实验室工程楼外景

实验室内景

国家“十二五”科技创新成就展展览台架

多轴承实验台架

兆瓦级磁悬浮高速永磁电机

高低温实验箱

学术论文

[1] Bian, X., Shi, Z., Sun, Z., Zhao, J., Liu, X., Yan, X., Mo, N. (2024). Synchronous disturbance suppression of active magnetic bearing rotor systems using variable period adaptive control algorithm. Measurement Science and Technology, 35(1).

[2] Bian, X., Shi, Z., Sun, Z., Shi, L., Yan, X., Mo, N. (2023). Automatic Balancing for AMB-Rotor System Using Adaptive Period Iteration Control with a Novel Rotating Speed Estimator. IEEE Sensors Journal, 23(15), 17173-17186.

[3] Yan, X., Liu, Y., & Zhang, C. (2022). Multiresolution Hypergraph Neural Network for Intelligent Fault Diagnosis. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 71, 1-10.

[4] Zhang, X., Sun, Z., Zhao, L., Yan, X., Zhao, J., Shi, Z. (2021). Analysis of supercritical pitchfork bifurcation in active magnetic bearing-rotor system with current saturation. Nonlinear Dynamics, 104(1), 103-123.

[5] Sun, Z., Zhang, X., Fan, T., Yan, X., Zhao, J., Zhao, L., Shi, Z. (2019). Nonlinear dynamic characteristics analysis of active magnetic bearing system based on cell mapping method with a case study. Mechanical Systems and Signal Processing, 117, 116-137.

[6] Yan, X., Sun, Z., Zhao, J., Shi, Z., & Zhang, C. (2019). Fault diagnosis of rotating machinery equipped with multiple sensors using space-time fragments. Journal of Sound and Vibration, 456, 49-64.

[7] Zhao, J., Sun, Z., Yan, X., Yang, G., Zhou, Y., Liu, X., Zhang, X. (2018). Helium blower test based on aerodynamic force simulation. Annals of Nuclear Energy, 118, 283-290.

[8] Zhao, Y., Liu, X., Yang, G., Shi, Z., & Zhao, L. (2018). Dynamic Analysis for the Rotor Drop Process and Its Application to a Horizontal Rotor-Active Magnetic Bearing System in Helium Gas. Journal of Tribology, 140(4).

[9] Liu, X., Shi, Z., Yang, G., & Yan, X. (2017). Experimental study on breakdown voltage of high pressure and high temperature helium gas between parallel electrodes. Annals of Nuclear Energy, 110, 1224-1231.

[10] Zhao, Y., Yang, G., Liu, X., Shi, Z., & Zhao, L. (2016). Research on dynamics and experiments about auxiliary bearings for the helium circulator of the 10 MW high temperature gas-cooled reactor. Annals of Nuclear Energy, 95, 176-187.

主要研究成果

（1）高温气冷堆主氦风机工程样机

“高温堆专项”的核心目标是建成具有自主知识产权的20万千瓦级高温堆示范工程，为后续建设多模块商业化机组，推进高温堆的产业化奠定基础。HTR-PM示范工程，是我国首次将高温气冷堆技术进行商用规模的产业化进程。其中，用于支承主氦风机转子的电磁轴承是关系到高温气冷堆将来商业应用的核心技术之一。加快主氦风机等关键设备的国产化，是高温堆产业化的关键环节。同小型的高温气冷实验堆相比，HTR-PM需要满足长期高可靠性和安全性的商业运行要求，对主氦风机的轴承支承要求更高。随着电磁轴承技术的发展，以及众多成功工业应用案例的证明，采用电磁轴承技术的主氦风机将是最可行的方案，能够满足高可用性和可靠性要求，实现长期稳定运行。目前，高温气冷堆示范工程的两套主氦风机仍采用国外进口电磁轴承作为主氦风机的核心支承部件。电磁轴承属于“卡脖子”关键技术，进口轴承价格昂贵，性能及服务却并不理想。因此，急需加快主氦风机电磁轴承国产化进程。

清华大学磁轴承技术研究室在国家重大专项课题的支持下，针对高温气冷堆核电站HTR-PM主氦风机的结构、功能以及运行条件要求，对电磁轴承的多个核心技术进行深入研究和开发，包括研究电磁轴承的主动振动抑制控制技术、轴承-转子系统的复杂动力学行为、实时在线监测与故障诊断技术、现场电磁兼容性分析、辅助轴承的设计以及整体系统的可靠性等核心技术。通过小型试验台架和全尺寸工程样机的应用，全面评估自主研发的磁轴承、控制器、传感器、功率放大器等关键设备的性能与可靠性，进而通过系统的优化改进，标准化设计、工艺固化研究，全面掌握了电磁轴承从工程设计、生产制造，到试验调试和运行维护的核心技术，最终完成了产品化验证，能够替代国外进口电磁轴承，实现了高温气冷堆核电站主氦风机用电磁轴承的国产化突破，同时为示范工程的顺利实施提供了技术条件基础。该项成果荣获2014年教育部“高校十大科技进展”。

主氦风机工程样机	主氦风机工程样机氮气实验回路
主氦风机工程样机试验台

（2）氦气透平

在“高温气冷堆氦气透平发电系统”（HTR-10GT）中，氦气透平压缩机组工作于高温密闭氦气环境，机组转子需要越过两个挠性临界转速以达到工作转速15,000r/min。传统轴承难以满足核反应堆一回路特殊环境下对大型重载高速挠性转子的支承要求，因而采用磁轴承支承方式被认为是唯一现实可行的解决方案。由于磁轴承是一种新兴技术，国内外在大型工程中的应用实例为数不多，在核能领域里的应用国际上目前尚无先例，为保证氦气透平机组转子安全、可靠地运行，顺利通过二阶挠性临界转速，需要深入开展一系列相应的理论和试验研究。当今只有极少数几个国家在实验室条件下完成了过临界试验，而在大型工程应用中超越二阶挠性临界转速目前还是空白。

清华大学磁轴承研究室集合结构设计、转子动力学分析、系统辨识、自动控制、传感器、电力电子技术等诸多学科的人才集中攻关，成功攻克了挠性转子在可控状态下超越二阶临界转速的难题，完成了氦气透平电磁轴承系统的设计与样机研制。

（3）电磁轴承自动检测技术

作为机电一体化的设备，磁轴承在调试、维护期间，需要对电气特性和机械结构进行检测，其中绝缘检测和间隙检测是两个主要的测试项。目前广泛使用的测试方法需要拆检，依靠人工测量，且误差较大，无法满足核电站现场调试过程中快速准确检测的需求。大幅缩短调试维护时间，降低成本，提高检测精度和测试结果鲁棒性，对磁轴承的工程应用具有重要的意义。

清华大学磁轴承研究室自主研发了磁轴承自动检测技术，无需拆检，可以在不影响现有磁轴承主接线的情况下，实现对磁轴承绝缘状态的自动检测，和不额外增加传感器的前提下进行一键式多通道快速间隙检测，且误差精度控制在5%，完全满足工程需要，并与华能集团核能技术研究院合作，将该技术应用于高温气冷堆示范电站，申请发明专利10余项。