【導讀】電動機想必大家都有所了解，轉子“呼呼呼”旋轉，帶動工業的發展。在工業和國防領域，旋轉機械是最重要的動力來源。無論是重工業中飛機發動機、船舶螺旋槳推進、汽qi車che高gao鐵tie的de動dong力li係xi統tong

，還hai是shi生sheng活huo裏li中zhong央yang空kong調tiao的de壓ya縮suo機ji

，這zhe些xie裝zhuang置zhi中zhong都dou能neng看kan到dao旋xuan轉zhuan機ji械xie的de身shen影ying。而er在zai旋xuan轉zhuan機ji械xie中zhong
，軸zhou承cheng是shi一yi個ge非fei常chang關guan鍵jian的de部bu件jian，它ta對dui旋xuan轉zhuan機ji械xie中zhong的de轉zhuan子zi起qi到dao支zhi撐cheng作zuo用yong。如ru果guo沒mei有you軸zhou承cheng，轉zhuan子zi是shi無wu法fa在zai一yi固gu定ding位wei置zhi自zi由you旋xuan轉zhuan的de。

本文是生活中的電、電源與電力電子科普征文大賽的二等獎作品，原標題《磁懸浮軸承——電力電子在高速旋轉機械領域的應用》，作者：蔣棟，孫宏博，楊佶昌，劉自程
，帥逸軒，來自華中科技大學，強電磁工程與新技術國家重點實驗室。

01 磁懸浮軸承背景介紹

電動機想必大家都有所了解
，轉子“呼呼呼”旋轉，帶動工業的發展。在工業和國防領域
，旋轉機械是最重要的動力來源。無論是重工業中飛機發動機
、船舶螺旋槳推進

、汽qi車che高gao鐵tie的de動dong力li係xi統tong
，還hai是shi生sheng活huo裏li中zhong央yang空kong調tiao的de壓ya縮suo機ji，這zhe些xie裝zhuang置zhi中zhong都dou能neng看kan到dao旋xuan轉zhuan機ji械xie的de身shen影ying。而er在zai旋xuan轉zhuan機ji械xie中zhong
，軸zhou承cheng是shi一yi個ge非fei常chang關guan鍵jian的de部bu件jian，它ta對dui旋xuan轉zhuan機ji械xie中zhong的de轉zhuan子zi起qi到dao支zhi撐cheng作zuo用yong。如ru果guo沒mei有you軸zhou承cheng
，轉zhuan子zi是shi無wu法fa在zai一yi固gu定ding位wei置zhi自zi由you旋xuan轉zhuan的de。

軸(zhou)承(cheng)在(zai)工(gong)業(ye)和(he)國(guo)防(fang)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)無(wu)可(ke)替(ti)代(dai)。在(zai)第(di)二(er)次(ci)世(shi)界(jie)大(da)戰(zhan)中(zhong)，德(de)軍(jun)迅(xun)猛(meng)的(de)閃(shan)電(dian)戰(zhan)術(shu)依(yi)靠(kao)的(de)大(da)量(liang)戰(zhan)鬥(dou)機(ji)與(yu)坦(tan)克(ke)
，都(dou)離(li)不(bu)開(kai)各(ge)類(lei)旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)械(xie)中(zhong)的(de)滾(gun)珠(zhu)軸(zhou)承(cheng)。英(ying)美(mei)盟(meng)軍(jun)為(wei)遏(e)製(zhi)德(de)軍(jun)
，采(cai)用(yong)了(le)大(da)規(gui)模(mo)空(kong)襲(xi)的(de)方(fang)法(fa)
，對(dui)施(shi)韋(wei)因(yin)富(fu)特(te)的(de)德(de)國(guo)滾(gun)珠(zhu)軸(zhou)承(cheng)廠(chang)進(jin)行(xing)打(da)擊(ji)，造(zao)成(cheng)了(le)德(de)軍(jun)裝(zhuang)備(bei)軸(zhou)承(cheng)的(de)嚴(yan)重(zhong)短(duan)缺(que)，直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)了(le)德(de)軍(jun)的(de)作(zuo)戰(zhan)能(neng)力(li)，對(dui)戰(zhan)局(ju)帶(dai)來(lai)了(le)重(zhong)要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)。

圖1.盟軍轟炸德國滾珠軸承廠（來自網絡）

目mu前qian工gong業ye界jie最zui廣guang泛fan應ying用yong的de是shi軸zhou承cheng類lei型xing是shi滾gun珠zhu軸zhou承cheng。采cai用yong低di摩mo擦ca的de滾gun珠zhu實shi現xian接jie觸chu式shi支zhi承cheng。此ci外wai
，滾gun珠zhu軸zhou承cheng還hai需xu要yao加jia入ru潤run滑hua油you進jin一yi步bu減jian少shao摩mo擦ca。但dan隨sui著zhe轉zhuan速su的de提ti升sheng
，伴ban隨sui著zhe摩mo擦ca力li的de增zeng加jia


，這zhe種zhong接jie觸chu式shi支zhi承cheng的de方fang法fa在zai高gao速su會hui遇yu到dao很hen多duo麻ma煩fan。另ling外wai在zai很hen多duo應ying用yong場chang合he
，為wei保bao證zheng環huan境jing潔jie淨jing度du，潤run滑hua油you被bei禁jin止zhi使shi用yong。

相(xiang)信(xin)大(da)家(jia)可(ke)能(neng)有(you)了(le)些(xie)想(xiang)法(fa)

，既(ji)然(ran)接(jie)觸(chu)式(shi)軸(zhou)承(cheng)存(cun)在(zai)的(de)摩(mo)擦(ca)難(nan)以(yi)消(xiao)減(jian)，那(na)就(jiu)盡(jin)量(liang)使(shi)用(yong)不(bu)接(jie)觸(chu)的(de)軸(zhou)承(cheng)唄(bei)。就(jiu)是(shi)按(an)照(zhao)這(zhe)樣(yang)的(de)想(xiang)法(fa)，另(ling)外(wai)兩(liang)種(zhong)機(ji)械(xie)軸(zhou)承(cheng)被(bei)發(fa)明(ming)出(chu)來(lai)。一(yi)種(zhong)就(jiu)是(shi)箔(bo)片(pian)軸(zhou)承(cheng)（Foil Bearing），旋(xuan)轉(zhuan)中(zhong)箔(bo)片(pian)與(yu)轉(zhuan)軸(zhou)中(zhong)形(xing)成(cheng)膜(mo)
，可(ke)以(yi)脫(tuo)離(li)接(jie)觸(chu)。另(ling)一(yi)種(zhong)是(shi)氣(qi)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)

，在(zai)軸(zhou)承(cheng)中(zhong)通(tong)入(ru)壓(ya)縮(suo)氣(qi)體(ti)。當(dang)轉(zhuan)子(zi)旋(xuan)轉(zhuan)到(dao)一(yi)定(ding)轉(zhuan)速(su)也(ye)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)與(yu)定(ding)子(zi)脫(tuo)離(li)接(jie)觸(chu)。這(zhe)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)於(yu)傳(chuan)統(tong)接(jie)觸(chu)式(shi)的(de)滾(gun)珠(zhu)軸(zhou)承(cheng)具(ju)有(you)高(gao)速(su)運(yun)行(xing)條(tiao)件(jian)下(xia)摩(mo)擦(ca)小(xiao)的(de)優(you)點(dian)。但(dan)是(shi)一(yi)般(ban)都(dou)隻(zhi)適(shi)用(yong)於(yu)高(gao)速(su)，且(qie)工(gong)藝(yi)也(ye)較(jiao)為(wei)複(fu)雜(za)，目(mu)前(qian)主(zhu)要(yao)使(shi)用(yong)在(zai)特(te)殊(shu)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)。

圖2.典型的幾種機械軸承（圖片來自網絡）

與(yu)上(shang)述(shu)機(ji)械(xie)軸(zhou)承(cheng)不(bu)同(tong)，近(jin)年(nian)來(lai)發(fa)展(zhan)起(qi)來(lai)的(de)磁(ci)懸(xuan)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)采(cai)用(yong)可(ke)控(kong)電(dian)磁(ci)力(li)實(shi)現(xian)對(dui)轉(zhuan)子(zi)的(de)無(wu)接(jie)觸(chu)支(zhi)承(cheng)，可(ke)以(yi)適(shi)應(ying)從(cong)靜(jing)止(zhi)到(dao)高(gao)速(su)的(de)寬(kuan)轉(zhuan)速(su)範(fan)圍(wei)應(ying)用(yong)

，且(qie)具(ju)有(you)不(bu)加(jia)潤(run)滑(hua)油(you)
、無接觸摩擦等優點。因此
，磁懸浮軸承成為各類高端裝備中旋轉機械支承的新一代“領銜主演”

下(xia)方(fang)左(zuo)圖(tu)展(zhan)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)的(de)磁(ci)懸(xuan)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)的(de)實(shi)物(wu)
，本(ben)質(zhi)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)電(dian)磁(ci)機(ji)構(gou)
，通(tong)過(guo)產(chan)生(sheng)可(ke)控(kong)的(de)電(dian)磁(ci)力(li)來(lai)實(shi)現(xian)懸(xuan)浮(fu)。磁(ci)懸(xuan)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)的(de)原(yuan)理(li)結(jie)構(gou)圖(tu)如(ru)下(xia)方(fang)右(you)圖(tu)所(suo)示(shi)，主(zhu)要(yao)結(jie)構(gou)包(bao)括(kuo)控(kong)製(zhi)器(qi)
、傳感器、功率放大器（驅動器）
、繞組等。高端的裝置，但其原理並不複雜。磁懸浮軸承的基本原理高中物理知識就能解釋：每(mei)一(yi)軸(zhou)的(de)方(fang)向(xiang)上(shang)，兩(liang)側(ce)繞(rao)組(zu)通(tong)過(guo)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)力(li)均(jun)能(neng)吸(xi)引(yin)轉(zhuan)子(zi)。在(zai)一(yi)定(ding)的(de)平(ping)衡(heng)狀(zhuang)態(tai)下(xia)
，兩(liang)側(ce)電(dian)磁(ci)力(li)正(zheng)好(hao)與(yu)這(zhe)一(yi)軸(zhou)的(de)其(qi)他(ta)力(li)平(ping)衡(heng)
，轉(zhuan)子(zi)在(zai)這(zhe)一(yi)位(wei)置(zhi)就(jiu)能(neng)保(bao)持(chi)懸(xuan)浮(fu)
，而(er)與(yu)定(ding)子(zi)沒(mei)有(you)接(jie)觸(chu)了(le)。

圖3.磁懸浮軸承的

從上圖可以看出來，磁懸浮軸承是一種不穩定係統：當(dang)轉(zhuan)子(zi)受(shou)到(dao)幹(gan)擾(rao)向(xiang)一(yi)側(ce)偏(pian)移(yi)時(shi)，該(gai)側(ce)氣(qi)隙(xi)減(jian)小(xiao)，磁(ci)吸(xi)引(yin)力(li)增(zeng)大(da)。此(ci)時(shi)如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)快(kuai)速(su)準(zhun)確(que)的(de)電(dian)流(liu)控(kong)製(zhi)，轉(zhuan)子(zi)終(zhong)會(hui)被(bei)這(zhe)一(yi)側(ce)電(dian)磁(ci)力(li)吸(xi)引(yin)到(dao)極(ji)限(xian)位(wei)置(zhi)
，懸(xuan)浮(fu)必(bi)然(ran)失(shi)效(xiao)。

因yin此ci，磁ci懸xuan浮fu軸zhou承cheng係xi統tong的de電dian流liu需xu要yao根gen據ju轉zhuan子zi此ci時shi的de位wei置zhi動dong態tai調tiao節jie，比bi如ru轉zhuan子zi偏pian下xia方fang時shi
，上shang方fang電dian流liu需xu要yao增zeng大da

，下xia方fang電dian流liu需xu要yao減jian小xiao
，上shang下xia兩liang側ce電dian磁ci力li的de差cha值zhi將jiang轉zhuan子zi向xiang上shang“托舉”。動態調節實現的前提就是位置檢測要足夠快

，且需要準確到檢測微米級的微小位移。電流指令（小信號）是由控製器獲知當前轉子位置後做出的“決策”信號。有了“決策”信號
，接下來需要“決策”的執行了。執行這一步呢，可以理解為將電流指令這一“比特世界”deliang，bianchengraozuzhongzhenshidedianliu，gaihuanjiezhengshigonglvfangdaqiderenwu。chanshengdezhenshidianliuzairaozuzhongliutonghou
，diancilijiangshijiazhizhuanzi
，zhuanziweizhihuifashengbiandong。chuanganqizaicicaijizhuanziweizhixinxi，jiaoyoukongzhiqichanshengdianliuzhiling，gonglvfangdaqichanshengzhenshidianliu，diancilitiaozhengzhuanziweizhi。ruciwangfuxunhuan
，xingcheng“閉環控製”，使得轉子動態地懸浮在預期的位置。

事實上，圖3是隻有上下方位受控製的磁懸浮軸承原理示意圖，真正的旋轉機械應用中，轉子一般需要在五個方位（即五自由度）上(shang)完(wan)成(cheng)支(zhi)承(cheng)，其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)四(si)個(ge)徑(jing)向(xiang)和(he)一(yi)個(ge)止(zhi)推(tui)軸(zhou)承(cheng)。下(xia)圖(tu)是(shi)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)的(de)五(wu)自(zi)由(you)度(du)磁(ci)軸(zhou)承(cheng)係(xi)統(tong)示(shi)意(yi)圖(tu)。為(wei)了(le)支(zhi)承(cheng)轉(zhuan)子(zi)


，兩(liang)側(ce)各(ge)要(yao)一(yi)個(ge)平(ping)麵(mian)的(de)兩(liang)軸(zhou)徑(jing)向(xiang)磁(ci)軸(zhou)承(cheng)
，每(mei)個(ge)平(ping)麵(mian)包(bao)含(han)一(yi)對(dui)圖(tu) 3(b)所示的軸承控製兩個正交方向的懸浮。而為了控製轉子的軸向（z方向）位wei移yi，還hai需xu要yao一yi個ge加jia載zai在zai止zhi推tui盤pan上shang的de止zhi推tui軸zhou承cheng。除chu磁ci懸xuan浮fu軸zhou承cheng外wai，轉zhuan子zi外wai圍wei往wang往wang配pei備bei機ji械xie保bao護hu軸zhou承cheng。保bao護hu軸zhou承cheng主zhu要yao用yong於yu轉zhuan子zi失shi穩wen跌die落luo時shi支zhi撐cheng轉zhuan子zi，防fang止zhi出chu現xian電dian磁ci機ji構gou等deng損sun壞huai，同tong時shi也ye用yong於yu在zai係xi統tong停ting機ji後hou對dui轉zhuan子zi進jin行xing支zhi撐cheng。為wei了le實shi現xian良liang好hao的de支zhi撐cheng特te性xing，磁ci懸xuan浮fu軸zhou承cheng係xi統tong的de控kong製zhi是shi至zhi關guan重zhong要yao的de。

圖4.五自由度磁懸浮軸承

02 磁懸浮軸承與電力電子技術

通(tong)過(guo)上(shang)述(shu)的(de)介(jie)紹(shao)
，相(xiang)信(xin)大(da)家(jia)對(dui)磁(ci)懸(xuan)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)有(you)了(le)一(yi)定(ding)的(de)了(le)解(jie)，可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，磁(ci)懸(xuan)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)是(shi)一(yi)個(ge)多(duo)學(xue)科(ke)交(jiao)叉(cha)的(de)領(ling)域(yu)，包(bao)括(kuo)了(le)力(li)學(xue)，電(dian)磁(ci)學(xue)，傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)，控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)
，以(yi)及(ji)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)等(deng)知(zhi)識(shi)。其(qi)中(zhong)，以(yi)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)為(wei)基(ji)石(shi)的(de)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)磁(ci)懸(xuan)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)控(kong)製(zhi)中(zhong)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)環(huan)節(jie)，是(shi)實(shi)現(xian)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)的(de)“比特世界”轉化為真實電流的執行機構。

為了使磁懸浮軸承性能更好
，電力電子控製器有一定的指標要求。首先是響應速度要足夠快，這樣才能很快響應位置波動；第二是要輸出電流低紋波和噪聲，這是為了保證電磁力的穩定；變換器還需要低損耗高效率，保證散熱滿足要求；進一步的
，為求降低成本，變換器希望在保證性能的同時能用盡量少的器件；此外
，當器件故障失效的條件下，能繼續保持穩定懸浮
，避免機組損壞等安全事故。

下xia麵mian咱zan們men從cong更geng深shen層ceng次ci理li解jie磁ci軸zhou承cheng工gong作zuo原yuan理li。直zhi觀guan上shang就jiu能neng看kan出chu
，電dian磁ci力li與yu控kong製zhi電dian流liu和he氣qi隙xi相xiang關guan。實shi際ji上shang，它ta們men之zhi間jian存cun在zai著zhe較jiao複fu雜za的de數shu學xue關guan係xi。為wei提ti高gao在zai電dian磁ci鐵tie中zhong電dian磁ci力li關guan於yu控kong製zhi電dian流liu與yu氣qi隙xi的de線xian性xing程cheng度du，方fang便bian控kong製zhi模mo型xing的de簡jian化hua，首shou先xian需xu要yao通tong過guo電dian力li電dian子zi變bian換huan器qi在zai繞rao組zu中zhong注zhu入ru直zhi流liu偏pian置zhi電dian流liu，將jiang電dian磁ci鐵tie中zhong的de磁ci場chang激ji勵li到dao穩wen定ding工gong作zuo點dian。在zai此ci基ji礎chu上shang根gen據ju電dian磁ci力li增zeng減jian的de需xu求qiu疊die加jia控kong製zhi電dian流liu。比bi如ru說shuo，若ruo偏pian置zhi電dian流liu為wei5安培
，當控製電流為1安培時，同一自由度正對的兩個繞組電流分別為（5+1=6）安培和（5-1=4）安培，那麼6安培繞組的作用力就大於對麵4安培繞組的作用力
，從而將這1安培控製電流的作用力效果加載在轉子上。兩繞組電流之和為10安培
，即兩倍的偏置電流。另外，磁軸承的電磁力是磁阻力。那什麼是磁阻力呢？舉個簡單的例子，磁鐵無論是N極端還是S極端均能吸引鐵磁物質，電磁力的方向與極性無關。因此通入不同方向的電流，相當於形成N/S極ji端duan麵mian向xiang鐵tie磁ci物wu質zhi，極ji性xing不bu同tong，但dan電dian磁ci力li均jun起qi到dao吸xi引yin作zuo用yong，電dian磁ci力li大da小xiao隻zhi與yu電dian流liu幅fu值zhi相xiang關guan，而er我wo們men日ri常chang接jie觸chu較jiao多duo的de交jiao流liu電dian機ji，其qi電dian磁ci力li與yu電dian流liu方fang向xiang有you關guan。上shang述shu特te點dian是shi磁ci軸zhou承cheng電dian力li電dian子zi控kong製zhi器qi與yu交jiao流liu電dian機ji控kong製zhi器qi原yuan理li上shang的de主zhu要yao區qu別bie。圖tu5為磁場極性與電磁力方向示意圖，圖5（a）為磁軸承
，通過控製繞組電流產生的電磁吸力使轉子懸浮在中心位置，圖5（b）為交流電機
，在各個繞組中通入交流電流，產生的磁場在空間中旋轉
，其力矩帶動轉子旋轉。

圖5.磁場極性與電磁力示意圖

配合電力電子控製，磁懸浮軸承繞組電流都可以用圖6desanzhongfangshibiaozheng。cixuanfuzhouchengdemeigeraozudoukeyidengxiaoweiyigediangan。zaizhiliumuxiangongdiandetiaojianxia，kaiguanguanzuhejiangzhiliumuxiandianyazhengxiangjiazaizairaozushang，raozudianliujiangkuaisuzengjia（圖6(a)）
；如果開關管關斷，繞組電流將通過反並聯二極管反向接入直流母線
，使負母線電壓加載在繞組上，繞組電流快速下降（圖6 (b)）；如果一個開關管導通而另一個關斷，繞組電流則通過開關管與反並聯二極管續流，加載在繞組上的電壓接近零
，繞組電流接近平穩（圖6(c)）。磁軸承係統在以(a)(b)為主要模態下能實現較高的動態性能，在以(c)為主要模態下可以保持較小的電流脈動紋波。

圖6.磁軸承電力電子控製電流的基本組合

由三種工作模態演變出常見的磁懸浮軸承電力電子電路有以下兩種。下方左圖為“半橋”橋臂結構
，通過開關管Sa與Sb的開通與關斷
，可以實現圖6中各種模式的基本組合，實現電流的快速控製。從電壓的角度來看，可認為是在繞組兩端施加可控的電壓
，即0
，VDC，-VDCsanzhongqingkuang。ciwai，shangmiantidaoguokongzhitongyizhoudezhengduidelianggeraozudianliumanzuxiangjiazhiheweipianzhidianliudeliangbei
，jiweidingzhi
，yincikejiangzhengduidelianggeraozuanrutu7（b）所示方式連接，兩個繞組各有一端共同連接至中間橋臂，由中間橋臂控製該點的電位
，此結構被稱為“共橋臂”結構。與“半橋”結構相比
，采用“共橋臂”結構時，每個自由度所需開關器件可減少，同時節省了開關器件的驅動電路等電氣裝置，整體裝置體積也能得到縮減。

圖7.磁軸承電力電子功率放大器拓撲結構

之zhi前qian提ti到dao，磁ci懸xuan浮fu軸zhou承cheng的de電dian磁ci力li與yu電dian流liu方fang向xiang沒mei有you關guan係xi
，正zheng向xiang和he反fan向xiang的de電dian流liu均jun能neng實shi現xian相xiang同tong的de電dian磁ci力li，這zhe樣yang的de特te性xing為wei故gu障zhang下xia實shi現xian容rong錯cuo控kong製zhi提ti供gong了le新xin的de思si路lu。在zai電dian力li電dian子zi電dian路lu中zhong，開kai關guan器qi件jian開kai路lu故gu障zhang以yi及ji門men極ji驅qu動dong信xin號hao丟diu失shi
、門men極ji驅qu動dong電dian路lu損sun壞huai是shi經jing常chang遇yu到dao的de問wen題ti。當dang上shang述shu故gu障zhang發fa生sheng時shi
，如ru果guo恰qia好hao轉zhuan子zi處chu於yu高gao速su運yun轉zhuan狀zhuang態tai下xia，那na麼me轉zhuan子zi必bi將jiang發fa生sheng高gao速su跌die落luo，發fa生sheng撞zhuang擊ji磨mo損sun甚shen至zhi擊ji毀hui機ji組zu結jie構gou等deng嚴yan重zhong的de安an全quan事shi故gu。因yin此ci需xu要yao及ji時shi且qie精jing準zhun地di自zi動dong判pan斷duan故gu障zhang發fa生sheng

，並bing且qie采cai取qu相xiang應ying的de措cuo施shi確que保bao轉zhuan子zi的de不bu跌die落luo運yun行xing。

幸運的是，現如今市場上基於全橋結構的電力電子功率模塊存在冗餘器件
，這為容錯提供了可能。以圖8為例
，圖8（a）所示的結構為常見的三相全橋功率模塊，可視作圖8（b）和圖8（c）所示的兩個“共橋臂”結構的疊加。正常狀態下，功率放大器工作於圖8（b）模式，兩個繞組電流之和為兩倍的偏置電流；當開路故障發生時，兩個繞組電流之和小於兩倍偏置電流，以此為判斷依據檢測故障發生
；控製器判斷故障發生後，發出切換指令
，將圖8（b）模式切換為圖8（c）模式，電流雖然反向，但並不影響電磁力的方向。基於以上機製，實現了開關器件開路等故障工況下的“容錯控製”。

圖8.磁軸承電力電子容錯控製

03 磁懸浮軸承廣泛的應用領域

在zai電dian力li電dian子zi技ji術shu的de推tui動dong下xia，磁ci懸xuan浮fu軸zhou承cheng的de技ji術shu日ri趨qu成cheng熟shu，也ye開kai始shi廣guang泛fan應ying用yong於yu各ge行xing各ge業ye。較jiao早zao將jiang磁ci懸xuan浮fu軸zhou承cheng技ji術shu進jin行xing應ying用yong的de案an例li為wei法fa國guo軍jun方fang在zai1972年將磁懸浮軸承技術應用於衛星的姿態控製[1]。此後
，磁軸承在航空航天領域的應用逐漸增多
，並拓展至其他領域。目前主要的應用場合有：

（1）高速電機：磁懸浮軸承可以避免轉子旋轉時的摩擦與碰撞，轉子容易獲得較高轉速。一個典型的案例是：2021年2月，美國Calnetix Technologies 公司開發了高速在線磁懸浮風機和雙控製器產品，並將其應用於NASA下一代二氧化碳去除係統[2]。

圖9.磁懸浮高速電機（來自網絡）

（2）離心式壓縮機：壓(ya)縮(suo)機(ji)是(shi)空(kong)調(tiao)機(ji)組(zu)的(de)核(he)心(xin)旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)械(xie)，磁(ci)懸(xuan)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)可(ke)以(yi)替(ti)代(dai)傳(chuan)統(tong)軸(zhou)承(cheng)的(de)潤(run)滑(hua)劑(ji)及(ji)潤(run)滑(hua)裝(zhuang)置(zhi)，對(dui)壓(ya)縮(suo)機(ji)製(zhi)冷(leng)劑(ji)無(wu)汙(wu)染(ran)。此(ci)外(wai)，磁(ci)懸(xuan)浮(fu)軸(zhou)承(cheng)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)壓(ya)縮(suo)機(ji)的(de)運(yun)行(xing)效(xiao)率(lv)，可(ke)節(jie)能(neng)48%左右。目前各大空調公司均有應用了磁懸浮軸承的壓縮機產品。代表企業主要有丹佛斯，格尼斯，瑞士Mecos，日本精工、俄羅斯OKBM公司等。2019年，武漢地鐵裝配了格力公司推出的磁懸浮中央空調產品[3]。

圖10.磁懸浮中央空調機組（來自網絡）

（3）飛輪儲能：feilunchunengdegongzuoyuanlishiliyongdiannengqudongfeilunxuanzhuan，jiangdiannengzhuanhuaweijixienengchucunqilai，dangxuyaojiangdiannengshifangshi，feilunjiansu，jixienengzhuanhuaweidianneng。nengliangdecunchuheshuchushitongguofeilundejiasuhejiansushixiande。feilunkuaisuxuanzhuan
，bukebimianhuicunzaimocasunhao
，zheshicixuanfuyounengpaishangyongchangle。cixuanfudewumocazhichengtexingkeyixianzhujiangdifeilunxuanzhuanguochengzhongdejixiesunhao，tigaonengliangzhuanhuanxiaolv。2019年7yuefen，zaibeijingditieguangyangchengzhan
，yingyonglecixuanfuzhouchengjishudezhaowajifeilunchunengzhuangzhizhengshishixianleshangyong，tianbuleguoneiyingyongfeilunchunengzhuangzhizaijiejuechengshiguidaojiaotongzaishengzhidongnenglianghuishoulingyudekongbai[4]。

圖11.磁懸浮飛輪儲能係統（來自網絡）

（4）人工心髒泵：心xin髒zang泵beng血xue功gong能neng的de喪sang失shi或huo衰shuai竭jie會hui使shi人ren體ti產chan生sheng嚴yan重zhong的de疾ji病bing甚shen至zhi危wei害hai生sheng命ming安an全quan。對dui於yu心xin衰shuai患huan者zhe的de治zhi療liao
，除chu采cai用yong心xin髒zang移yi植zhi的de方fang式shi外wai，另ling一yi種zhong重zhong要yao治zhi療liao方fang式shi為wei人ren工gong心xin髒zang泵beng。2020年疫情期間大家經常聽到的ECMOyeshileisideyuanli。cixuanfurengongxinzangbengjiangcixuanfujishuyurengongxinzangbengjiehe
，weirentixueyexunhuantigongdongli，ercixuanfudewujiechuzhichengyoushikeyibimianchuantongzhouchengduiyuxuexibaodepohuai，tongshiyouxiaojiangdibingrendexinjihaoyangliang
，cujinbingrenxinzangjinenghuifu。2021年7月，華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院為31歲心衰患者施行體外磁懸浮人工心髒輔助手術，並於12天後成功實施心髒移植手術，是國內首個“體外人工心髒-磁懸浮體外左窒輔助裝置”臨床使用案例[5]。

圖12.磁懸浮人工心髒（來自網絡）

除chu上shang述shu典dian型xing應ying用yong外wai，磁ci懸xuan浮fu軸zhou承cheng技ji術shu還hai被bei應ying用yong於yu衛wei星xing姿zi態tai控kong製zhi，電dian主zhu軸zhou機ji床chuang加jia工gong等deng領ling域yu。磁ci懸xuan浮fu軸zhou承cheng是shi未wei來lai智zhi能neng機ji械xie的de重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen，具ju有you無wu摩mo擦ca、無碰撞、不需潤滑、可主動控製等優勢。筆者相信磁懸浮軸承必將在工業、國防、醫療等領域扮演更為重要的角色。

參考文獻

[1] Gerhard Schweitzer,Eric H.Maslen（著）
，徐暘
，張剴，趙雷（譯） .磁懸浮軸承——理論、設計及旋轉機械應用〔Ｍ〕 .北京：機械工業出版社， 2013.147~179

[2]  Calnetix Technologies Supplies Key Components for NASA’s Next-Generation CO2 Removal System | Calnetix Technologies

[3]  https://home.163.com/15/1230/12/BC35MSPJ00104JV9.html

[4]  http://sd.sina.com.cn/news/2019-07-09/detail-ihytcitm0790715.shtml

[5] http://www.chinanews.com/sh/2021/07-21/9524774.shtml

來源：英飛淩工業半導體
，原創：蔣棟、孫宏博等  

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