电磁轴承的研究与应用

电磁轴承的研究与应用

电磁轴技术是国际上从20世纪60年代中期开始研究的一项新技术。它是利用电磁力使转轴稳定悬浮起来且轴心位置可以由控制系统控制的一种新型轴承,是集机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机科学于一体的最具代表性的机电一体化产品。它具有无接触、无摩擦磨损、转速高、无需润滑和寿命长等优点,是一般轴承所无法比拟的。由于其独特的性能而受到国内外专家和诸多企业界人士的关注。人类对电磁轴承研究的成功,标志着对传统支承技术的革命。电磁轴承目前在国外已经开始进入工业应用阶段。在国内,有关研究在不断升温后离工业应用仍有较大的差距。从应用角度看,在高速旋转和相关高精度的应用场合电磁轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。1磁体轴承的分类、原理和性能1.1被动型和主动型按悬浮方式和结构等多种方法来分类,有很多类型。1)按磁场力的来源分类,可以分为永久(或超导)磁铁型、电磁铁型以及混合磁铁型3种。2)按磁场力是否可以人为地控制分为被动型和主动型。永久(或超导)磁铁型只可能是被动型,后两电磁铁型以及混合磁铁型则可以是主动型,也可以是被动型。3)按受控的自由度数可以分一轴、二轴、直至五轴。4)按结构可分为立式、卧式、内转子型和外转子型。5)按作用力可分为吸引式和排斥式。6)按接触方式可分为完全非接触型和部分接触型。7)按电磁铁控制类型可分为交流控制式和直流控制式。目前,在电磁轴承研究领域主要以直流主动控制吸力型电磁轴承为研究对象。1.2基本原则1.2.1投射线现代模型被动电磁轴承是一种无源磁浮轴承,它利用磁场本身的特性来实现悬浮,这种悬浮具有内在稳定性,无需反馈控制系统。典型的永磁悬浮轴承一般由2个等截面的同轴圆环组成,内环和外环按不同方式激磁可分为吸力型和斥力型,图1给出了两种基本结构。根据Earnshow定理,完全由永磁材料构成的悬浮系统是不能实现一个刚性转子在6个自由度上都保持稳定的悬浮状态。它在3个位移坐标方向X,Y,Z的刚度kx,ky,kz之和等于零(kx+ky+kz=0)。系统为轴对称结构,假设以z轴为轴心,在工作点处径向刚度kr=kx=ky=−12kz‚krkr=kx=ky=-12kz‚kr与kz异号,因此,一个永磁悬浮轴承不能使轴向和径向同时稳定。1.2.2控制转子位置电磁轴承是一个复杂的机电耦合系统。它由机械系统和控制系统2个子系统组成。机械系统由转子和定子组成,如图2所示。通常它们都是由铁磁叠片构成的。转子叠片装在轴径上,定子叠片上开有槽,并缠绕着线圈以提供磁力。控制系统指控制转子位置的电气系统,简单的控制系统由传感器、控制器和功率放大器组成,如图3所示(E1,E2为干扰)。通过位置传感器检测转子的轴偏差信号,将该信号送入控制器,通过功率放大器控制电磁铁中的电流,从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。需要指出的是:与主动电磁轴承相比,被动电磁轴承具有系统设计简单,并在无控制环节的情况下即可稳定,但是它不能产生阻尼。因此,这个系统的稳定域是很小的,外界干扰的小变化也会使它趋于不稳定。在此只讨论主动电磁轴承。1.3磁浮轴承的优势由于电磁轴承的工作特点及可实现控制系统的闭环控制,所以具有传统轴承无法比拟的许多优越性能。主要表现在如下方面:1)可以达到较高的转速。其转速只受转子材料承受离心力的强度限制,不受磁轴承尺寸的限制,因而可大大增加主轴的惯性刚度。2)摩擦功耗较小。转子只有磁滞及涡流引起的功耗,耗能少。3)维护成本低,寿命长。由于电磁轴承是靠磁场力来悬浮轴颈,相对运动表面之间没有接触,不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题,所以电磁轴承的寿命和可靠性均远高于传统类型轴承。4)电磁轴承无需润滑。可省去泵、管道、过滤器、密封元件,也不存在润滑剂对环境的污染。在真空、辐射和禁止润滑剂介质污染的应用场合,如真空技术、超净无菌室以及腐蚀性或非常纯净的介质等,电磁轴承具有无可比拟的优势。5)磁浮轴承的动态特性可控制、优化,其动态性能主要取决于所用控制规律,这样可使刚度、阻尼等与轴承的工作环境甚至运行状态和转速相适应,可使转子平稳运转;轴承的动力学参数(如刚度、阻尼等)可以通过调节控制器参数方便地进行调节,具有灵活的刚度和阻尼特性调整能力。6)转子的控制精度,如转子的回转精度,主要取决于控制环节中信号的测量精度,不受其它因素影响。当然,磁浮轴承也有不足之处,主要是必须外加控制装置,结构复杂,成本高。这主要是没有建立大规模的产品系列并使其商品化、规模化,目前还很难大幅度降低成本。2国内外磁浮技术研究现状利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久,但实现起来并不容易。早在1842年,Earnshow就证明:单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有6个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。然而,真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始的。1937年,德国Kemper申请了第一个磁悬浮技术专利,他认为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮,必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小,即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为之后开展磁悬浮列车和电磁轴承研究的主导思想。同一时期,美国Virginia大学的Beams和Holmes也对磁悬浮理论进行了研究,他们采用电磁悬浮技术悬浮小球,并通过钢球高速旋转时能承受的离心力来测定试验材料的强度,这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支撑旋转体的应用实例。电磁轴承作为一种新的支承形式,其优良的性能和广阔的应用前景引起了众多学者和工程技术人员的浓厚兴趣。随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展,20世纪60年代中期对磁浮技术的研究跃上了一个新台阶。英国、日本、德国都相继开展了对磁浮列车的研究。电磁轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。据有关资料记载:1969年,法国军部科研实验室(LRB)开始对电磁轴承的研究;1972年,将第一个电磁轴承用于卫星导向轮的支撑上,从而揭开了电磁轴承发展的序幕。此后,电磁轴承很快被应用到国防、航天等各个领域。美国在1983年11月搭载了航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了电磁轴承真空泵;1976年法国SEP公司和瑞典Sgy公司联合成立了S2M公司,专门开发工业应用的电磁轴承。1983年S2M公司在第五届欧洲机床展览会上展示了电磁轴承电主轴部件。1984年,S2M公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司,在日本主产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等,同年日本东洋公司也推出了高速电磁轴承铣削头,并将电磁轴承列为20世纪80年代新的加工技术之一。电磁轴承的发展与研究越来越受到国内外工程界和学术界的广泛关注。从1988年至今相继召开了五届国际电磁轴承会议,从已发表的文献资料可以看出,其研究内容涉及到电磁学、电子学、控制理论、机械学、转子动力学、材料学和计算机科学等学科。目前较为活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院(ETH)、美国Maryland大学和Virginia大学、日本东京大学和英国Sussex大学等研究机构,以及法国S2M、瑞士IBAG、英国G1acier、美国Avcon、MTI、SatCon等生产厂家。经过30多年的发展,电磁轴承在国外的应用场合进一步扩大。国外不仅将电磁轴承应用于航天部门、核工业部门,而且已迅速应用到军事部门和基础工业部门的数百种不同的旋转或往复运动机械上,如卫星惯性飞轮、能量储存飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平泵、高速磨床、高速铣床、高速车床、高速电动机、离心机、透平压缩机和真空泵等。所达到的技术指标范围为:转速0~8×105r/min;直径14~600mm;单个轴承承载力0.3×104~5×104N;使用温度范围-253~450℃;刚度105~108N/m。这说明国外已将电磁轴承作为比较成熟的工业产品推向了用户市场。国内对电磁轴承的研究始于20世纪60年代,以自主开发等方式在电磁轴承方面做过研究工作的单位有西安交通大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、清华大学、浙江大学、国防科技大学、天津大学、南京航空航天大学、上海大学、西安理工大学等。由于种种原因,目前我国的电磁轴承仍处于实验室研究阶段,而且在轴承刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定差距,在工业应用方面基本上是空白。有关电磁轴承设计方面的技术指标和标准还没有制定。为了使得这一科学技术为生产建设服务,必须将电磁轴承这项高新技术迅速转化为生产力,这是我国的科技人员所面临的一个新的课题。3系统组成和控制策略3.1径向轴承电磁铁转子结构若要求转子能稳定地悬浮在规定的位置上,就需对它的5个自由度进行控制,这就要求有2个径向轴承和1个推力轴承,构成一个完整的电磁轴承系统,其结构如图2所示。它由以下几部分构成:1)传感器。位置传感器是电磁轴承系统的重要组成部分,用于检测转子的偏移情况,其要求是:a.非接触式;b.能够抑制噪声、磁场干扰,信噪比高;c.线性范围大,灵敏度高;d.稳定性好,温漂、时漂小。可采用电涡流或电感式位置传感器。2)控制器。它是整个电磁轴承的核心,其性能决定了电磁轴承的好坏。它的作用是对传感器检测到的位置偏差信号进行适度的运算,使得转子有高精度的定位,而且在外力的干扰作用下,能通过迅速而恰当的电流变化使转子回到基准位置。3)功率放大器。它的作用是向电磁铁提供产生电磁力所需的电流,应按照电流大小设计不同类型的功放。4)电磁铁和转子。结构如图2所示,径向轴承采用周向NSSN来排布磁极,目的是减小磁路间的相互耦合,减小涡流。径向轴承电磁铁(定子)采用导磁性能优良的硅钢片制做,转子上与定子对应位置亦套以硅钢片。推力轴承以及推力盘部分采用电工纯铁制做,轴承电磁铁及转子材料除了要有良好的磁性能外,还应满足一定的机械性能。3.2负反馈控制的应用电磁轴承及其支承的转子本质上是一个多自由度运动体的位置控制系统。由于电磁力与气隙大小之间存在非线性反比关系,电磁系统本身具有内在不稳定性,必须采用负反馈控制方能使其稳定,控制器是电磁轴承系统的关键部件。传统的反馈控制系统通常采用PID控制器,比例反馈能够调节电磁轴承的刚度,微分反馈能够调节阻尼特性,积分环节则用来提高系统的静态刚度。PID控制器结构简单,易于调节,可靠性好,应用广泛。但是,随着磁轴承转速的不断提高和运行工况的不断复杂,简单的PID控制器已越来越不能满足工程应用的需要。近年来控制方法的研究可归纳为以下几方面。3.2.1旋转角度表达转子因不平衡而在旋转过程中产生与转速同频率的涡动,并会引起机座的振动。通过观测器来估计转子的不平衡特性,将其当作扰动外力(或传感器的误差信号)看待,由电磁轴承产生电磁力来抵消此扰动。采用这种方法可以使转子精确地绕固定坐标轴旋转。但该方法要求电磁力与转速平方成正比,随着转速的提高,电磁作动器会产生溢出。这种方法还要求精确建模,因为任何微小的模型偏差都可能严重影响观测器的性能和精度。3.2.2观测器参数对模型扰动的敏感最优控制通常采用被控系统的输出与控制输入的加权二次型作为性能指标,以便使被控系统的动态响应和控制经济性均得到保证。由于可观测的信号数量通常少于状态变量,最优控制律的实现要借助状态观测器,当系统模型阶数较高时,观测器参数对模型扰动很敏感,会导致系统失稳。为此Larsonneur和Herzog研究了一种结构预定义最优控制方法,所使用的优化方法与普通LQG方法很相似,所不同的是引入“结构预定义”,即事先对控制器结构施加了约束,采用分散控制结构。这样不仅降低了控制器阶数,又避免了观测不精确问题的出现。最优控制的另一个不足之处是对受控对象模型的精确性要求较高,因而当系统内部特性或外部扰动变化很大时,系统的性能指标常常会下降,甚至会导致系统失稳。3.2.3输出响应问题智能控制方法是指那些基于在线学习和辨识的控制方法,如模糊控制、神经网络控制等,此类方法的特点是被控系统可当作“黑箱”来处理,不需要任何有关的先验知识,控制器可根据输出响应来学习系统特性并根据需要对控制参数实施在线调节。这些方法的优点是能够克服电磁轴承非线性特性给系统造成的影响,但这些方法在工程中未得到普遍应用。而且大多数情况下,磁轴承均能工作在平衡点附近的线性区内,因而与一般的线性控制方法相比,上述方法并未体现出明显优势。3.2.4非线性控制方法鲁棒控制的基本原理是选择反馈控制律使闭环系统稳定,并且对模型摄动及外界扰动具有一定的抵抗力。目前鲁棒控制方法主要有H∞控制和变结构控制等。H∞控制是以外界扰动与系统输出之间传递函数的H∞范数作为度量工具,其控制目标力求使受扰动系统最“坏”情况的输出误差达到最小。变结构控制是一种非线性控制方法,其基本原理为:寻求一个或几个切换函数,当系统状态达到切换函数时,系统的控制由一种结构转换成另一种结构。研究结果表明,变结构控制器和H∞控制器对系统模型摄动(包括转子和电磁执行器中的参数变化)及外界扰动具有良好的鲁棒性。3.2.5系统的容错能力数字控制具有硬件集成度高、控制性能好的优点,因此正逐步替代传统的模拟控制器而成为电磁轴承控制的发展主流,以上控制方式均可采用数字控制实现。目前应用最普遍的是专用数字信号处理器(DSP),具有高速运算能力,还可采用多处理器结构以提高系统的容错能力。使电磁轴承能够方便地实现多种功能,如适应不同的运行条件,抑制不平衡响应,启动和停机时的过程控制以及滤波、诊断和监控等。数字控制所面临的主要问题是实时性。对于磁轴承这类开环不稳定系统,控制器需要具有相位超前的功能,频带通常要达到1kHz以上。影响相位的因素主要是A/D和D/A的转换时间以及控制参数的计算时间。计算量过大,采样频率就会相应降低,这就使一些复杂算法的应用受到限制。然而,随着近年来微处理器技术的飞速发展,实时性问题将不再是制约电磁轴承发展的障碍。4磁材料的应用及磁轴承系统的控制从应用角度看,磁轴承的潜力尚未得到充分发掘。就发展状况而言,它本身也远未达到替代其他轴承的水平。原因除造价昂贵及设计理论尚不成熟外,还在于磁材料的性能及磁轴承系统的控制方面尚有许多课题亟待研究和解决。不论是在理论上还是在产品化的过程中,该项技术都存在很多的难题,主要表现在控制系统、动力学和系统设计等方面。4.1系统的非线性特性目前,高速电磁轴承的控制方面还有很多的理论问题没有解决。适用于航空、航天、航海等尖端科技领域的高功率、高密度和高速工作的电磁轴承的针对性研究尚不多见。这是因为:1)硬件(如电磁材料、绝缘、功放等)方面的局限性限制了高指标的要求。2)电磁轴承的控制特性在本质上是强烈非线性和分布参数的。所谓强烈非线性是指磁浮力正比于电流的平方、反比于偏移量的平方,反比于电感、磁滞。分布参数的是指磁场的分布性和转子质量的分布性。在电磁结构设计上要求具有高功率密度的情况下,使系统的非线性特性更加突出。3)转子的高速旋转使转轴产生陀螺效应,原来可分别控制的各通道产生了耦合,导致系统成为参数时变系统,同时在高速情况下,转子质心的不平衡也构成随转速变化的振动干扰。4.2多通道柔性转子轴运行难点电磁轴承作为一项对传统轴承实现革命性变革的新的支撑技术,当其应用于工作转速为每分钟数万转至数十万转的高速场合时,其独特的优越性才能充分地显示出来。在这样高速的条件下工作,大多数转子轴均无怯被视为刚性转子轴,而只能是柔性转子轴。转子轴在运行时,大多要跨越数阶乃至近十阶临界转速,这一根本性变化使得电磁轴承和转子轴的设计和实现与简单刚性转子轴系统有着原则的区别,引发了以下一系列难题:1)用经典控制理论指导多质点柔性转子的稳定悬浮极为困难。2)多质点柔性转子系统中,自由度数目随质点数目成4倍地增长,质点之间、径向支撑与转子之间、转子轴向与横向振动之间的耦合不可避免,而减小耦合程度是解决振动问题所必需的。3)转子轴系统提供的刚度和阻尼是完全建立在控制单元的深度负反馈的基础上的,而且其阻尼系统的大小强烈地依赖于工作频率,这种依赖性决定了当系统控制单元差数一经整定并保持不变时、系统出现“0”阻尼甚至负阻尼的情形在所难免。4.3转子动力学在转子系统中的应用电磁轴承是一个复杂的机电磁一体化产品,设计问题涉及的技术领域很多。主要有:以轴承几何与电气参数为主的系统控制器的参数设计、以转子结构和轴承动特性系数为主的动力学性能设计以及特定条件下的陀螺效应解耦设计。除此之外,还包括必要的机械原理设计、磁路与电磁场设计、电子电路和控