專利名稱：磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁懸浮的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
和傳統(tǒng)軸承相比，磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子無接觸，支承功耗小，使用壽命長；不需要潤 滑和密封，可長期用于高低溫等特殊環(huán)境中；維護(hù)費(fèi)用低、便于主動(dòng)控制等等，因而被認(rèn)為 是支承技術(shù)的一次革命，是目前唯一投入實(shí)用的主動(dòng)支承裝置。雖然具有傳統(tǒng)軸承無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但磁懸浮軸承仍然存在渦流和磁滯損耗，特 別是在大功率應(yīng)用場(chǎng)合(如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、膨脹機(jī)、汽輪機(jī)等)，渦流和磁滯損耗很大，需要采 用強(qiáng)有力的冷卻措施，因此低損耗磁懸浮軸承技術(shù)一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。根據(jù)國外公 開文獻(xiàn)，零偏置電流控制方式可有效減小磁懸浮軸承的能量損失。磁懸浮軸承各自由度電磁鐵一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子各自由度兩端各有一個(gè)電 磁鐵。常見的有偏置電流控制方式是兩端電磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為偏置磁場(chǎng)與控制磁場(chǎng)的疊 加，偏置磁場(chǎng)由偏置電流產(chǎn)生，控制磁場(chǎng)由控制電流產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏移時(shí)，偏置磁場(chǎng)保 持不變，在控制器作用下，控制電流發(fā)生變化，使兩邊磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)合適的差值， 產(chǎn)生所需電磁力。而零偏置電流控制方式則不同，當(dāng)轉(zhuǎn)子在某自由度處于指定位置時(shí)，兩端電磁鐵 中的電流為零；當(dāng)轉(zhuǎn)子在某自由度有偏移時(shí)，僅對(duì)應(yīng)單端電磁鐵有控制電流。由于取消了 偏置電流，氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯減小，因此功率放大器損耗、渦流和磁滯損耗均大大降 低。但該方式使得磁懸浮軸承的支承剛度和阻尼大幅降低，并且系統(tǒng)的非線性明顯增加，因 此未被廣泛采用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用操作方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，并能夠降低長時(shí) 間運(yùn)行過程中磁懸浮軸承的損耗的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置及控制方 法。一種磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置，包括橫向依次布置在基座上的 軸向電渦流傳感器、第一徑向磁懸浮軸承組件、軸向磁懸浮軸承、高頻電機(jī)、第二徑向磁懸 浮軸承組件以及被懸浮和被驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子；徑向電渦流傳感器集成在徑向磁懸浮軸承組件 內(nèi)，各徑向電渦流傳感器和軸向電渦流傳感器分別與數(shù)字控制器的信號(hào)輸入端連接，數(shù)字 控制器的信號(hào)輸出端與功率放大器的輸入端連接，功率放大器的輸出端與各磁懸浮軸承連 接，變頻電源與高頻電機(jī)連接。
基于本發(fā)明的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置的控制方法，包括如下 步驟
第一步根據(jù)理論分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果，在數(shù)字控制器中設(shè)定一振動(dòng)門限值，該 振動(dòng)門限值用于區(qū)分系統(tǒng)是否在臨界轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行；
第二步根據(jù)理論分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果，在數(shù)字控制器中設(shè)定不同的偏置電流 值，其中所選定的低偏置電流用于滿足系統(tǒng)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速區(qū)間平穩(wěn)運(yùn)行的需要；
第三步各徑向電渦流傳感器和軸向電渦流傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子各自由度的振動(dòng)，并將振 動(dòng)信號(hào)送入數(shù)字控制器；
第四步數(shù)字控制器將第三步得到的振動(dòng)信號(hào)與第一步設(shè)定振動(dòng)門限值進(jìn)行比較；當(dāng) 振動(dòng)信號(hào)小于振動(dòng)門限值時(shí)，通過功率放大器控制第一徑向磁懸浮軸承組件、軸向磁懸浮 軸承、第二徑向磁懸浮軸承組件采用低偏置電流控制方式，以降低磁懸浮軸承的損耗；當(dāng)振 動(dòng)信號(hào)高于振動(dòng)門限值時(shí)，通過功率放大器控制第一徑向磁懸浮軸承組件、軸向磁懸浮軸 承、第二徑向磁懸浮軸承組件采用有偏置電流控制方式，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)當(dāng)系統(tǒng)越過第一階臨 界轉(zhuǎn)速時(shí)，因轉(zhuǎn)子振動(dòng)較大，超過了振動(dòng)門限值，因此磁懸浮軸承采用有偏置電流控制方 式，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；而當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離該階臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，因轉(zhuǎn)子振動(dòng)較小，磁懸 浮軸承采用低偏置電流控制方式，達(dá)到了減小電磁鐵線圈電流，降低功率放大器損耗、渦流 和磁滯損耗的目的。當(dāng)系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速(一般遠(yuǎn)離各階臨界轉(zhuǎn)速)長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，這一控制 策略的效果尤為顯著，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用操作方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是采用有偏置電流控制方式(偏置電流為2. 5A)和變偏置電流控制策略(偏置 電流為2. 5A或2A)時(shí)第一徑向磁懸浮軸承處轉(zhuǎn)子的振幅曲線。圖3是采用變偏置電流控制策略(偏置電流為2. 5A或2A)時(shí)第一徑向磁懸浮軸承 上線圈內(nèi)的電流波形。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明
如圖1所示，一種磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置，包括橫向依次布置在 基座3上的軸向電渦流傳感器1、第一徑向磁懸浮軸承組件2、軸向磁懸浮軸承4、高頻電機(jī) 5、第二徑向磁懸浮軸承組件7以及被懸浮和被驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子6 ；徑向電渦流傳感器集成在徑 向磁懸浮軸承組件內(nèi)，各徑向電渦流傳感器和軸向電渦流傳感器1分別與數(shù)字控制器的信 號(hào)輸入端連接，數(shù)字控制器的信號(hào)輸出端與功率放大器的輸入端連接，功率放大器的輸出 端與各磁懸浮軸承連接，變頻電源與高頻電機(jī)5連接?；诒景l(fā)明的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置的控制方法，包括如下 步驟第一步根據(jù)理論分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果，在數(shù)字控制器中設(shè)定一振動(dòng)門限值，該 振動(dòng)門限值用于區(qū)分系統(tǒng)是否在臨界轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行；
第二步根據(jù)理論分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果，在數(shù)字控制器中設(shè)定不同的偏置電流 值，其中所選定的低偏置電流用于滿足系統(tǒng)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速區(qū)間平穩(wěn)運(yùn)行的需要；
第三步各徑向電渦流傳感器和軸向電渦流傳感器1檢測(cè)轉(zhuǎn)子各自由度的振動(dòng)，并將 振動(dòng)信號(hào)送入數(shù)字控制器；
第四步數(shù)字控制器將第三步得到的振動(dòng)信號(hào)與第一步設(shè)定振動(dòng)門限值進(jìn)行比較；當(dāng) 振動(dòng)信號(hào)小于振動(dòng)門限值時(shí)，通過功率放大器控制第一徑向磁懸浮軸承2、軸向磁懸浮軸承 4、第二徑向磁懸浮軸承7采用低偏置電流控制方式，以降低磁懸浮軸承的損耗；當(dāng)振動(dòng)信 號(hào)高于振動(dòng)門限值時(shí)，通過功率放大器控制第一徑向磁懸浮軸承2、軸向磁懸浮軸承4、第 二徑向磁懸浮軸承7采用有偏置電流控制方式，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖1為系統(tǒng)的機(jī)械裝置。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果，系統(tǒng)的第一階臨 界轉(zhuǎn)速約為3000r/min，設(shè)定磁懸浮軸承控制器比例系數(shù)矣=0. 5，積分系數(shù)先=0. 8，微分系 數(shù)々d=0. 5，兩種偏置電流分別為2. 5A和2A，振動(dòng)門限值為12mm。轉(zhuǎn)子在磁懸浮軸承的作用下穩(wěn)定懸浮，并通過高頻電機(jī)帶動(dòng)，由Orpm穩(wěn)定運(yùn)行至 IOOOOrpm左右。采用HP35670頻譜分析儀采集第一徑向磁懸浮軸承處轉(zhuǎn)子的振動(dòng)如圖2所 示。圖2中曲線1是磁懸浮軸承采用有偏置電流控制方式(偏置電流為2. 5A)時(shí)的振幅曲 線，曲線2是磁懸浮軸承采用變偏置電流控制策略(偏置電流為2. 5A或2A)時(shí)的振幅曲線。 采用HP35670頻譜分析儀采集變偏置電流控制策略(偏置電流為2. 5A或2A)下第一徑向磁 懸浮軸承上線圈內(nèi)的電流波形如圖3所示。由圖2可見，當(dāng)磁懸浮軸承采用有偏置電流控制方式(偏置電流為2. 5A)時(shí)，轉(zhuǎn)子 可平穩(wěn)越過第一階臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子最高振幅為19Mm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為2970r/min，振幅超出12Mm 的轉(zhuǎn)速區(qū)間大致在2520r/min 3240r/min左右。當(dāng)磁懸浮軸承采用變偏置電流控制策略 (偏置電流為2. 5A或2A)時(shí)，轉(zhuǎn)子最高振幅為19. 7Mm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為2940r/min。由圖3可見，變偏置電流控制策略(偏置電流為2. 5A或2A)下第一徑向磁懸浮軸 承上線圈內(nèi)的電流變化范圍大致為1. 8A 3. 4A。在2520r/min 3240r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi) 有明顯的電流跳動(dòng)，其平均電流為3A (因?yàn)橹亓Φ挠绊?，該平均電流大于偏置電?. 5A)， 其峰值電流為3. 4A。在其余轉(zhuǎn)速區(qū)間，其平均電流為2. 4A (因?yàn)橹亓Φ挠绊?，該平均電?大于偏置電流2A)，其峰值電流為2. 96A。由上述分析可以看出，當(dāng)系統(tǒng)越過第一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，因轉(zhuǎn)子振動(dòng)較大，超過了振 動(dòng)門限值，因此磁懸浮軸承采用有偏置電流控制方式(偏置電流為2. 5A)，以保證系統(tǒng)安全 穩(wěn)定運(yùn)行；而當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離該階臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，因轉(zhuǎn)子振動(dòng)較小，磁懸浮軸承采用低偏置電 流控制方式(偏置電流為2A)，達(dá)到了減小電磁鐵線圈電流，降低功率放大器損耗、渦流和磁 滯損耗的目的。當(dāng)系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速(一般遠(yuǎn)離各階臨界轉(zhuǎn)速)長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，這一控制策略 的效果尤為顯著。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置，其特征在于包括橫向依次布置在 基座(3)上的軸向電渦流傳感器(1)、第一徑向磁懸浮軸承組件(2)、軸向磁懸浮軸承(4)、 高頻電機(jī)(5)、第二徑向磁懸浮軸承組件(7)以及被懸浮和被驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子(6)；徑向電渦流 傳感器集成在徑向磁懸浮軸承組件內(nèi)，各徑向電渦流傳感器和軸向電渦流傳感器(1)分別 與數(shù)字控制器的信號(hào)輸入端連接，數(shù)字控制器的信號(hào)輸出端與功率放大器的輸入端連接， 功率放大器的輸出端與各磁懸浮軸承連接，變頻電源與高頻電機(jī)(5)連接。
2.基于權(quán)利要求1所述的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置的控制方法，其 特征在于包括如下步驟第一步根據(jù)理論分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果，在數(shù)字控制器中設(shè)定一振動(dòng)門限值，該 振動(dòng)門限值用于區(qū)分系統(tǒng)是否在臨界轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行；第二步根據(jù)理論分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果，在數(shù)字控制器中設(shè)定不同的偏置電流 值，其中所選定的低偏置電流用于滿足系統(tǒng)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速區(qū)間平穩(wěn)運(yùn)行的需要；第三步各徑向電渦流傳感器和軸向電渦流傳感器(1)檢測(cè)轉(zhuǎn)子各自由度的振動(dòng)，并 將振動(dòng)信號(hào)送入數(shù)字控制器；第四步數(shù)字控制器將第三步得到的振動(dòng)信號(hào)與第一步設(shè)定振動(dòng)門限值進(jìn)行比較；當(dāng) 振動(dòng)信號(hào)小于振動(dòng)門限值時(shí)，通過功率放大器控制第一徑向磁懸浮軸承組件(2)、軸向磁懸 浮軸承(4)、第二徑向磁懸浮軸承組件(7)采用低偏置電流控制方式，以降低磁懸浮軸承的 損耗；當(dāng)振動(dòng)信號(hào)高于振動(dòng)門限值時(shí)，通過功率放大器控制第一徑向磁懸浮軸承組件(2)、 軸向磁懸浮軸承(4)、第二徑向磁懸浮軸承組件(7)采用有偏置電流控制方式，以保證系統(tǒng) 安全穩(wěn)定運(yùn)行。
全文摘要
磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置及控制方法，涉及磁懸浮的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括橫向依次布置在基座上的軸向電渦流傳感器、第一徑向磁懸浮軸承組件、軸向磁懸浮軸承、高頻電機(jī)、第二徑向磁懸浮軸承組件以及被懸浮和被驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子；徑向電渦流傳感器集成在徑向磁懸浮軸承組件內(nèi)，各徑向電渦流傳感器和軸向電渦流傳感器分別與數(shù)字控制器的信號(hào)輸入端連接，數(shù)字控制器的信號(hào)輸出端與功率放大器的輸入端連接，功率放大器的輸出端與各磁懸浮軸承連接，變頻電源與高頻電機(jī)連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用操作方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，并能夠降低長時(shí)間運(yùn)行過程中磁懸浮軸承的損耗的磁懸浮軸承柔性轉(zhuǎn)子的變偏置電流控制裝置及控制方法。
文檔編號(hào)F16C32/04GK102072251SQ201110023968
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者吳凱鋒, 石慶才, 章淑锳, 謝振宇, 黃佩珍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)