文 献 综 述

一．课题研究背景及意义

磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空在固定运转轨道上。与传统的机械相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以有很高的转速，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，很适用于高速、真空、超净等特殊环境中。高速磁轴承的发展需要高性能、高效率的功率放大器与之配套。开关型功率放大器因其损耗小、效率高、通频带宽等优点，广泛取代了早期低效率的线性功放，成为目前功率放大器研究的重点。 传统的磁轴承开关功放大都采用电流两态调制技术，存在电流纹波大、动态特性受限等缺点。电流三态调制技术很好地克服了上述缺点，实现了开关功放低电流纹波 和良好的动态特性的理想结合^[1].放大器作为磁轴承系统执行器的一个重要组成部分，其性能的好坏直接影响系统控制性能的优劣，因此功率放大器的设计问题一直以来都是学术界与工程界广泛关注的焦点，其意义也十分重大而深远。

二．国内外现状

1950年，美国弗吉尼亚大学J.W.Beams最早研制成功用于离心机的混合电磁轴承。1977年法国S2M公司开发了世界上第一台用于高速机床的磁悬浮主轴.2002年德国Darmsdat工业大学机电研究所成功研制出了主动磁轴承（AMB)电主轴^[2]。在航空航天领域，美国法国以及日本先后成功的将磁悬浮轴承应用在空间制导和惯性轮以及发动机等核心构件上。

我国对磁悬浮支承技术的研究开始于20世纪50年代末，目前还处于实验及工业试验运行阶段，还未有成功批量应用于实际机组上的报道。目前，清华大学^[3-8]、西安交通大学^[9-16]、上海大学、武汉理工大学、南京航空航天大学以及北京航空航天大学等多所院校都在致力于磁悬浮轴承的研究工作。

在电磁轴承系统中，功率放大器的作用是把控制器输出的控制信号转化为电磁铁需要的大电流，从而为电磁轴承悬浮转子提供功率。传统的功放多采用线性功放，目前主要应用于小型功率源。由于线性功放效率低，人们开始研究脉宽调制式（PWM)功率放大器，以解决效率和功率之间的矛盾。国外采用PWM技术制造出了集成电路元件。APEX公司的SA60^[17]，效率可达97%，输出电流达10A.Bang-Bang控制，采样保持控制和滞后控制等多种控制方法也相继用于电磁轴承系统的开关功放的设计和实现上^[18][19].目前，基于三电平电路的新型开关功率放大器由于其电流纹波小，成为开关功率放大器的研究重点。山东大学的白咸林等人采用三电平调制技术，利用二重化和相移SPWM技术制作了1KW的开关功率放大器^[20][21]。南京航空航天大学的臧晓敏等人制作了基于采样保持的控制策略的三电平开关功率放大器^[22].

三．发展趋势

目前国内研究电磁轴承的单位逐渐增多, 其中西安交大润滑及轴承研究所是国内这个领域比较活跃的研究单位,也是国内较早进行电磁轴承技术研究的单位之一,已完成了某涡轮膨胀机电磁轴承系统研制和飞行器转动惯量测试平台磁悬浮系统的研制,并开展了感应型磁悬浮电动机的电磁耦合关系和运行特性研究,着重研究磁悬浮电动机的控制。目前他们在系统建模和辨识等理论研究方面也取得了一定进展。清华大学与北京航空航天大学宇航学院合作,积极发展采用电磁轴承的航天飞轮储能系统。与国外相比,国内在复合材料性能、轴承技术和电能转换效率和实验室研究方面存在明显的差距。沈阳航空发动机研究所开展的航空发动机用电磁轴承和电气传动附件研究已取得了实用性进展。其中的主要研究项目:电磁轴承及其控制系统,已在验证发动机上进行了相关试验。上海大学轴承研究室已建立了采用电磁轴承的航空发动机试验台,研究也取得了阶段性成果,一些技术指标接近或者达到了国际先进水平。目前，开关功率放大器正向大功率化发展，英国LDS公司的SPAK开关功放采用多个开关功放模块并联，最大功率可达280KW，开关频率150KHZ，效率达93%，但其模块之间存在均流问题，新型的开关功放正采用DSP芯片开发DPPC^[23]（数字脉冲功率转换器）

四．参考文献