磁轴承在船舶推进轴系振动控制中的应用现状与展望

高宪军

摘要：船舶推进轴系的振动噪声包括径向轴承处的横向激励及推力轴承处的纵向激励船体产生的耦合振动噪声。在正常情况下，纵向激励引起的振动噪声是主要分量，横向激励引起的噪声也不可忽略。基于此，本文详细分析了磁轴承在船舶推进轴系振动控制中的应用现状与展望。

关键词：磁轴承；船舶；推进轴系；振动控制

磁轴承又称磁悬浮轴承，具有无接触微振动、高精度、低功耗、无需润滑、实时主动控制等特点。磁轴承的特征使其在航空航天姿态控制、航空发动机涡轮泵、电机主轴等稳定性、精度与振动特性要求高的高转速、低载荷系统振动控制中首先得到较多应用。随着对一些高转速和重载荷系统稳定性、精度与振动特性的要求越来越高，磁轴承已逐渐应用于高转速和重载荷的振动控制中。

一、磁轴承概述

磁轴承是一种新型高性能轴承，其不存在机械接触，转子能达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，适用于高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。

二、国内磁轴承

我国磁轴承的研究始于20世纪80年代，当前，国内许多科研院校，如清华大学、南京航空航天大学、武汉理工大学、上海大学、国防科技大学、浙江大学、山东大学、北京航空航天大学、西安交通大学等，正在进行磁轴承方面的研究。

1988年，有学者研究了主动磁轴承机床主轴控制系统的数学模型，这是国内首次对主动磁轴承全悬浮机床主轴从结构到控制的系统研究；1989年，有学者利用状态反馈原理讨论了磁控制的多自由度解耦问题；并利用磁荷库仑定律分析计算了磁轴承的径向磁力，提出的方法更易于理解；1994年，在机电与控制实验室成功研制出卧式五自由度磁轴承系统，转速高达53200r/min。

一些学者研究了三种混合磁轴承(轴向、径向和轴向-径向)的具体参数设计和优化方法，在分析其拓扑结构和磁场分布基础上，以最大悬浮力为设计目标，以软磁材料中的磁场不饱和为约束条件，以最小体积为优化目标，推导了其软磁材料、永磁材料和控制绕组的参数设计及优化公式，并基于MATLAB开发了界面友好、操作简单的混合型磁悬浮轴承参数设计与优化软件。

近期，有学者提出了一种识别主动磁轴承刚度及阻尼参数的方法，并对磁轴承实验平台进行了数值计算及模型实验。仿真结果与测量结果的一致性验证了此识别方法的有效性。另外，研究了实际工况对主动磁轴承刚度及阻尼参数的影响，并进行了实验验证；同时开展了主动磁轴承作为激振器在缺陷检测及故障诊断领域的应用研究；以及径向磁轴承动态刚度系数特性及X、Y方向耦合的研究。

能实现磁轴承制造和应用的国内公司有天津飞旋科技有限公司、南京磁谷科技有限公司等。以清华大学为技术依托，天津飞旋科技有限公司率先成功研发出适合我国集成电路设备应用的五自由度控制分子泵磁轴承，并研制出我国首个具有完全自主知识产权的磁分子泵。此外，依托南京航空航天大学磁应用技术研究所的科研力量，南京磁谷科技有限公司成功完成了多型大功率高转速驱动设备及高速高效一体化流体机械设备，其自主研发的第首台国产磁离心鼓风机已在污水处理厂成功连续运行。

三、国内船舶推进轴系磁轴承

我国对磁轴承在船舶机械设备振动控制中的应用进行了一些研究，磁轴承在船舶推进轴系振动噪声控制中的研究刚刚起步。传统的磁轴承控制系统以轴系的稳定运行，即轴心轨迹区间范围最小为控制目标，而船舶推进轴系的磁轴承综合控制方案则以轴系对船体的最小激振力为控制目标进行综合优化。磁轴承控制系统可通过测量反馈不断调整支撑刚度，并在大范围内控制轴心轨迹，从而实现轴系对船体最小激振力的控制目标。轴心轨迹区间范围的限制不会影响轴系的正常运转功能即可。

海军工程大学学者总结了船用磁轴承的关键技术和发展，并指出船舶适应性、可靠性、低承载能力密度是制约船用磁轴承发展的难点。同时指出，减振降噪是未来船用磁轴承的重要技术方向之一。

其他学者开展了基于磁流变弹性体的舰船轴系纵向振动半主动控制研究，设计了磁流变弹性体半主动式动力吸振器，利用磁流变弹性体来控制推进轴系的纵向振动，并进行了实验研究，以验证其移频特性及吸振效果。

针对推进轴系引起的结构振动噪声问题，上海交通大学学者提出了一种计算模型，该模型能描述电磁轴承，分析不同转速下的力传递特性，减少螺旋桨振动通过轴系向壳体传递。

海军工程大学提出了基于磁轴承的船舶动力设备与推力轴承一体化隔振系统，并进行了仿真分析，取得了显著的控制效果。同时，开展了船用永磁推力轴承轴向轴承特性研究，针对一种新型径向磁化永磁推力轴承，采用虚位移法和线性叠加原理，建立了新型永磁推力轴承的数学解析模型。模型表明，在小间隙条件下，轴向承载力随气隙的增大而减小；当间隙固定时，轴向承载力随轴向位移的增加先增大后减小，存在最大承载力。采用有限元法对轴向磁力进行了模拟计算，模拟结果与解析结果基本一致。

近期，开展了磁轴承轴系台架试验研究，验证了磁轴承对船舶推进轴系引起的船振动控制效果。比较了传统PID控制及新型力补偿主动控制下轴系台架轴上的加速度响应，验证了磁轴承主动控制后轴承处的加速度响应显著降低。控制目标是最小化轴系对轴承的激振力，即轴承处的加速度响应最小。轴系台架包括向轴承及轴向轴承。加速度传感器安装在左右磁轴承座上方，用于测量振动，且电磁激振器用于外部激振。

比较了传统PID控制方法、轴向陷波(轴向补偿)、径向轴向陷波(径向和轴向补偿)对基座振动的影响。转速为2000r/min，激励为2000Hz单频激励，结果为：与传统磁轴承PID控制工况相比，当磁轴承进行轴向补偿时，基座在X、Y和Z方向上的加速度响应分别降低约0.7dB、1.9dB和2.5dB；当同时进行轴向和径向补偿时，基座在X、Y和Z方向上的加速度响分别降低约9.4dB、11.5dB、8.1dB。磁轴承轴系台架振动初步试验充分验证了磁轴承的振动控制效果，表明磁轴承应用于船舶推进轴系振动控制不存在颠覆性的技术风险。

四、展望

随着磁轴承技术的发展及对船舶振动噪声控制的迫切需求，磁轴承在船舶振动噪音控制中的应用成为可能。磁轴承在船舶推进轴系振动噪声控制中的应用研究在我国刚起步，国内多家单位对磁轴承在船舶推进轴系振动控制中的应用开展了相关研究，特别是海军工程大学开展了相关试验研究，磁轴承在轴系振动控制中的应用无技术障碍。针对磁轴承在船舶推进轴系振动控制中的应用，研究了传统的PID控制方法。通过磁轴承轴系台架的振动控制效果试验验证，磁轴承在补偿了轴系的径向力及轴向力后，可显著降低轴系在轴承处产生的振动。磁轴承在船舶推进轴系减振降噪控制中的应用前景广阔，船舶推进轴系磁轴承的未来研究主要集中在以下方面：

1、适用于船舶推进轴系的磁轴承综合控制系统：与传统轴承系统相比，船舶推进轴系具有重载、低转速特点，推进轴系重载的支承、非定常激励力的控制及轴系支撑点相对位移变化对轴系振动的影响规律，形成船舶推进轴系振动噪声磁轴承的控制技术。

2、重载荷磁轴承空间布置与散热问题：船舶推进轴系一般需提供数十吨推力和支承力，这对磁轴承的承载能力提出了更高要求，需研究磁轴承的承载力密度和优化轴系结构形式等。

3、重载荷磁轴承在复杂工况下的失效保护和可靠性问题：作为船舶推进系统的组成部分，必须具有在复杂环境中正常运行的能力。针对外界风浪、航速、舱内高温高湿的影响，提出相应的控制方法和系统冗余设计，以提高磁轴承系统的可靠性，并通过辅助轴承等手段，在磁轴承失效后，仍可暂时保持推进系统的正常运转。

参考文献：

[1]张维煜.磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述[J].电工技术学报,2015，30(12):12-20.