三极磁轴承及其关键技术发展综述

　　  摘要：三极磁轴承除了具有一般磁轴承的优点外，还具有体积小、功耗低、成本低等特点，因此在真空、超净、高速等场合具有广阔的应用前景。首先介绍了三极磁轴承的原理与结构；然后描述了国内外学者针对三极主动磁轴承和三极混合磁轴承展开的研究工作，并对三极磁轴承关键技术的研究现状进行归纳总结；最后根据三极磁轴承高速、高精、低成本的发展方向，分析了三极磁轴承研究的发展趋势。

　　关键词：磁轴承；三极；关键技术；发展趋势

  　引言轴承是机械及电气传动领域中支承旋转转子的装置，是各种旋转机械中最常用的部件，也是最容易损坏的部件，轴承的性能对设备的工作状况影响极大。随着工业技术的发展，转子转速不断提高， 对轴承性能的要求也越来越高，并且出现了如气浮轴承、液浮轴承、磁轴承等新型轴承。磁轴承是对磁悬浮轴承的简称，磁轴承利用电磁力将转子悬浮在空中，使转子与定子间不存在机械接触，因此具有无摩擦磨损、转子位移精度高、可支承转速高、无需润滑油、寿命长等优点。基于以上优点，磁轴承已经在飞轮储能、高速机床、涡轮分子泵等设备上得到了应用，并将在更多领域代替传统轴承，尤其在真空、超净、超高速、航空航天、核能等场合， 磁轴承具有不可替代的优势，因此有着非常广阔的应用前景[1-2]。虽然磁轴承性能优越，但其驱动装置和位移传感器价格昂贵，成本较高成为制约其广泛应用的主要因素，因此，研究如何减少磁轴承成本是国内外专家的共同目标。随着对磁轴承的不断研究，磁轴承出现了多种形式，按照转子受控自由度数分为单自由度磁轴承(轴向磁轴承)、二自由度磁轴承(径向磁轴承)和三自由度磁轴承(径向–轴向磁轴承)，其中单自由度磁轴承只控制转子的轴向位移，二自由度磁轴承控制转子的径向位移，三自由度磁轴承控制转子的径向和轴向位移[3-6]。常见的磁轴承径向 2 个自由度由 4 个或 8 个磁极控制，这一类磁轴承通常由 4 个直流功率放大器驱动，每一个直流功率放大器控制一个自由度的正方向或负方向[7-10]。由于直流功率放大器体积大、成本高，为了减少直流功率放大器个数，文献[11]提出了一种径向 2 个自由度由 3 个磁极控制的三极磁轴承，并只需要 2 个直流功率放大器驱动；文献[12]提出用三相功率逆变器驱动三极磁轴承，三相功率逆变器价格低、技术成熟，可以大大减少磁轴承的成本。与四极和八极磁轴承相比，三极磁轴承具有体积小、功耗低、空间大、成本低的优点，利于磁轴承的广泛应用，因此三极磁轴承引起了国内外专家的关注。

　　本文首先介绍了三极磁轴承的工作原理及其结构形式，然后描述了三极磁轴承研究现状，并对三极磁轴承的设计、驱动、控制及无传感等关键技术进行总结，最后根据三极磁轴承高速、高精度、低成本的发展要求，针对三极磁轴承目前存在的不足，讨论了未来三极磁轴承的发展趋势。

　　1三极磁轴承的原理和结构1.1三极磁轴承的原理给出了最简单的三极磁轴承，主要由定子铁心、转子和控制线圈构成。定子铁心有 3 个磁极， 沿圆周均匀分布，线圈绕在磁极上，线圈通电后产生磁场，磁场经过磁极、气隙、转子、气隙、定子、磁极形成回路，3 个磁极与转子间的气隙磁场会对转子分别产生沿 3 个磁极方向的吸力。由于控制一个平面上的 2 个自由度至少需要施加 3 个方向的吸力，因此三极磁轴承具有最简单的结构。

　　定子铁心B转子控制线圈CA    控制磁通图 1    三极磁轴承Fig. 1 Three-pole magnetic bearing1.2三极磁轴承的结构形式三极磁轴承按照悬浮力提供方式可以分为三极主动磁轴承和三极混合磁轴承，悬浮力全部由电磁力提供的是三极主动磁轴承，悬浮力由永磁体与电磁力共同提供的是三极混合磁轴承。三极主动磁轴承结构简单，安装简易，控制精确；三极混合磁轴承由永磁体产生偏置磁通，虽然结构复杂，但能减少线圈匝数，缩小磁轴承体积，降低功率损耗。

　　2三极磁轴承的研究现状2.1三极主动磁轴承1997 年瑞士 Sulzer 电子公司的 R. Schöb 等在第 4 届磁悬浮技术会议上提出了一种有 3 对磁极的径向主动磁轴承，其结构如图 2 所示。每一对磁极中只有一个磁极上缠绕线圈，包括偏置电流线圈和三相电流线圈，偏置电流线圈由逆变器的母线电压UU0X三对极径向主动磁轴承Fig. 2 Three-couple-poles radial active magnetic bearing 供电，三相电流线圈由一个三相功率逆变器供电。通常控制 3 个方向的力需要 3 个独立的直流功率放大器，不论电流正负，3 个方向都为吸力，而三相功率逆变器要求三相电流和为 0，只能独立控制 2 个方向的吸力，并不能控制径向 2 个自由度，因此引入了偏置电流，使 3 个方向的力能随电流的正负而改变，从而控制径向两个自由度。通过计算分析得出该磁轴承由于几何不对称性具有磁路耦合，因此设计了两种磁路耦合很小的三相 12 极和三相 6极磁轴承样机，该样机径向承载力为 3 kN，定子直径为 350 mm，气隙为 1.5 mm[13]。

　　台湾国立中正大学的S. Chen 于2002 年提出了三极主动磁轴承，并对偏置电流、磁极位置角度、线圈匝数和磁极面积 4 个参数进行优化设计。通过对偏置电流优化从而减小静态铜损，然后在空间范围固定的情况下优化磁极面积与线圈匝数，并且经过计算证明磁极位置角度对铜损没有影响，但磁极为 Y 形放置时，上面的 2 个磁极可以共用一个直流功率放大器和偏置电流，从而只需要 2 个直流功率放大器就能控制径向 2 个自由度[11]，该磁轴承静态原理如图 3 所示。此后，他又分别针对电压驱动和电流驱动的该类磁轴承的控制方法进行了一系列图 3 磁极 Y 形放置的三极主动磁轴承静态原理图Fig. 3  Static principle of Y shaped three-pole active magnetic bearing的理论与实验研究。

　　德国开姆尼茨工业大学的 W. Hofmann 在 2003 年提出了用三相功率逆变器驱动三极主动磁轴承， 采用等效磁路法分析了磁轴承中的磁场分布，由磁场分布计算三个磁极产生的吸力并变换至二相坐标系中，得到三极主动磁轴承的力–磁通关系。通常四极和八极磁轴承中的偏置电流用于得到平衡位置更好的线性特性，偏置电流产生的合力为 0， 三极磁轴承可以利用偏置磁通克服转子重力，从而降低功率损耗，但由于 3 个磁极的偏置电流并不相同，需要额外增加驱动电路。通过与六极和八极磁轴承比较分析单位体积、单位面积具有的承载力发现，三极磁轴承有更优良的性能。图 4 为该系统的驱动原理图，交流电经过整流后供电给三相桥，通过开关管的通断控制线圈中电流的大小与正负[12]。

　　逆变器驱动三极主动磁轴承Fig. 4 Inverter fed three-pole active magnetic bearing日本九州大学的 K. Matsuda 分析了磁轴承的不同磁极数对定子外径的影响，发现在定子直径小于 50 mm，承载力相同的情况下，三极磁轴承的直径最小，但当磁轴承直径大于 200 mm 时，磁极数对磁轴承直径的影响很小。根据以上分析设计了一个定子外径为 110 mm，转子直径为 64.4 mm，轴向长度为 64.4 mm，气隙为 0.5 mm，最大承载力为450 N 的三极主动磁轴承，并构建了实验平台，采用 DSP 控制 3 个直流功率放大器驱动三极磁轴承， 使转子在转速为 3 571 r/min 时稳定悬浮[14]，图 5 为该磁轴承的实验样机。

　　三极主动磁轴承实验样机Fig. 5 Prototype of three-pole active magnetic bearing2008 年西班牙纳瓦拉大学的 A. M. Beizama 在飞轮储能装置上采用了三极主动磁轴承，该磁轴承最大承载力为 800 N，采用三相功率逆变器驱动，并对反馈线性化和滑模控制两种控制方法的性能进行仿真和实验比较，结果表明滑模控制拥有更优良的阶跃响应和稳态性能，因此采用滑模控制方法控制三极磁轴承，使飞轮转子转速达到了 850 r/ min，转子位移最大偏移为 0.039 mm[15](a)为该飞轮系统示意图，(b)为该磁轴承的示意图。

　　西班牙奥维多大学的P. García 设计了一个定子直径为 226 mm，转子直径为 90 mm，气隙为 1 mm 的三极主动磁轴承，采用三相功率逆变器驱动，构建了实验平台，实验样机如图 7 所示。针对该磁轴承研究了基于高频注入法的无传感技术，首先分别建立了高频信号和基波信号的数学模型，然后对高频信号的类型进行选择，研究了高频模型误差和PWM 调制导致高频信号畸变产生的影响，并研究了磁饱和、电流控制方式及漏磁对无传感技术的影响[16-18]。

　　国内对三极磁轴承的研究较少，2006 年浙江大学对三极主动磁轴承的三相功率逆变器驱动技术飞轮框架磁轴承汽轮机(a)飞轮系统(b) 磁轴承图 6 飞轮系统及其磁轴承

  研究无传感控制的三极主动磁轴承样机Fig. 7 Prototype of three-pole magnetic bearing for sensorless control research进行了研究，通过 SIMPLORER 仿真验证了该方法的可行性[19]。江苏大学笔者所在实验室对三极主动磁轴承的工作原理与磁路进行分析，推导出其数学模型，采用 Ansoft 软件进行有限元分析，对三极主动磁轴承的参数进行了优化设计，对其控制技术也进行了研究，进行了三极主动磁轴承的静态实验， 使转子稳定悬浮，并且拥有良好的静态性能[20-23]。

　　2.2三极混合磁轴承1999 年 Sulzer 电子公司的 T. Gempp 采用永磁体代替偏置线圈产生偏置磁通，提出了一种双片式的三极混合磁轴承，该磁轴承有 2 片定子，每一片定子上都沿圆周均匀布置 3 个磁极，2 片定子的磁极对称放置，对称的 2 个磁极的线圈串联，缠绕方向相反，两定子中间安置一个轴向充磁的环形永磁体，其结构及磁路如图 8 所示。采用该结构设计了一个承载力为 2 300 N，定子直径为 310 mm，转子直径为 170 mm，气隙为

   2.3 mm 的双片式三极混合磁轴承，将其应用于泵中[24]。

　　双片式三极混合磁轴承Fig. 8 Couple pieces type three-pole hybrid magnetic bearing奥地利维也纳科技大学的 E. Schmidt 于 2008年提出了一种三极混合磁轴承，该磁轴承用条形永磁体放置在定子外围，产生异极分布的偏置磁通， 从而减小线圈匝数，降低功耗，缩小磁轴承体积， 该磁轴承实验样机如图 9 所示。通过对该磁轴承进行三维有限元分析，研究了该三极混合磁轴承的磁路耦合、磁极间互感、力–电流关系以及电流增益等问题[25]。

　　2010 年韩国科学技术学院的 S. Park 提出一种用于圆盘式外转子支承的三极混合磁轴承，该磁轴承包括 3 个缠绕线圈的主磁极和 3 个副磁极，在副磁极上安装永磁体，用于产生偏置磁通，并且在 3 个副磁极的末端分别放置了霍尔传感器，用于检测转子位置偏移，该磁轴承结构如图 10 所示。该磁轴承采用 3 个直流功率放大器驱动，采用 PD 控制线圈1、2、3为主磁极； a、b、c为副磁极图 10 外转子三极混合磁轴承Fig. 10 Three-pole hybrid magnetic bearing of external rotor器控制解耦后的系统，使转子转速达到 5 000 r/min，转子位移最大偏移为 10 m[26]。

　　目前，国内江苏大学对三极混合磁轴承进行的研究工作较多，针对双片式三极混合磁轴承进行有限元分析、模型建立、参数设计、控制系统研究等工作[27-29]。此外，还设计了一种径向–轴向三极混合磁轴承，该磁轴承能控制径向和轴向 3 个自由度， 其中径向由 1 个三相功率逆变器驱动，轴向由 1 个直流功率放大器驱动，其结构及磁路所示。针对该磁轴承进行有限元分析、数学模型建立及其控制系统设计，成功进行了静态试验[30-31]。另外，南京航空航天大学研究了一种 6 个极的三极混合磁轴承，其中 3 个磁极上缠绕线圈，作为控制磁极，另外 3 个磁极中间安置永磁体，提供偏置磁通，采用有限元仿真分析来获得该三极磁轴承的数学模型，并对该磁轴承设计了永磁体N径向定子S轴向定子B转子轴y 六极式三极永磁偏置磁轴承Fig. 12 Six-pole type three-pole permanent magnet biased magnetic bearing控制器，用三相功率逆变器驱动，实验结果表明该控制器动静态性能良好，且功率损耗比常见的八极磁轴承小很多[32]。

　　3三极磁轴承关键技术3.1三极磁轴承的设计与参数优化通常三极磁轴承的设计主要根据最大承载力要求，设计定子直径、转子直径、磁极长度、磁极面积、气隙长度、线圈匝数、最大电流等参数，同时要考虑散热、铜损、涡流损耗等因素对磁轴承性能的影响。

　　传统的三极磁轴承设计方法是用等效磁路法分析三极磁轴承的磁通，建立数学模型，以磁轴承性能要求为目标，通过理论计算和工程经验得到磁轴承各个参数[11,33]。等效磁路法是基于理想状态下的磁轴承设计方法，在模型建立时忽略了很多因素。为了使磁轴承的参数更精确，E. Schmidt 对三极混合磁轴承进行三维有限元分析，分析了转子偏心对磁极线圈间的互感、电磁力和电流增益产生的影响，得到精确的磁轴承参数[25]。江苏大学采用Ansoft 软件在定子铁心极靴厚度、磁极面积、磁极宽度等参数取不同值时，对三极主动磁轴承的磁密及悬浮力进行有限元分析，寻找一组最优参数，从而对三极主动磁轴承参数进行优化[20]。

　　3.2三极磁轴承的驱动技术目前，三极磁轴承的驱动方式分为：1）由 3个直流功率放大器驱动；2）由 2 个直流功率放大器驱动；3）由 1 个三相功率逆变器驱动。

　　传统的磁轴承驱动方法就是每个磁极用一个直流功率放大器驱动，这种方法也适用于三极磁轴承[14,26]。S. Chen 提出将三极磁轴承磁极放置为 Y 型，上面 2 个磁极就可以共用一个偏置电流和控制电流，这样只需要 2 个直流功率放大器就能驱动三极磁轴承，上面 2 个磁极控制 x 方向的位移，下面的 1 个磁极控制 y 方向位移[11]。采用三相功率逆变器驱动三极磁轴承，必须用偏置磁通来使 3 个磁极产生的力随控制电流正负变化，并用 2/3 变换将三相坐标变为两相坐标，从而对应 x、y 方向的位移和电流，这样利用 PWM 技术就可以方便实现磁轴承的控制[12-13]。

　　3.3三极磁轴承的控制技术磁轴承控制转子悬浮于平衡位置，需要根据位移偏移量确定磁极产生悬浮的大小与方向，悬浮力与转子偏移是非线性关系，而三极磁轴承由于其结构的空间不对称性导致 3 个磁极间存在磁路耦合， 因此三极磁轴承是一个非线性强耦合系统，必须设计高性能的非线性控制器才能满足高速、高精度的要求。

　　S. Chen 分别采用精确线性化、积分滑模控制、线性状态反馈控制、反馈线性化、鲁棒控制、平滑反馈控制，对文献[11]提出的三极主动磁轴承进行了控制性能研究，研究发现采用平滑反馈控制和鲁棒控制相结合的方法具有很好的控制性能[34-38]。A.

　　M. Beizama 把磁极定位控制和滑模控制分别与反馈线性化结合，比较分析了两种三极主动磁轴承控制方法的性能，结果显示积分滑模控制在鲁棒性和控制精度上都优于磁极定位控制[15]。S. Park 用冗余坐标系代替传统的直角坐标系，建立简化的五自由度三极混合磁轴承模型，简化后的控制方程没有耦合，因此采用简单的微分控制就能满足控制要求[26]。江苏大学采用线性二次型最优理论对三极主动磁轴承设计了分散控制器，从理论上验证了该方法的可行性[24]。