機械加工誤差對主動磁懸浮軸承性能的影響探究

董如昊，魏志韜，鄧 艷

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

現階段，主動磁懸浮軸承已經從實驗階段逐漸過渡到了實際應用階段，在工業設備領域發揮著關鍵作用。這種軸承系統本身的可靠性處于較高水準，且具備可觀的工作周期和工作壽命。不過，在主動磁懸浮軸承系統運行期間，機械加工誤差對主動磁懸浮軸承系統會產生較大影響，有必要針對這項內容分析系統性能的影響機理，切實優化主動磁懸浮軸承系統運行性能，擴大應用范圍。

1 主動磁懸浮軸承概述

1.1 主動磁懸浮軸承

作為一種頗具代表性的機電一體化產品，主動磁懸浮軸承（Active Magnetic Bearing, AMB）亦被稱作磁力軸承、電磁軸承、磁軸承。涉及的綜合技術包括數字信號處理技術、測試技術、磁性材料、控制工程技術、電工電子學技術、機械學技術以及轉子動力學技術等。主動磁懸浮軸承不涉及機械接觸的情況，在運行期間呈現出無需潤滑處理、無磨損、無摩擦的情況，達成轉子運轉過程的高速化。一般來說，轉子材料類型及材料強度是對轉子轉速產生影響的主要因素。主動磁懸浮軸承還具備噪聲極小、功率消耗水平極低的優點，可以在多種復雜化的環境之中進行有效應用，本身具備較強的適用性。主動磁懸浮軸承的明顯優勢還體現在能夠依托控制系統實時化監測轉子的運行狀態，實現在線評估不平衡情況，在此基礎上采取主動控制的形式整改不平衡情況，主動磁懸浮軸承的轉子系統將會保持較高的精度水平。同時，相較于氣體軸承、油膜軸承以及傳統滾動軸承而言，主動磁懸浮軸承的優越性更加明顯。

1.2 主動磁懸浮軸承系統構成

主動磁懸浮軸承系統由功率放大器、傳感器、電磁鐵、轉子以及控制器等構成。占據核心地位的是控制器，主動磁懸浮軸承整體性能在很大程度上是由控制器所決定的。同時，主動磁懸浮軸承的穩定性、阻尼以及動態性能，均會受到控制器的直接影響。一般來說，應用到主動磁懸浮軸承系統中的控制器存在兩種形式，分別是數字控制器和模擬控制器。就現階段我國所使用的主動磁懸浮軸承系統來看，當選用模擬控制器時，盡管可以在一定程度上滿足系統穩定性的要求，不過相較于數字控制器而言，這種控制器本身存在著較為明顯的缺陷：1）體積較大，功耗大；2）互換性較差，在應用期間，當主動磁懸浮軸承不同時，控制器需要進行相應的調整；3）無法達到同時控制兩個及兩個以上自由度的目標；4）應用期間無法實現便利調節，難以做到復雜化控制。

出于拓寬主動磁懸浮軸承應用范圍的目的，需要有效規避模擬控制器在線調節性能不佳情況，對于主動磁懸浮軸承而言，數字化控制器才是最為主要的發展方向。同時，在未來的發展中，還應當不斷致力于主動磁懸浮軸承系統的智能化發展。數字化控制器一方面能夠促使主動磁懸浮軸承系統朝著智能化、網絡化的方向發展，另一方面還能夠實現控制器柔性、可靠性的提升，控制器功耗降低和體積的減小。

2 主動磁懸浮軸承原理

主動磁懸浮軸承在運轉時主要是依托于磁力作用，使得轉子得以在空中懸浮，定子與轉子之間并不存在機械接觸[1]。主動磁懸浮軸承的工作原理是通過磁浮線和軸芯的平行、磁浮線與磁感應線的垂直作用，使得轉子能夠始終在運轉軌道上固定，依托于幾乎不存在負載的軸芯在磁浮線方向來回往返，實現頂撐轉子，使之處于懸空狀態并在運轉軌道上固定的目標。本次研究中的主動磁懸浮軸承工作原理為差動方式，且在轉子兩側存在兩個徑向磁懸浮軸承。在主動磁懸浮軸承系統之中，每個徑向磁懸浮軸承定子之中存在4 對磁極，處于相對狀態的兩對磁極將會組成差動結構，使得轉子在運轉軌道運動的過程中感受到雙向電磁力，單個徑向磁懸浮軸承能夠控制轉子的兩個自由度，且在轉子各個自由度方向之中，均進行了位移傳感器的安裝，從而實現對轉子在對應方向上位移進行檢測的目的。圖1 為單自由度層面徑向磁懸浮軸承的工作原理。

圖1 單自由度層面徑向磁懸浮軸承工作原理

在圖1 中，圓形所代表的為轉子，其兩側存在的物體即為兩對磁極，這兩對磁極共同構成了單個自由度的差動結構[2]。如圖1 所示，如果轉子在x軸方向與平衡位置偏離，且偏離值為x1，在這種情況下，依托于位移傳感器的作用，控制系統能夠有效監測轉子出現的位置偏移情況，同時生成相應的電流ic予以控制。此時，正磁極和負磁極這兩項內容之間存在的差異數值即為轉子的受力，其中，正磁極為圖1 中的i+，表示為：

式（1）中，i+所表示的含義為正磁極；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流，該式表示正磁極為這兩項內容之和。

另外，負磁極為圖1中的i-，表示為：

式（2）中，i-所表示的含義為負磁極；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流，該式表示負磁極為這兩項內容之差。

在對轉子在x方向所接受的磁力進行計算時，可以使用如下公式：

式（3）中，Fx1所表示的含義為主動磁懸浮軸承系統中轉子在x方向所接受的磁力；Fx1+所表示的含義為主動磁懸浮軸承系統中轉子在x方向所接受的正磁極磁力；Fx1-所表示的含義為主動磁懸浮軸承系統中轉子在x方向所接受的負磁極磁力；μ0所表示的含義為真空磁導率；A所表示的含義為徑向磁極面積；Ir0所表示的含義為偏置電流；ic所表示的含義為控制電流；n所表示的含義為單個磁極線圈的匝數；gr0所表示的含義為主動磁懸浮軸承系統中轉子處于平衡狀態時存在的單邊氣隙；φ所表示的含義為關于磁極結構的角度，此處取22.5°。

主動磁懸浮軸承系統中轉子在x方向所接受的磁力能夠使得轉子重新恢復平衡狀態，將偏離情況進行糾正。在軸承系統處于正常運轉期間，轉子會處于其平衡狀態所在范圍周邊較小區間，降低主動磁懸浮軸承控制系統設計煩瑣程度，當控制電流為0 且x也為0 時，對式（3）進行簡化，整合之后可得如下公式：

式（4）中，ki所表示的含義為電流剛度；kx所表示的含義為位移剛度。

3 主動磁懸浮軸承系統裝配誤差檢測原理

通常情況下，主動磁懸浮軸承系統本身的結構呈現出較為明顯的煩瑣性、復雜性特征，若想實現直接測量誤差面臨較大的難度，不僅如此，主動磁懸浮軸承系統的定子和轉子之間如果存在氣隙，也會使得轉子安裝狀態無法直觀地呈現出主動磁懸浮軸承系統本身存在的裝配誤差[3]。一般來說，當主動磁懸浮軸承系統處于懸浮狀態時，徑向磁懸浮軸承工作電流是反映存在的裝配誤差的主要載體，正因如此，在分析主動磁懸浮軸承系統的裝配誤差時，能夠依托于對系統工作過程中徑向磁懸浮軸承線圈電流進行分析的形式實現這一目的。就近年來的主動磁懸浮軸承裝配調制現狀而言，徑向磁懸浮軸承定子不同軸、軸向磁懸浮軸承定子裝配誤差以及推力盤垂直度誤差是具體的主動磁懸浮軸承系統中能夠產生較大程度影響的幾個主要因素。基于這種情況，在檢測主動磁懸浮軸承系統的裝配誤差時，通常是檢測上述三種誤差的相位和大小。

在具體開展檢測工作的過程中，第一步應當先使得主動磁懸浮軸承系統中的軸向磁懸浮軸承處于靜止狀態，而系統中的兩個徑向磁懸浮軸承則處于工作狀態，將系統轉子進行緩慢的轉動，測量每一個徑向磁懸浮軸承線圈工作電流中的直流分量和幅度、交流分量和幅度，并詳細記錄測得的結果，記錄為狀態一[4]。第二步使得主動磁懸浮軸承中的軸向磁懸浮軸承和徑向磁懸浮軸承均處于工作狀態，并將系統轉子進行緩慢轉動，測量每一個徑向磁懸浮軸承線圈工作電流中的直流分量和幅度、交流分量和幅度，并詳細記錄測得的結果，記錄為狀態二。第三步計算所記錄的狀態二中的數值相較于狀態一中的數值出現的增量，應當明確的是，之所以會產生數值增加的情況，根本原因即為相較于狀態一下的系統運行狀況，狀態二之中加入了軸向磁懸浮軸承的運動。這種情況表明了徑向磁懸浮軸承在工作期間會受到來源于軸向磁懸浮軸承的影響，依托于對實際電流增量的方向和數值進行分析的形式，即可以明確主動磁懸浮軸承系統實際的裝配誤差情況[5]。

4 機械加工誤差對主動磁懸浮軸承系統性能的影響

4.1 軸向軸承推力盤相對于系統內定子發生偏斜狀況

在主動磁懸浮軸承之中，由于類型的不同，軸承系統本身的自由度數量也不相同。在具備5 自由度的主動磁懸浮軸承系統之中，通常存在多個組成部分，共同構成系統的機械部分，包括轉子、一個軸向軸承定子以及兩個徑向軸承定子。一般來說，渦流位移傳感器是主動磁懸浮軸承系統對轉子位置進行檢測時最常用的一種傳感器。出于實現渦流效應提升的目的，低電阻率材料是制作位移傳感器檢測面的主要材料。同時，出于降低材料渦流損耗和磁滯損耗的目的，在加工主動磁懸浮軸承系統的徑向軸承定子及對應轉子磁路部分時，通常所選用的加工方式為疊壓硅鋼片。在加工軸向軸承推力盤和軸向軸承定子時，在技術原因的限制下，所使用的制作材料通常是整體軟磁材料，在這種情況下，主動磁懸浮軸承系統之中的轉子通常是一種較為復雜的組件，需要將軟磁材料推力盤、硅鋼片以及低電阻率材料共同裝配在鋼制基軸上組合而成[6]。

在加工徑向磁懸浮軸承定子時，為了實現機械加工誤差的充分降低和有效控制，一般可以采取組合加工的形式，為上述目標的實現奠定基礎。主動磁懸浮軸承系統之中之所以需要配備軸向軸承定子，主要原因在于為推力盤安裝劃分成兩個獨立磁極提供便利條件，并在裝配工藝之下，構成完整定子。不過，在此類裝配工藝之下，相較于控制徑向軸承而言，想要實現有效控制軸向軸承安裝精度需要面臨更高的難度[7]。在具體進行機械加工的過程中，出現軸向軸承推力盤相對于主動磁懸浮軸承系統內定子偏斜情況的可能性較大。從本質上來說，主動磁懸浮軸承系統中兩個徑向軸承定子不同軸、軸向軸承定子裝配偏斜、軸向軸承推力盤和轉子軸線這二者并非垂直狀態是導致偏斜現象產生的三個主要原因。

4.2 徑向軸承系統位移傳感器檢測面產生的圓度誤差

在機械加工的過程中，一種出現頻率較高的誤差為圓柱表面圓度誤差。具體而言，在圓柱加工的過程中，由于加工技術等多重原因的限制，使得加工出的圓柱呈現出橢圓柱的形狀，且橫截面也為橢圓。這種誤差情況也是主動磁懸浮軸承系統加工期間的常見誤差之一，將會對系統的正常運行產生負面影響，具體表現為對轉子的懸浮造成影響，削弱主動磁懸浮軸承性能[8]。

4.3 徑向軸承位移傳感器檢測面軸線相對于徑向軸承工作面軸線出現偏斜

在進行徑向磁懸浮軸承工作面的加工時，為了滿足使用性能和要求，所選擇的制作材料與加工徑向位移傳感器檢測面的軸承不相同，這兩項內容的切削性能也存在著較為明顯的差異。在這種情況下，當加工主動磁懸浮軸承的轉子時，傳感器檢測面軸線相對于工作面軸線發生偏斜的可能性較大，即這兩個表面的軸線不處于正常應有的重合狀態，主動磁懸浮軸承系統的性能將受到影響，轉子也難以處于平衡狀態。

4.4 軸向磁懸浮軸承定子在安裝過程中出現偏斜現象

相較于軸向軸承推力盤不垂直現象而言，此類誤差與前者存在一定的相似點，一旦產生這種誤差，將會使得徑向軸承受到來源于軸向軸承的干擾力偶[9]。但是，這兩種誤差之間也存在一定的差異，這種不同體現在：當主動磁懸浮軸承系統中軸向軸承定子的安裝出現偏斜情況時，所生成的干擾力偶的方向呈現出與軸向軸承定子偏斜方向一致的趨勢，不僅如此，當轉子轉動時，干擾力偶的方向也不會隨之發生變化。

4.5 徑向位移傳感器檢測面相對于徑向軸承工作面中心偏離

在主動磁懸浮軸承系統之中，渦流位移傳感器是對轉子位置進行檢測時最常用的一種傳感器，在工作的過程中，為了實現對轉子位置的精準檢測，一般是依托于檢測傳感頭和轉子表面這兩項內容之間存在的空隙，從而達成對轉子中心位置進行間接檢測的目標。在這種情況下，主動磁懸浮軸承系統內部的控制系統將會控制轉子，使轉子的運動能夠始終圍繞渦流位移傳感器檢測表面的中心[10]。但是，一旦主動磁懸浮軸承系統中的徑向位移傳感器的檢測面相對于徑向軸承工作面出現偏離情況，將會使得轉子在圍繞渦流位移傳感器檢測表面中心轉動的過程中，當轉子轉動時，徑向軸承的工作氣隙也會隨之出現同頻率波動，影響徑向磁懸浮軸承的正常工作。

5 總結

綜上所述，幾種出現頻率較高的機械加工誤差將會對主動磁懸浮軸承系統的徑向磁懸浮軸承工作電流產生不同程度的影響。所以，一方面需要將軸承系統中轉子所承受的動態荷載和靜態荷載作為對主動磁懸浮軸承系統工作參數產生影響的因素，另一方面還應當充分考慮裝配和加工期間存在的誤差情況對主動磁懸浮軸承系統工作參數造成的干擾和影響，以此為系統性能的優化創設良好條件，使得主動磁懸浮軸承系統在運轉期間存在的誤差能夠處于允許范圍內。