本發(fā)明涉及磁懸浮支承技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置。

背景技術(shù)：

磁懸浮軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮起來，使定子與轉(zhuǎn)子實現(xiàn)無接觸支承的一種新型高性能軸承。磁懸浮軸承集電磁學、機械學、電子技術(shù)、計算機技術(shù)等于一體的典型機電磁一體化產(chǎn)品，可工作在高溫等惡劣環(huán)境下。與傳統(tǒng)機械軸承相比，磁懸浮軸承具有如下優(yōu)點：無接觸、無摩擦、無需潤滑系統(tǒng)、圓周速度高、發(fā)熱少、低功耗、長壽命、剛度阻尼可在線調(diào)節(jié)，可工作在高溫、低溫和真空等極端環(huán)境下。此外，磁懸浮軸承具有極佳的主動振動控制功能，可以提供較低的徑向剛度，允許轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)下實現(xiàn)自定心以達到自動平衡效果。

通常，工業(yè)磁懸浮離心式壓縮機轉(zhuǎn)子都工作在一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速以上。在磁懸浮離心式壓縮機中，流道中壓縮流體與組件之間的耦合作用會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的自激振動轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。這種失穩(wěn)力來源于流固耦合，并以交叉耦合剛度(ccs)干擾的形式表現(xiàn)出來，即轉(zhuǎn)子某一方向的橫向位移會導(dǎo)致其垂直方向上的激勵。這種正反饋的機制會將旋轉(zhuǎn)能量從工作流體轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子模態(tài)。這種被激發(fā)的模態(tài)通常低于轉(zhuǎn)子運行轉(zhuǎn)速從而導(dǎo)致次同步振動。如果該振動不能被軸承阻尼很好抑制就會發(fā)展成為無邊界振動從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。流固耦合的存在為磁懸浮軸承系統(tǒng)控制器的設(shè)計提出了很大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的磁懸浮軸承試驗臺并沒有能夠模擬磁懸浮壓縮機中交叉耦合剛度激勵干擾的功能。因此，本發(fā)明設(shè)計了一種磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有裝置中沒有能夠模擬磁懸浮壓縮機中交叉耦合剛度激勵干擾的功能的缺陷，提供一種磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置，包括t型槽臺，以及橫向設(shè)置在t型槽臺上且依次相連的高速電機、彈性聯(lián)軸器、徑向磁懸浮軸承組件、柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子、激勵磁懸浮軸承和測量組件；其中：

徑向磁懸浮軸承組件包括設(shè)置在柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子兩端的前徑向磁懸浮軸承和后徑向磁懸浮軸承；

測量組件包括多個徑向電渦流位移傳感器，徑向電渦流位移傳感器安裝在前徑向磁懸浮軸承和后徑向磁懸浮軸承上，徑向電渦流位移傳感器用于檢測柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子的徑向位移；

柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子的中間位置上過盈裝配有大、小兩個動平衡盤，動平衡盤的外周上均勻排布有多個螺紋通孔，通過在螺紋通孔中安裝螺栓對柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡配重；

該裝置還包括數(shù)字控制器，徑向電渦流位移傳感器與數(shù)字控制器的信號輸入端相連，數(shù)字控制器的輸出端通過功率放大器后與前徑向磁懸浮軸承、后徑向磁懸浮軸承以及激勵磁懸浮軸承均相連。

進一步地，本發(fā)明的高速電機為永磁同步高速電機，高速電機上連接有變頻器。

進一步地，本發(fā)明的前徑向磁懸浮軸承和后徑向磁懸浮軸承均包括徑向磁懸浮軸承大端蓋、保護軸承、徑向磁懸浮軸承小端蓋、徑向磁懸浮軸承定子和徑向磁懸浮軸承座；保護軸承為深溝球軸承，保護軸承安裝在徑向磁懸浮軸承大端蓋上，并通過徑向磁懸浮軸承小端蓋壓緊；徑向磁懸浮軸承定子的電磁鐵控制力軸線與轉(zhuǎn)子重力方向呈45°設(shè)置。。

進一步地，本發(fā)明的測量組件包括l型傳感器支架、傳感器測量環(huán)和徑向電渦流位移傳感器，l型傳感器支架安裝在徑向磁懸浮軸承座的一側(cè)，同一軸承的兩傳感器軸線之間呈90°設(shè)置；每個傳感器支架上安裝有一個徑向電渦流位移傳感器的探頭，徑向電渦流位移傳感器的探頭指向被測圓周面，分別監(jiān)測柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子的x軸和y軸徑向方向上的位移。

進一步地，本發(fā)明的動平衡盤包括第一動平衡盤和第二動平衡盤，第一動平衡盤的外周均布有30個m5的螺紋通孔，第二動平衡盤的外周均布有18個m5的螺紋通孔，m5螺紋孔用于安裝不同材料不同長度的m5螺栓，用于柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子不平衡配重。

進一步地，本發(fā)明的激勵磁懸浮軸承包括激勵磁懸浮軸承端蓋、徑向磁懸浮軸承定子、激勵磁懸浮軸承座和磁懸浮軸承定子；徑向磁懸浮軸承定子的電磁鐵控制力軸線與轉(zhuǎn)子重力方向呈45°設(shè)置。

進一步地，本發(fā)明的高速電機的最高轉(zhuǎn)速為30000rpm，高速電機的最高轉(zhuǎn)速高于柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子的二階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，保證試驗裝置的柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子能實現(xiàn)跨一、二階模態(tài)運行。

進一步地，本發(fā)明的激勵磁懸浮軸承所需的激勵控制電流的計算公式為：

其中，γ為給定的交叉耦合剛度干擾幅值，x、y為控制器接收到的后徑向軸承的位移傳感器信號，ki為電流剛度系數(shù)，kx為位移剛度系數(shù)；再由數(shù)字控制器發(fā)出控制電壓信號，驅(qū)動功率放大器產(chǎn)生相應(yīng)的激勵電流，從而對柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子施加交叉耦合剛度激勵。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置，其轉(zhuǎn)子一階和二階彎曲模態(tài)具有較好可控可觀性，且高速電機最高轉(zhuǎn)速高于二階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，可模擬壓縮機的超臨界運行狀態(tài)。同時，在前后徑向懸浮軸承間安裝有激勵磁懸浮軸承，在兩徑向方向通以相應(yīng)控制電流,即可得到根據(jù)幅值為γ的交叉耦合剛度干擾，用于模擬磁懸浮壓縮機轉(zhuǎn)子在超臨界運行下外源流體對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實施例的磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置的剖面示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置的俯視圖；

圖4是本發(fā)明實施例的磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置的轉(zhuǎn)子動平衡試驗時轉(zhuǎn)子上可配重的動平衡盤圖；

圖5是本發(fā)明實施例的磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置的定子45°布置示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例的磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置的電渦流位移傳感器布置圖；

圖中：1—t型槽臺；2—高速電機；3—彈性聯(lián)軸器；4—前徑向磁懸浮軸承；5—柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子；6—第一動平衡盤；7—第二動平衡盤；8—激勵磁懸浮軸承；9—徑向電渦流位移傳感器；10—后徑向磁懸浮軸承；11—保護軸承。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置，包括t型槽臺1，以及橫向設(shè)置在t型槽臺1上且依次相連的高速電機2、彈性聯(lián)軸器3、徑向磁懸浮軸承組件、柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5、激勵磁懸浮軸承8和測量組件；其中：

徑向磁懸浮軸承組件包括設(shè)置在柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5兩端的前徑向磁懸浮軸承4和后徑向磁懸浮軸承10；

測量組件包括多個徑向電渦流位移傳感器9，徑向電渦流位移傳感器9安裝在前徑向磁懸浮軸承4和后徑向磁懸浮軸承10上，徑向電渦流位移傳感器9用于檢測柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5的徑向位移；

柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5的中間位置上過盈裝配有大、小兩個動平衡盤，動平衡盤的外周上均勻排布有多個螺紋通孔，通過在螺紋通孔中安裝螺栓對柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5進行不平衡配重；

該裝置還包括數(shù)字控制器，4路輸入信號，12路輸出信號。徑向電渦流位移傳感器輸出電壓信號，與數(shù)字控制器的4路信號輸入端相連，經(jīng)pid運算后，數(shù)字控制器的前8路輸出端控制電壓信號通過功率放大器后與前徑向磁懸浮軸承4和后徑向磁懸浮軸承10相連，形成閉環(huán)回路使柔性轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。數(shù)字控制器的后4路輸出端控制電壓信號通過功率放大器后與激勵磁懸浮軸承相連，可根據(jù)所需的交叉耦合剛度干擾幅值發(fā)出相應(yīng)的控制電壓信號。

高速電機2為永磁同步高速電機，高速電機2上連接有變頻器。

前徑向磁懸浮軸承4和后徑向磁懸浮軸承10均包括徑向磁懸浮軸承大端蓋、保護軸承11、徑向磁懸浮軸承小端蓋、徑向磁懸浮軸承定子和徑向磁懸浮軸承座；保護軸承11為深溝球軸承，保護軸承11安裝在徑向磁懸浮軸承大端蓋上，并通過徑向磁懸浮軸承小端蓋壓緊；徑向磁懸浮軸承定子的電磁鐵控制力軸線與轉(zhuǎn)子重力方向呈45°設(shè)置。

測量組件包括l型傳感器支架、傳感器測量環(huán)和徑向電渦流位移傳感器9，l型傳感器支架安裝在徑向磁懸浮軸承座的一側(cè)，同一軸承的兩傳感器軸線之間呈90°設(shè)置；每個傳感器支架上安裝有一個徑向電渦流位移傳感器9的探頭，徑向電渦流位移傳感器9的探頭指向被測圓周面，分別監(jiān)測柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5的x軸和y軸徑向方向上的位移。

動平衡盤包括第一動平衡盤6和第二動平衡盤7，第一動平衡盤6的外周均布有30個m5的螺紋通孔，第二動平衡盤7的外周均布有18個m5的螺紋通孔，m5螺紋孔用于安裝不同材料不同長度的m5螺栓，用于柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5不平衡配重。

激勵磁懸浮軸承8包括激勵磁懸浮軸承端蓋、徑向磁懸浮軸承定子、激勵磁懸浮軸承座和磁懸浮軸承定子；徑向磁懸浮軸承定子的電磁鐵控制力軸線與轉(zhuǎn)子重力方向呈45°設(shè)置。

高速電機2的最高轉(zhuǎn)速為30000rpm，高速電機2的最高轉(zhuǎn)速高于柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5的二階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，保證試驗裝置的柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5能實現(xiàn)跨一、二階模態(tài)運行。

激勵磁懸浮軸承8所需的激勵控制電流的計算公式為：

其中，γ為給定的交叉耦合剛度干擾幅值，x、y為控制器接收到的后徑向軸承的位移傳感器信號，ki為電流剛度系數(shù)，kx為位移剛度系數(shù)；再由數(shù)字控制器發(fā)出控制電壓信號，驅(qū)動功率放大器產(chǎn)生相應(yīng)的激勵電流，從而對柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子5施加交叉耦合剛度激勵。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中：

磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置，包括：高速電機部分，彈性聯(lián)軸器，徑向磁懸浮軸承，測量部分，柔性轉(zhuǎn)子，激勵磁懸浮軸承。

所述的一種磁懸浮離心式壓縮機的交叉耦合剛度激勵模擬裝置中，高速電機部分包括永磁同步高速電機(含變頻器)和電機基座。

徑向磁懸浮軸承包括徑向磁懸浮軸承大端蓋，保護軸承(深溝球軸承)，徑向磁懸浮軸承小端蓋，徑向磁懸浮軸承定子，徑向磁懸浮軸承座。保護軸承(深溝球軸承)安裝在徑向磁懸浮軸承大端蓋上，并通過小端蓋壓緊。徑向磁懸浮軸承定子的電磁鐵控制力軸線與轉(zhuǎn)子重力方向呈45°設(shè)置。

測量部分包括l型傳感器支架、傳感器測量環(huán)和電渦流位移傳感器。l型傳感器支架安裝在徑向磁懸浮軸承座一側(cè)，呈90°布置。每個傳感器支架上安裝有一個電渦流位移傳感器探頭，分別監(jiān)測轉(zhuǎn)子的x軸和y軸徑向方向上的位移。

柔性轉(zhuǎn)子中間位置上過盈裝配有大、小兩個動平衡盤。動平衡盤1外周均布有30個m5的螺紋通孔。動平衡盤外周均布有18個m5的螺紋通孔。m5螺紋孔可安裝不同材料不同長度的m5螺栓，用于轉(zhuǎn)子不平衡配重。

激勵磁懸浮軸承部分包括激勵磁懸浮軸承端蓋，徑向磁懸浮軸承定子，激勵磁懸浮軸承座和磁懸浮軸承定子。徑向磁懸浮軸承定子的電磁鐵控制力軸線與轉(zhuǎn)子重力方向呈45°設(shè)置。

與傳統(tǒng)的滾動軸承和滑動軸承相比，磁懸浮軸承具有兩大優(yōu)點，一是無接觸，無需潤滑系統(tǒng)。二是支承特性可進行主動調(diào)節(jié)。因此，磁懸浮軸承可以應(yīng)用于高速和超高速的工作環(huán)境如離心式壓縮機；而且磁懸浮軸承主動控制的引入為轉(zhuǎn)子的振動控制提供了有效的手段，但同時交叉耦合剛度干擾的存在也為控制器的設(shè)計帶來了極大挑戰(zhàn)，國內(nèi)外學者也做了大量研究。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有磁懸浮機械試驗臺相比具有以下的主要優(yōu)點：

1、其一階和二階彎曲模態(tài)具有較好的可控可觀性；同時，所選電機最高轉(zhuǎn)速超過柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子的二階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，因此本發(fā)明可用于柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的跨階控制研究。

2、前后徑向懸浮軸承間裝有激勵磁懸浮軸承，通以合適電流可對柔性磁懸浮轉(zhuǎn)子加載不同程度的無接觸交叉耦合剛度擾動，用于模擬磁懸浮壓縮機轉(zhuǎn)子外源流體交叉耦合剛度干擾抑制研究。具體實施如下：

外源交叉耦合剛度干擾力：

其中，γ為交叉耦合剛度干擾幅值；

磁懸浮軸承電磁力：

其中，ki為電流剛度系數(shù)，kx為位移剛度系數(shù)；

聯(lián)立電磁力與交叉耦合剛度干擾力得到能產(chǎn)生γ幅值交叉耦合剛度的電流表達式：

應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。