實驗平臺，進行了數值計算和模型實驗。仿真結果和測量結果的一致性驗證了該識別方法的有效性。金超武等[26]研究了實際運行工況對主動磁軸承剛度和阻尼參數的影響，并進行了實驗驗證；徐園平等[27]開展了主動磁軸承作為激振器在缺陷檢測和故障診斷領域的應用研究；王俊亭等[28]開展了徑向磁軸承動態剛度系數特性及X和Y方向的耦合研究。

圖6 某磁軸承軸系臺架[25]Fig.6 Shafting bench of magnetic bearing[25]

國內能夠實現磁軸承的制造與應用的公司主要有天津飛旋科技有限公司和南京磁谷科技有限公司等。天津飛旋科技有限公司以清華大學為技術后盾，在國內率先成功研發了一種適用于集成電路裝備應用的五自由度控制分子泵磁軸承，并在2007年8月成功研制了國內首個具有完全自主知識產權的磁分子泵。飛旋公司某電機磁軸承如圖7所示。另外，南京磁谷科技有限公司依托南京航空航天大學磁應用技術研究所的科研力量，成功完成多型大功率高轉速驅動設備和高速高效一體化流體機械設備，其自主研發的國內首臺磁離心鼓風機在污水處理廠成功連續運行。

圖7 飛旋公司某電機磁軸承Fig.7 Magnetic bearing for motor of Emaging Company

2 船舶推進軸系振動控制中的磁軸承研究

2.1 國外船舶推進軸系磁軸承研究

上世紀60 年代國內外對船舶推進軸系磁軸承開展了豐富的相關研究，但能查閱的公開資料較少。上世紀80年代美國弗吉尼亞大學Lewis等[29-30]開展了船舶推進軸系推力磁軸承研究，其推力磁軸承方案如圖8所示。推力磁軸承采用經典的控制理論，取得了顯著的控制效果，并分析了推進器質量等參數對控制系統的影響規律。設計并建立了船舶推進軸系的試驗模型，對理論進行了驗證。試驗結果表明，通過磁軸承主動控制系統的有效調節，軸系產生的激勵力幅值能夠降低一個數量級。

圖8 推力磁軸承方案[29-30]Fig.8 Propulsion system with magnetic thrust bearing[29-30]

法國海軍學校研究所Charpentier 和Fadli 等[31]利用永磁軸承通過非接觸方式傳遞電機扭矩，以保持螺旋槳軸向位置，并對兩類典型結構進行了研究，提出了基于磁力理論的半解析模型，驗證了磁軸承的控制效果。

Bompos 等[32]研究了一種磁流變液作為軸系軸承的智能潤滑劑，分析了磁流變液和非磁流體阻尼器對軸系振動特性的影響，發現磁流變液能夠有效降低軸系縱向振動幅值近80%。

Kim 等[33]分析了機械或裝配誤差對磁軸承軸系振動特性的影響。磁軸承主動控制系統需要充分考慮軸系的安裝精度，有利于精確控制磁軸承的間隙，使得磁軸承控制系統具有更高的穩定性。

Norihisa 等[34]分析了汽車發電機軸系磁軸承的振動特性。發電機軸系與船舶推進軸系類似，都具有旋轉葉片和主軸。分析了葉片的固有頻率與軸本身的固有頻率對軸系耦合振動特性的影響。指出在軸系的設計中，應綜合考慮葉片的固有頻率。

巴斯大學[35]為了控制船舶推進器產生的激勵力傳遞到船體，提出采用磁軸承對推進器傳動軸進行軸向振動隔離，并進行了仿真分析，給出了控制效果。

波蘭格但斯克工業大學[36]將Halbach 結構的混合磁軸承應用于船舶推進器，試驗結果表明，磁軸承不僅能夠提供較高的支承剛度，還避免了傳統軸承帶來的高額維護成本。

2.2 國內船舶推進軸系磁軸承研究

國內關于磁軸承在船舶機械設備等振動控制中的應用已開展了部分研究[37-43]，關于磁軸承在船舶推進軸系振動噪聲控制中的研究剛起步。傳統的磁軸承控制系統以軸系運轉穩定，即軸心軌跡區間范圍最小為控制目標，而船舶推進軸系用磁軸承綜合控制方案以軸系對船體的激勵力最小為綜合優化的控制目標。磁軸承控制系統可以通過測量反饋，不斷調整支承剛度，控制軸心軌跡在較大的區間范圍內，以獲得軸系對船體激勵力最小的控制目標。軸心軌跡區間范圍的限制不影響軸系正常運轉功能即可。

海軍工程大學王東等[44]對船用磁軸承關鍵技術與發展進行了總結，指出了船舶適應性、可靠性和低承載力密度是制約船用磁軸承發展的難點。同時指出，減振降噪是未來船用磁軸承重要技術方向之一。

楊志榮[45]開展了基于磁流變彈性體的艦船軸系縱向振動的半主動控制研究，利用磁流變彈性體設計了一款磁流變彈性體半主動式動力吸振器對推進軸系縱向振動進行振動控制，并進行了實驗研究，如圖9所示，驗證其移頻特性和吸振效果。

圖9 推進軸系和磁流變彈性體動力吸振器[45]Fig.9 Propulsion system with magnetic dynamic vibration absorber[45]

上海交通大學覃會等[46]針對推進軸系引起的結構振動噪聲問題，提出可以描述電磁軸承的計算模型，分析不同轉速下的力傳遞特性，減小螺旋槳振動通過軸系向殼體傳遞。

海軍工程大學[47]提出了基于磁軸承的船舶動力設備及推力軸承集成隔振系統，并進行了仿真分析，得到了顯著的控制效果。海軍工程大學李賀等[48]開展了船用永磁推力軸承軸向承載特性研究，針對一種新的徑向磁化永磁推力軸承，使用虛位移法及線性疊加原理，得出了新型永磁推力軸承的數學解析模型。模型表明，在小間隙工況下，軸向承載力隨氣隙的增大而減小；間隙固定時，軸向承載力隨軸向位移增加先增大后減小，存在最大承載力。并利用有限元法對軸向磁力進行仿真計算，仿真結果與解析結果基本吻合。

近期祁立波和周瑾等開展了磁軸承軸系臺架試驗研究，驗證了磁軸承對船舶推進軸系引起的船體振動的控制效果。比較磁軸承采用傳統PID 控制和采用新型力補償主動控制兩種工況軸系臺架軸承上的加速度響應，驗證采用磁軸承主動控制后，軸承處加速度響應顯著減小。磁軸承軸系臺架如圖10～11所示。以軸系對軸承的激勵力最小為控制目標，即軸承處加速度響應最小。軸系臺架同時包含徑向軸承和軸向軸承。加速度傳感器分別安裝在左右磁軸承座的上方測量振動。采用電磁激振器進行外部激振，如圖12所示。

圖10 磁軸承軸系臺架試驗圖Fig.10 Test of a shafting bench of magnetic bearing

圖11 磁軸承軸系臺架轉子示意圖（轉子質量14.56 kg，轉子長度1.003 m）Fig.11 Rotor for the shafting bench of magnetic bearing(14.56 kg,1.003 m)

圖12 激振器激勵工況Fig.12 Excitation condition

對比采用傳統PID 控制方法與軸向陷波（軸向補償）和徑向軸向陷波（徑向和軸向同時補償）對基座振動的影響。轉速取2000 r/min，激勵為2000 Hz 單頻激勵，試驗結果如圖13-15所示。2000 Hz處加速度響應變化見表1。從圖中可以看出，相對于傳統磁軸承PID控制工況，磁軸承進行軸向補償時，X、Y、Z方向基座處加速度響應分別降低約0.7 dB、1.9 dB、2.5 dB；軸向與徑向同時補償時，X、Y、Z方向基座處加速度響應分別降低約9.4 dB、11.5 dB 和8.1 dB。磁軸承軸系臺架振動初步試驗充分驗證了磁軸承振動控制效果，表明磁軸承應用到船舶推進軸系振動控制中無顛覆性技術風險。

圖13 不同控制方法X方向加速度響應比較Fig.13 Acceleration of X-direction under different control methods

圖14 不同控制方法Y方向加速度響應比較Fig.14 Acceleration of Y-direction under different control methods

圖15 不同控制方法Z方向加速度響應比較Fig.15 Acceleration of Z-direction under different control methods

表1 基座處加速度響應比較（dB，參考值1× 10-6m/s2）Tab.1 Acceleration of the bases for magnetic bearings(dB,ref:1× 10-6m/s2)

3 總結與展望

隨著磁軸承技術的發展和對船舶振動噪聲控制的迫切需求，磁軸承應用在船舶振動噪聲控制中成為可能。國內磁軸承在船舶推進軸系振動噪聲控制中的應用研究剛剛起步，國內多家單位已開展磁軸承在船舶推進軸系振動控制應用中的相關研究，尤其是海軍工程大學已開展了相關的試驗研究，磁軸承在軸系振動控制中應用已不存在技術障礙。關于磁軸承在船舶推進軸系振動控制應用中相關的控制方法已開展傳統的PID 控制方法相關研究。經磁軸承軸系臺架振動控制效果試驗驗證，磁軸承對軸系進行徑向力和軸向力補償后，能夠顯著降低軸系引起的軸承處振動。磁軸承在船舶推進軸系減振降噪控制中的應用有著較為廣闊的前景，未來對船舶推進軸系用磁軸承的研究可以主要聚焦在以下方面：

（1）適用于船舶推進軸系的磁軸承綜合控制系統：相較于傳統軸承系統，船舶推進軸系具有重載、低轉速等特點，推進軸系重載的支承、非定常激勵力的控制、軸系支承點相對位移變化對軸系振動影響規律，形成船舶推進軸系振動噪聲磁軸承控制技術。

（2）重載荷磁軸承空間布置及散熱問題：船舶推進軸系一般需要提供數十噸的推力及支承力，對磁軸承的承載能力提出了較高的要求，需要對磁軸承承載力密度、優化軸系結構形式等方面進行研究。

（3）復雜工況下重載荷磁軸承失效保護，可靠性問題：作為船舶推進系統的組成部分，須具有在復雜環境中正常運行的能力，針對外部風浪、航速以及艙內高溫、高濕等因素的影響，提出相應的控制方法及系統冗余設計，提高磁軸承系統可靠性，并通過輔助軸承等手段，使磁軸承失效后仍能暫時保持推進系統正常運轉。