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主动磁悬浮轴承在压缩机及鼓风机应用的技术进展*阴宏宇1,2刘路3王跃方2,3李健伟1（1.沈阳鼓风机集团股份有限公司；2.辽宁重大装备制造协同创新中心沈鼓研究院；3.大连理工大学工程力学系)摘要：主动磁悬浮轴承是一种新型的高性能机电一体化产品，具有无机械磨损、噪声低、无需密封和润滑、寿命长和控制灵活等独特优势，在压缩机和风机领域得到成功应用。
本文首先介绍了国内外磁悬浮轴承的发展状况，之后，总结了磁悬浮轴承在集成式压缩机领域和鼓风机领域的应用情况。
探讨了近十年国内外对于磁悬浮轴承技术的研究进展和其中包括的研究热点问题。
最后，展望了磁悬浮轴承未来的应用前景。
关键词：主动磁悬浮轴承；集成压缩机；磁悬浮鼓风机；研究进展中图分类号：TH133.3；TH452；TH44文章编号：1006-8155-(2019)02-0088-07文献标志码：A DOI：10.16492/j.fjjs.2019.02.0012Progress of Active Magnetic Bearings in Compressors andBlowersHong-yu Yin1,2Lu Liu3Yue-fang Wang2,3Jian-wei Li1(1.Shenyang Blower Works Group Corporation,2.SBW Research Institute of Collaborative Innovation Center of Major Machine Manufacturing in Liaoning,3.Department of Engineering Mechanics,Dalian University of Technology)Abstract：Active magnetic bearings are a new type of high-performance mechatronics products with unique adavantages in terms of no mechanical wear,low noise level,no sealing and lubrication,long service life and flexible control.They have been successfully used in compressor and blower industry.In this paper,the development of active magnetic bearings around the world is introduced,and the applications of AMB in integrated compressors and maglev blowers are summarized.The research progress and key technologies of active magnetic bearings in the past decade are reviewed.Finally,the future application of active magnetic bearings is prospected.Keywords：Active Magnetic Bearings，Integrated Compressors，Maglev Blowers，Research Progress0引言主动磁悬浮轴承（Active Magnetic Bearings）是一种新型的高性能轴承，它利用磁场力使转子稳定悬浮在空中且转子位置可以通过控制系统进行控制[1]。
波箔型空气动力轴承的设计与仿真作者：王淑樱蒲芋树来源：《中国科技博览》2016年第02期[摘要]通过理论分析，设计出一种新型的波箔型空气动力轴承，包括凸肩，轴承壳体，平箔片以及波箔片。
同时利用CFD技术，在特定环境下模拟了在不同转速下轴承的工作状态并得出结论。
[关键词]波箔；轴承；设计中图分类号：TH133.37 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0106-01近年以来，空气式动压箔片轴承越来越受到机械领域青睐，其原理主要是利用转子以及轴承内表面之间的动压效应，形成一种气膜使轴承近似悬浮的状态，而内部的平箔和波箔则起到良好的弹性支撑作用。
采用波箔型空气动压轴承可以替代小型商务飞机上的滚珠轴承，减少发动机重量，增加发动机稳定性。
如图1.1所示为设计出来的箔片轴承。
包括凸肩1、轴承壳体2、平箔片3和多条波箔片4。
其中轴承壳体2为圆环形状；凸肩1是从轴承壳体2的一端边缘沿径向向外延伸而形成，起固定和传递载荷作用；平箔片3为圆弧状，多条平箔片3并排设置，并且相邻平箔片3的两侧边缘相互搭接在一起，以保持足够的强度；波箔片4也呈圆弧状，其上设有多个相互交替设置且具有不同曲率半径的两种波纹，一面贴附在所有平箔片3的外表面上，用于为平箔片3提供支承，另一面固定在轴承壳体2的内圆周面上，并且平箔片3和多条波箔片4的一端同时固定在轴承壳体2的内圆周面上，另一端为自由端。
图1.2所示为设计出来的波箔，波箔片4上两种波纹的曲率半径分别为3.77mm和10.88mm，并且曲率中心位于波箔片4的外侧，平箔片3和波箔片4以及波箔片4与轴承壳体2内圆周面之间的楔形间隙5的个数均为16个，平箔片3和波箔片4上固定端与相应的自由端相互靠近设置，平箔片3的直径为46mm。
波箔片4上波纹的尺寸范围为3.6-3.8mm。
在仿真平台，可以读出，一个正常的工作状态下，高压转子的转速为51760rpm，低压转速为43636rpm，温度为1179k，压强为543.278kpa，发动起排气温度874k，利用CAD软件进行建模，将模型导入Ansys之后，模拟出来正常工作状态下轴承的应力，应变，位移变化。
Special Topic 中固空l悬溥鼓风机之泶總—金士顿科技树立自主创新、工业跨界的新典范金士顿轴承科技有限公司于2007年成立。
创建伊始，公司主要研发生产球轴承、油膜轴承、滚子轴承等高精密轴承产品。
2010公司建立了精密轴承加工基地，凭借録的献品质精良的产品，公司很决进入了发展的快车道。
2011年，公司董事长王红将目标投向了具有很高攻克难度的动压空气轴承。
空气轴承是利用空气弹性势能来起支承作用的一种新型轴承。
它利用转子高速旋转时，转子四周空气因自身粘滞力被吸入轴与空气轴承间的楔形区，从而产生强大的浮扬力，使转轴可以在悬空的状态下高速运行。
在高速、低摩擦、高温、低温及有辐射性的场合，可以完成滚动轴承或油膜轴承所不能解决的困难，显示了其独具的优 越性。
可用于多种高速流体设备，如应用在鼓 风机、涡轮泵、涡轮增压机、膨胀机、微型燃 机等机组上，拥有广阔的市场前景。
多年前，国内学术界已经对空气轴承展开 了研究，国家863计划亦有专项资金投入，但由 于其具有一定的技术壁垒，目前国内没有研究 成果成功实现产业化。
但事实上，从2004年开 始，几家韩国公司生产的空气悬浮鼓风机陆续 进入中国，形成了技术垄断和市场垄断。
在 10余年间，韩国空气悬浮鼓风机的数百个项目 案例验证了空气悬浮鼓风机的性能稳定可靠。
随着近年来我国水处理工业进入快速发展期，污水处理鼓风机的市场如火如荼，尤其是用户 对空气悬浮鼓风机的节能优势逐渐认可，其市 场占有率逐年攀升。
在这种背景下，金士顿董事长王红对企业 的转型发展提出了一个大胆的“跨界”计划。
从做精传统轴承，到研发空气轴承，再到研发 高速永磁电机，最后是空气悬浮离心鼓风机。
金士顿从一家轴承制造企业跨界转型，转型成 一家以动压空气轴承技术为核心，以高速流体 机械产品为支撑，以提供节能方案为特色的环 保高新技术企业。
金士顿JSD空气悬浮鼓风机从2011年开始，金士顿马不停蹄地开始了它 的创新研发之路。
磁悬浮鼓风机研究报告
磁悬浮鼓风机是一种新型的鼓风机，相比传统的机械式鼓风机，磁悬浮鼓风机有着更
高的效率、更低的能耗和更小的噪音。
在各个领域的应用愈发广泛。
磁悬浮鼓风机的主要特点是磁悬浮轴承技术的应用。
磁悬浮轴承技术可以实现无接触
的支承和精确控制转子的运动，相比于传统机械轴承，可以降低能耗、减小噪音、提高寿
命和稳定性。
此外，磁悬浮鼓风机采用无齿设计，使得在运行时减小了机械传动的损失，
提高了效率。
磁悬浮鼓风机在实际应用中的优势也已经得到了实证。
在煤矿通风系统中，磁悬浮鼓
风机的效率比传统机械鼓风机提高了10%左右，并且噪音降低了5-8分贝；在空调系统、
气体输送系统等领域，也同样发挥了优秀的性能。
磁悬浮鼓风机的未来研究也有很多方向。
例如在磁悬浮轴承技术方面的研究，尤其是
针对高温和高速领域的新型轴承材料的研究；在无齿设计上，可以进一步研究出更加复杂
的结构，以达到更高的效率和更小的噪音；同时还可以针对不同领域具体的流体力学问题，进行计算机模拟等研究。
总之，磁悬浮鼓风机是一种十分优秀的鼓风机技术，已经在多个领域得到广泛应用，
并且在未来的研究中还有很多发展空间。
科技成果——磁悬浮离心式鼓风机技术磁悬浮离心式鼓风机（Magnetic Levitation Centrifugal Blower，简称MLCB）是一种基于磁悬浮技术的新型鼓风设备。
它通过利用磁力将鼓风机转子悬浮在气腔壳体内，消除了机械传动部件的摩擦和磨损，大大提高了鼓风机的效率和可靠性。
该技术在节能减排、环境保护、航天航空等领域具有广泛的应用前景。
传统鼓风机通常采用轴承和密封件来支撑鼓风机转子，并且需要通过机械传动来配合电机工作。
由于轴承和密封件经常受到高速旋转和高温的影响，容易产生磨损和泄漏问题，导致能耗增加、噪音大、维护成本高等问题。
而磁悬浮离心式鼓风机通过利用磁力浮起转子，实现了无接触运转，不仅消除了机械传动部件的摩擦和磨损，还减少了能耗和噪音，提高了鼓风机的效率和可靠性。
磁悬浮离心式鼓风机的核心技术是磁悬浮技术。
磁悬浮技术是一种利用永磁体和电磁线圈之间相互作用的技术，通过电磁控制使永磁体悬浮在一个特定的磁场中。
鼓风机转子上安装有永磁体，气腔壳体上则安装有电磁线圈，通过电流控制电磁线圈产生的磁场，实现转子的悬浮。
同时，在转子周围空间中还设置了传感器和控制系统，通过实时监测和调节磁场，维持转子的稳定悬浮状态。
磁悬浮离心式鼓风机相比于传统鼓风机具有很多优势。
首先，由于无接触运转，消除了机械传动部件的摩擦和磨损，使得鼓风机的寿命更长，维护成本更低。
其次，磁悬浮鼓风机的能耗更低，噪音更小，对环境的污染更小。
再次，磁悬浮鼓风机的启动速度快，响应速度快，能够更精确地控制风量和压力。
最后，磁悬浮技术可以实现高速旋转，使鼓风机的风量更大，适用于一些特殊的工业环境。
磁悬浮离心式鼓风机技术在实际应用中已经取得了一些成果。
目前，国内外已经有一些企业和科研机构开发出了具有国际领先水平的磁悬浮离心式鼓风机产品，并且已经在一些领域得到了应用。
例如，在石化、冶金、电站等行业，磁悬浮鼓风机可以用于输送气体、加热燃料等工艺过程中；在环境工程领域，磁悬浮鼓风机可以用于污水处理、废气处理等过程中。
Vol.61，2019,No.Z1Chinese Journal of Turbomachinery 空气悬浮高速永磁电机系列化设计及发展趋势张宏杰杨柳（石家庄金士顿轴承科技有限公司）摘要：本文介绍了空气悬浮鼓风机高速电机在轴承-轴系一体化设计、电磁约束及机械限制、热管理等方面的特殊关键问题。
高速永磁电机的优化开始朝着多样化，生态化的设计方向发展。
关键词：空气悬浮高速永磁电机；电磁约束；机械限制；热管理中图分类号：TK05；TM341文章编号：1006-8155-(2019)Z1-0087-04文献标志码：A开放学科（资源服务）标识码（OSID)：Design and Development Trend of Air Suspension HighSpeed Permanent Magnet MotorHong-jie Zhang Liu Yang(Shijiazhuang Kingston Bearing Technology Co.,LTD.)Abstract：Many special key problems of high-speed motor of air suspension blower are presented such as design of bearing-shaft system integration,electromagnetic constraints and mechanical limitations,thermal management.The development of high speed permanent magnet motor towards to the direction of diversify optimization and ecological. Keywords：Air Suspension High-speed Permanent Magnet Motor,Electromagnetic Constraint,Mechanical Restriction, Thermal Management0引言高速电机的一个主要特征是：质量、功率、密度随着转速的增大而增大，或者极对数不变时，随着电源频率的增大而增大。
空气悬浮鼓风机波箔轴承和高速永磁电机的关键技术研究舒行军;徐刚;郑越青;崔海龙;蓝河【摘要】空气动压箔片轴承是一种无油支承技术,没有接触摩擦,从根本上避免了滚动支承的润滑油"高温起雾"的难题,被认为是支承技术的一场革命.本文针对某离心风机对空气动压箔片轴承的需求,重点研究了轴承的设计、仿真计算、制造、表面涂层等技术,研制出了承载能力12.5kg的高速空气动压轴承,并对轴承性能进行了测试;同时,对高速大功率永磁电机及其控制技术进行了研究与开发,研制出了不同功率的多套样机;最后,将空气动压轴承、高速电机、风机叶轮等结合起来,设计制造了动压风机原理样机.【期刊名称】《风机技术》【年(卷),期】2017(059)002【总页数】7页(P36-42)【关键词】波箔轴承;鼓风机;高速永磁电机;控制器;固体润滑涂层【作者】舒行军;徐刚;郑越青;崔海龙;蓝河【作者单位】中国工程物理研究院机械制造工艺研究所;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所【正文语种】中文【中图分类】TH133.3;TK05空气动压轴承以空气作为工作介质，弹性平箔作为支承表面，弹性波箔作为支承部件。
转子高速旋转时，由于空气的粘性和楔形的作用，在平箔与转子表面之间产生动压效应，使平箔与波箔发生弹性变形，从而将平箔推开，使转子处于悬浮状态，周向气体压力的不均匀使箔片轴承具备了承受负载的能力[1-3]。
空气动压箔片轴承工作时无需润滑油，是一种无油支承技术[4]。
同时运动副之间无接触摩擦，从根本上避免了滚动支承润滑油的“高温起雾”问题。
因此，空气动压轴承在高速旋转机械领域有重要的应用。
自上世纪70年代空气动压轴承在高速透平产品上，实验获得成功应用以来，国外的风机企业开始尝试将其应用于离心式鼓风机上，同时不断融入其它新技术以提高风机性能，例如采用三元高效叶轮、变频调速、永磁无刷电机直连等。
至上世纪末，高效节能且高度集成化的空气动压轴承风机产品问世，宣告这一集成技术成功。
在之后短短的十几年时间，多家风机企业推出自己的空气动压轴承风机产品。
反观国内，空气动压轴承的相关理论研究早已开展，但受材料及工艺水平的制约，成型产品迟迟没能面市。
自20世纪90年代以来，中国科学院工程热物理研究所、西安交通大学、哈尔滨工业大学等单位曾对波箔型和悬臂型空气动压轴承进行了大量研究，虽取得了一些进展[5-9]，但是鉴于空气动压轴承在结构参数的选择、材料性能、加工工艺水平和装配精度等方面的要求，许多研究只限于理论分析而最终并没有获得应用。
目前，中国工程物理研究院机械制造工艺研究所瞄准空气动压轴承风机的市场需求，对空气动压轴承的设计与制造技术、高速永磁无刷电机及其控制技术、高速电主轴系统的设计、集成与调试技术等进行了大量研究开发，获得了一些初步的成果。
传统的鼓风机、空气压缩机是以齿轮传动，各级齿轮传动中的机械摩擦产生较大的能量耗损，且噪声问题突出。
空气动压轴承风机针对性的解决了这些问题。
如图1所示，电机主轴与风机叶轮共轴；高速转子系统直接由空气动压轴承支撑，无需齿轮箱、增速器、联轴器等额外机构；电机采用变频器调速；转子系统工作时，转子与径向轴承和止推轴承之间没有物理接触，无需额外润滑油系统。
综合以上因素，空气动压轴承风机具有高效、节能、低噪声、运行可靠、长期无需维修保养和体积小等特点。
这种风机具有两大核心技术：空气动压轴承技术、高速永磁同步电机及其控制技术。
根据风机有关技术参数，对空气动压轴承提出的设计要求如下：1）与永磁电机结合使用，两端支撑，单个径向轴承的承载不小于122.5N；止推轴承的承载不小于400N；2）电机转子额定转速n=18 750r/min；电机转子主轴直径为d=80mm；3）启停次数（表征使用寿命）在10 000次以上。
采用自编的空气动压轴承设计程序，完成了波箔和平箔的详细设计（如下图5所示，为了设计及制造方便，径向波箔片与止推波箔片的波拱采用相同结构参数）。
为了进一步获取轴承性能，从理论上避免设计失误，对设计方案进行了轴承性能的仿真验算。
在给定12.5kg的载荷下，计算了径向轴承的升速过程，主要表征量包括偏位角、最小气膜间隙。
图2给出了轴承升速过程中的轴心姿态角与最小气膜间隙变化。
从图中可以看到：轴承在4 000r/min下能够达到足够的承载力，满足承载力使用要求。
在整个工作区间（由起飞转速到额定转速），其轴心姿态角小于45°，最小气膜间隙大于10μm，满足最小气膜间隙与偏位角的要求。
另外，对轴承的动态特性进行了仿真分析（见图3）。
图3仿真在给定固定偏心率下获得，在4000～20000r/min的转速范围对应的承载力在11.9～12.4kg，承载力变化并不大，给定偏心率是为简化仿真计算。
图3中，kxx和kyy是主刚度系数，kyx与kxy是交叉刚度系数，cxx和cyy是主阻尼系数，cyx与cxy是交叉阻尼系数。
可以看出：在较高转速下，总体刚度在2×106～3×106N/m（阻尼在～0.1×104N·s/m），该型轴承的理想刚度阻尼特性需要在较高转速下才能表现出来，因此在其起飞（>4 000r/min）后的升速过程中，仍然可能经历一段动态不稳定区域，这个区域大致可定位于4 000～10 000r/min，这给轴承实现高速运转带来一定难度。
根据仿真获得的轴承刚度系数，可以估算该系统的1阶共振频率为63.7～70Hz之间，对应转速为3 820～4 200r/min，轴承的1阶共振频率落在其起飞转速附近，这意味着起飞前后会伴有较明显振荡，在控制策略上需要采用较大加速度快速通过，以保证尽快越过共振区间。
径向轴承额定工况下的压力、变形与气膜分布如图4所示。
从图4中可以看出：在额定工况下轴承表面变形较小，轴承刚性偏强，体现了最初的设计思想，即保留了箔片轴承柔性抗振抗冲击的特点，又通过适当提高刚性增加承载力，同时高刚度使转子偏心减小，以保证转子对中度，从而减小高速永磁电机的设计难度。
另外，高刚度使轴承抵抗电机偏心磁拉力的能力得到加强，从而使其能够与大功率高速永磁电机集成使用。
最后，根据设计，完成了箔片轴承的制造，制造出的实物如图5所示。
用制造好的波箔，在压力机上进行了弹性测试，测得的载荷与位移之间的曲线如图6所示。
最大测试压力设定为1 000N，预载5N使波箔的每个波拱与压力机的上下压块真实接触。
实测结果表明，波箔的载荷与位移呈明显的非线性关系，这与San Andres等人研究结果相同[2]。
初始段区间的刚度很小，随压缩量增大刚度不断增加。
多次弹性测试后箔高未发生明显变化，说明该波箔具有较好的弹性，其最大承载超过负载1 000N，其弹性能够满足某风机使用要求。
在动压箔片轴承启停阶段，由于转速低于动压起飞的临界转速，轴承内表面与转子之间存在接触摩擦，虽然时间较短，但还是增大了启动与停止时的摩擦力，带来了平箔片的磨损问题，降低了使用寿命。
为提高动压轴承的使用寿命，必须在轴承表面涂覆优质润滑涂层。
为此，课题组提出一种巧妙的润滑方案——采用固体润滑软膜作为轴承内表面涂层。
从实验结果来看，所使用的涂层使各个转速阶段的力矩都降低到很低的水平，涂层表现出很好的润滑效果，保障了启停次数在10 000次以上。
永磁电机结构简单、控制灵活，转子形式多样易于实现最优化设计，因而围绕永磁电机及其控制算法的设计、开发和应用一直是业界关注的热点。
永磁电机已经在许多场合不可避免地取代传统交流感应电机[9]。
在动压风机的设计过程中，由于采用的是具有柔性支撑的空气动压轴承，对于永磁电机的设计就不能简单套用传统的永磁电机结构和设计计算方法，必须建立新的设计概念，研究新的分析计算方法，来提高设计计算的准确度。
针对这一关键性技术问题，课题组通过不断的改进，先后设计、制造了几种不同功率（8kW,55kW,75kW）的永磁高速直流电机（图8，75kW），初步解决了高速电机转子、定子的设计与制造问题，电机转、定子均采用精密加工，达到极高的加工精度，以确保转子部件的对称性与平衡性，从而保证高速运行的稳定性，同时通过保证轴承工作面的表面质量与圆柱度，从而保证轴承动压性能。
为了验证空气动压轴承支撑的永磁电机的性能，设计制造了以空气动压轴承作为支撑、以高速永磁电机作为驱动的全动压高速电机验证平台（图9），系统设计功率75kW，设计转速30 000r/min，实验测试最高工作转速已达30 000r/min，并经历近万次启停的轴承寿命测试，基本能满足风机的使用需要。
电机控制上，针对箔片轴承的工作特点，采用独特的控制策略。
空气动压轴承起飞前存在严重摩擦与碰撞，这使得阻力矩较大且不稳定，这种工况下很难实现闭环控制，因此在启动阶段采用开环控制，短时间内输入极大电流，强制拖动电机同步提速，以使在短期内获得较高转速。
虽然大电流会带来较大的发热量，但由于提速很快，发热量不会过度积累。
当转速达到一定数值后，控制器开始采集位置信号，从而实现闭环控制，此时驱动电流最小化，实现节能并降低电机发热量。
转子系统模态分析的目的在于为系统的结构可靠性、各阶特征、最大允许不平衡量提供一定参考，为系统的设计、制造、最大不平衡量的确定、控制策略等提供依据。
本项目中转子系统主要由叶轮、电机转子、前后轴套、止推盘、冷却风扇五个部分组成。
在ANSYS Workbench下，建立转子系统的三维有限网格模型如图10所示。
基于实际工况，明确材料特性参数、边界约束条件、系统激励以及求解对象，其中面刚度边界支撑方式如图11所示。
面刚度确定基于仿真获得的轴承主刚度。
采用模态分析方法，对整个系统的特征频率进行求解，计算得到前三阶模态特征频率点为63.065Hz、83.538Hz、778.64Hz，对应的振型如图12所示。
在模态分析的技术上，采用谐响应分析方法，求解系统在不平衡激励下过临界转速的振动特性，优化设计边界约束条件及整个系统结构，达到有效抑制振动的目的。
在10mg动不平衡量激励下，对应的响应曲线如图13所示，即针对本文中的Φ80转子，动不平衡量允许在10mg左右。
在各核心关键技术进行突破的基础上，项目组完成了风机样机的投产、制造、安装、调试等工作，风机样机的实物照片如图14～17所示。
该套原机目前最高转速可达30 000r/min，运行后振动小，基本达到了最初的设计目标。
通过该套样机，基本验证了研制空气动压风机的各项核心关键技术，具备了优化设计与改进、系列化研制空气动压风机、从实验室走向工业应用的能力。
1）长期以来，受材料与工艺的制约，我国动压箔片轴承承载能力较低，未能获得广泛应用。
