CN102444607B - 一种磁悬浮分子泵动平衡方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁悬浮分子泵动平衡方法，在启动磁悬浮分子泵电机后，开启力自由不平衡振动控制模块，如果在力自由不平衡振动控制模块的控制下，转子上的不平衡质量使转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么不平衡振动控制模块能抑制转子的同频振动，使转子转速能够很快超过其刚性临界转速，从而在较高速度下对磁悬浮分子泵的转子进行动平衡操作。本发明的动平衡方法，可直接在高速下对磁悬浮分子泵的转子进行动平衡操作，步骤简单、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及真空获得设备技术领域，特别是一种磁悬浮分子泵动平衡方法。
背景技术
分子泵是一种真空泵，它是利用高速旋转的转子叶轮把动量传递给气体分子，使之获得定向速度，从而使气体被压缩、并被驱向至排气口、再被前级泵抽走。磁悬浮分子泵是一种采用磁轴承（又称主动磁悬浮轴承）作为分子泵转子支承的分子泵，它利用磁轴承将转子稳定地悬浮在空中，使转子在高速工作过程中与定子之间没有机械接触，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声低、寿命长、无需润滑等优点，目前磁悬浮分子泵广泛地应用于高真空度、高洁净度真空环境的获得等领域中。
磁悬浮分子泵的内部结构如图1所示，所述磁悬浮分子泵的转子包括转子轴7和与所述转子轴7固定连接的叶轮1。所述叶轮1固定安装在所述转子轴7的上部；所述转子轴7上依此间隔地套设有第一径向磁轴承6、电机8和第二径向磁轴承9等装置，上述装置共同构成了所述磁悬浮分子泵的转子轴系。
在磁悬浮分子泵装配完成后，由于转子各零件加工精度差异等问题，会造成转子上存在不平衡质量（不平衡质量，是指位于转子特定半径处的质量，该质量与向心加速度的乘积等于不平衡离心力。），当不平衡质量远大于10毫克时，该不平衡质量将使转子的重心与轴心产生一个明显偏心矩，在转子旋转升速过程中，转子不平衡质量引起的离心惯性力会造成转子的横向机械振动（通常为径向振动）影响系统正常工作。另外，磁悬浮分子泵转子的正常工作速度处于超过转子刚性临界转速的高速区，上述不平衡质量还会导致转子的转速无法直接升高到其工作转速，磁悬浮分子泵不能正常工作。其中，转子刚性临界转速是指转子转动频率与转子轴承系统的刚性共振频率相等时所对应的转速；而超过转子刚性临界转速的高速区可称为超刚性临界转速区。
现有技术中有一种能够抑制磁悬浮转子系统中转子等高速旋转的旋转体在升速、降速过程中产生的不平衡振动的方法，称为“不平衡振动控制方法”。如中国期刊文献《磁悬浮轴承系统不平衡振动控制的方法》（张德魁，江伟，赵鸿宾，清华大学学报(自然科学版)2000年，第40卷，第10期）中介绍了两种不平衡振动控制方法：一种是力自由控制（force freecontrol），其基本思想是产生一个和转子位移/振动信号同相位、同幅度的补偿信号，用以抵消转子振动的同频信号，使控制器对同步振动信号不响应；另一种是开环前馈控制（open loop feedforward control）（或称为力控制），其基本思想是提取转子振动信号的同频振动分量，然后由另外的前馈控制产生相应的控制信号，叠加到主控制器的控制信号中。
而如中国专利文献CN101261496A中公开了一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统,包括位移传感器、电流传感器、磁轴承控制器和磁轴承功率放大器。其中磁轴承控制器包括稳定控制器、偏心估计、磁力补偿和作用开关。该专利在稳定控制的基础上,引入偏心估计和磁力补偿,利用飞轮不平衡振动参数,对飞轮整个转速范围内不平衡量和位移负刚度进行补偿,从而实现飞轮在整个转速范围内的不平衡振动控制,使飞轮在整个升、降速过程中都能够高精度地绕惯性主轴运转。再如中国专利文献CN101046692A中公开了一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统,包括位移传感器、位移信号接口电路、转速检测装置、磁轴承控制器、磁轴承功率放大驱动电路和飞轮位置鉴别装置。磁轴承控制器包括轴向磁轴承控制器和径向磁轴承控制器,径向磁轴承控制器由稳定控制器和不平衡振动控制器两部分组成,其中不平衡振动控制器对稳定控制器的位移反馈进行补偿。在稳定控制的基础上,引入不平衡振动控制,利用飞轮高速时识别的飞轮不平衡振动参数,并结合飞轮位置鉴别装置获得的飞轮转子当前位置,对飞轮整个转速范围进行开环高精度不平衡振动控制,从而实现飞轮在整个转速范围内的不平衡振动控制,使飞轮的在整个升、降速过程中都能够高精度运转。
上述两篇专利文献即为“不平衡振动控制方法”的具体应用，然而由于“不平衡振动控制方法”的调整控制力有限，只有在旋转体的不平衡质量在一定阈值范围内时才能抑制旋转体的不平衡振动，也就是说，“不平衡振动控制方法”不能彻底解决由于存在不平衡质量而引起的转子振动问题。所以，当转子存在较大不平衡质量时，不能利用“不平衡振动控制方法”来实现振动抑制、使转子的转速直接超过转子刚性临界转速，到达其正常工作转速。
因此，在磁悬浮分子泵装配完成之后必须对其转子进行动平衡操作，所谓“动平衡”是指存在不平衡质量的转子经过测量其不平衡质量大小和相位后，加以矫正、消除其不平衡质量，使转子在旋转时不致产生不平衡离心力的操作。
现有技术中，通常采用动平衡机来对转子进行动平衡操作，其操作过程如下：首先使转子在低速（即转子刚性临界转速以下的速度范围）下转动，并在低速下利用动平衡机对转子进行动平衡操作，然后对转子进行加重或去重的平衡加工，初步消除其不平衡质量，然后多次重复上述步骤使转子转速能够突破刚性临界转速进入超刚性临界转速区，待转子的转速进入超刚性临界转速区后，在高速下利用动平衡机再次对转子进行动平衡操作，之后再对转子进行加重或去重的平衡加工。而且，为了精确去除不平衡质量，以上动平衡操作也通常要反复进行多次。
磁悬浮分子泵转子的工作转速在超刚性临界转速区，我们所关注的是高速下转子的各项性能，所以低速下的动平衡效果是比较有限的，只有当转子转速超过并离开转子刚性临界转速一段距离后（进入超刚性临界转速区），转子将近似围绕其质量中心旋转，此时进行动平衡，更加准确，可以获得更好的效果。而由于存在不平衡质量的转子无法直接升速到超刚性临界转速，也就无法直接在高速下进行动平衡，所以必须先在低速下动平衡使其逐渐升速到超刚性临界转速，再重新进行高速下的动平衡，这就使得这种动平衡方法步骤繁琐、效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中磁悬浮分子泵的动平衡方法步骤繁琐、效率低，因此提供一种可直接在高速下对磁悬浮分子泵的转子进行动平衡操作，步骤简单、效率高的磁悬浮分子泵动平衡方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种磁悬浮分子泵的动平衡方法，包括
①启动所述磁悬浮分子泵的电机开始升速，开启磁悬浮分子泵控制器中的力自由不平衡振动控制模块，由所述磁悬浮分子泵控制器控制位移检测装置采集所述磁悬浮分子泵转子的径向位移信号，检测所述转子的径向振幅，如果在所述力自由不平衡振动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，顺序执行步骤②；
②所述电机继续加速，由所述位移检测装置检测所述转子的径向振动情况，当所述转子的径向振动幅值超过预设非额定转速振幅时，停止所述电机加速，使转速稳定在该转速ωi（i=0，1,2……）处，关闭所述力自由不平衡振动控制模块；由所述磁悬浮分子泵控制器（2）控制转速检测装置或动平衡机检测此时的转速ωi；判断转速ωi是否小于转子额定转速ωE，如果ωi小于ωE则按顺序执行步骤③，否则执行步骤⑤；
③利用所述动平衡机进行转子转速为非额定转速的动平衡操作，使转子转速从零升至ωi过程中以及转子转速为ωi时，所述转子的径向振动幅值都小于预设非额定转速振幅，之后按顺序执行步骤④；
④令i=i+1,重复步骤②；
⑤利用所述动平衡机进行转子转速为额定转速动平衡操作，使转子转速从零升至ωE过程中，所述转子的径向振动幅值都小于预设非额定转速振幅；并且使转子转速为ωE时，所述转子的径向振动幅值小于预设额定转速振幅且所述转子残余的不平衡质量小于预设不平衡质量，至此整个动平衡过程完成。
上述动平衡方法中，所述步骤③具体为：
Ⅰ.利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机采用影响系数法或模态平衡法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机，使转子转速降到零，之后按顺序执行步骤Ⅱ；
Ⅱ.根据计算获得的所需平衡质量及平衡质量的加载相位，对所述转子进行平衡加工，之后按顺序执行步骤Ⅲ；
Ⅲ.启动所述电机，开启所述力自由不平衡振动控制模块，由所述位移检测装置检测所述转子的径向振幅，如果在所述力自由不平衡振动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，按顺序执行步骤Ⅳ；
Ⅳ.所述电机继续加速，检测转子转速升速至ωi过程中以及转子转速为ωi时所述转子的径向振幅，如果所述转子的径向振幅都小于预设非额定转速振幅，则执行步骤④；如果发现所述转子的径向振幅大于或等于预设非额定转速振幅，则停止所述电机加速，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，重复执行所述步骤Ⅰ。
上述动平衡方法中，所述步骤⑤具体为：
A.如果ωi>ωE则启动所述电机进行减速将转子转速调整为ωE，否则将转子转速保持在ωE；
B.利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机采用影响系数法或模态平衡法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机，使转子转速降到零，之后按顺序执行步骤C;
C.根据计算获得的所需平衡质量及平衡质量的加载相位，对所述转子进行平衡加工，之后按顺序执行步骤D；
D.启动所述电机，开启所述力自由不平衡振动控制模块，由所述位移检测装置检测所述转子的径向振幅，如果在所述力自由不平衡振动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，按顺序执行步骤E；
E.所述电机继续加速，检测转子转速升速至ωE过程中所述转子的径向振幅，如果所述转子的径向振幅都小于预设非额定转速振幅，则按顺序执行步骤F；如果发现所述转子的径向振幅大于或等于预设非额定转速振幅，则停止所述电机加速，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，重复执行所述步骤B；
F.启动所述电机继续升速至ωE，停止所述电机加速，使转速稳定在该转速ωE处，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，之后按顺序执行步骤G；
G.检测此时所述转子的径向振幅，
a.如果所述转子的径向振幅小于预设额定转速振幅，则利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机采用影响系数法或模态平衡法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机（8），使转子转速降到零；
ⅰⅰ.如果所述转子残余的不平衡质量小于预设不平衡质量，则整个动平衡过程完成；
ⅱⅱ.否则执行所述步骤C；
b.如果所述转子的径向振幅大于或等于预设额定转速振幅，则重复执行所述步骤B。
上述动平衡方法中，所述预设非额定转速振幅的取值范围是[20μm,40μm]，所述预设额定转速振幅的取值范围是[0.05μm,0.1μm]，所述预设不平衡质量的取值范围是[5mg,12mg]。
上述动平衡方法中，所述预设非额定转速振幅为40μm,所述预设额定转速振幅为0.1μm,所述预设不平衡质量为10mg。
上述动平衡方法中，所述步骤①之前还包括根据所述磁悬浮分子泵的动力学仿真计算和实验得到转子刚性临界转速和额定转速ωE的步骤。
上述动平衡方法中，在所述步骤③和⑤中，所述动平衡机通过其上设置的振动检测探头测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，所述动平衡机通过其上设置的转速探头测量转子转速信号。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
①本发明提供的磁悬浮分子泵的动平衡方法，在启动磁悬浮分子泵的电机后，开启力自由不平衡振动控制模块，如果在力自由不平衡振动控制模块的控制下，转子上的不平衡质量使转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2（即转子的不平衡质量要在一定阈值范围内），那么力自由不平衡振动控制模块能抑制转子的同频振动，使转子的转速能够很快超过其刚性临界转速，直接在较高速度下对磁悬浮分子泵的转子进行动平衡操作，这样不必在低速下做转子动平衡，简化了操作步骤，能快速、高效地进行动平衡操作，大大提高了动平衡的效率。
②本发明提供的磁悬浮分子泵的动平衡方法，利用通用设备动平衡机即可完成对转子所需平衡质量及平衡质量加载相位的计算，操作简便。
③本发明提供的磁悬浮分子泵的动平衡方法，在采用影响系数法或模态平衡法获取转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位时，每次降速再次开启力自由不平衡振动控制模块，使转子的转速平稳地降到零，以减少不平衡质量引起的机械振动，保护转子部件。
④本发明提供的磁悬浮分子泵的动平衡方法，采用力自由不平衡振动控制算法，力自由不平衡振动控制算法适用于转子振动较小的情况，其优点是所需控制电流小，对磁轴承功率放大器要求较低。
⑤本发明提供的磁悬浮分子泵动平衡方法，其中预设非额定转速振幅为40μm,该值能够满足非额定转速下转子径向振幅的振动情况要求，使转子能够比较平稳地升速，直至达到额定转速。其中预设额定转速振幅为0.1μm,预设不平衡质量为10mg，以上两个数值标准能够确保转子在额定转速下，平稳运转，保证磁悬浮分子泵的稳定运行。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明中磁悬浮分子泵的结构示意图；
图2是本发明中力自由不平衡振动控制算法原理图；
图3是本发明中动平衡方法流程图。
图中附图标记表示为：1-叶轮，2-磁悬浮分子泵控制器，3-泵体，4-第一径向保护轴承，5-第一径向传感器，6-第一径向磁轴承，7-转子轴，8-电机，9-第二径向磁轴承，10-第二径向传感器，11-第二径向保护轴承，12-轴向保护轴承，13-第一轴向磁轴承，14-推力盘，15-第二轴向磁轴承，16-轴向传感器，17-接线端子，18-位移检测装置，19-转速检测装置。
具体实施方式
如图1所示，是本发明所涉及的磁悬浮分子泵的结构示意图，本实施例中所述磁悬浮分子泵竖直设置，所述磁悬浮分子泵包括泵体3、设置在所述泵体3内的转子轴系、以及现有技术中所述磁悬浮分子泵应当具有的其他结构，由于本发明不涉及上述其他结构，在此不再赘述。
所述转子轴系包括转子、第一径向磁轴承6、第二径向磁轴承9、第一轴向磁轴承13和第二轴向磁轴承15；所述转子包括转子轴7、与所述转子轴7固定的叶轮1、以及用于固定所述叶轮1的装配部件，如螺钉、螺母等。
所述转子轴7的轴线沿竖直方向设置，所述叶轮1固定设置在所述转子轴7的上部。所述转子轴7的下部设置有所述第一轴向磁轴承13、所述第二轴向磁轴承15、推力盘14以及轴向保护轴承12和用于检测所述转子轴向位移信号的轴向传感器16。所述转子轴7上依此间隔地套设有第一径向保护轴承4、第一径向传感器5、第一径向磁轴承6、电机8、第二径向磁轴承9、第二径向传感器10和第二径向保护轴承11等装置。所述第一径向保护轴承4和所述第二径向保护轴承11同轴，且径向尺寸相同。所述第一径向磁轴承6包括第一径向磁轴承定子和第一径向磁轴承转子，所述第一径向磁轴承定子与所述泵体3固定连接，所述第一径向磁轴承转子与所述转子轴7固定连接；所述第一径向传感器5用于检测在所述第一径向传感器5处所述转子的径向位移信号。所述第二径向磁轴承9包括第二径向磁轴承定子和第二径向磁轴承转子，所述第二径向磁轴承定子与所述泵体3固定连接，所述第二径向磁轴承转子与所述转子轴7固定连接；所述第二径向传感器10用于检测在所述第二径向传感器10处所述转子的径向位移信号，包括转子平动位移信号和转子转动位移信号。所述转子轴7由所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15支承。
所述磁悬浮分子泵的控制系统包括位移检测装置18、转速检测装置19和磁悬浮分子泵控制器2；所述位移检测装置18用于接收位移信号，其信号输入端与所述第一径向传感器5、所述第二径向传感器10和所述轴向传感器16的信号输出端连接，所述位移检测装置18的信号输出端与所述磁悬浮分子泵控制器2的信号输入端连接；所述转速检测装置19用于检测转子转速信号，其信号输入端通过所述磁悬浮分子泵的接线端子17连接到转速检测传感器，所述转速检测装置19的信号输出端与所述磁悬浮分子泵控制器2的信号输入端连接。
所述磁悬浮分子泵控制器2内置各种控制算法模块，所述磁悬浮分子泵控制器2可根据所述位移检测装置18获得的位移信号，调用合适的控制算法进行分析运算，最终驱动相应的磁轴承（所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15中的一个或多个）输出电磁力对所述转子的运动施加控制。所述磁悬浮分子泵控制器2还可根据所述转速检测装置19获得的转速信号，对所述转子的转动实时监控，并根据需要调整转子转速。
所述磁悬浮分子泵控制器2中还内置有力自由不平衡振动控制模块，所述力自由不平衡振动控制模块可基本消除控制电流中的同频成分，抑制所述转子的同频振动，使所述转子围绕质量中心旋转，如图2所示。
在所述磁悬浮分子泵加工装配完成后，需要对所述磁悬浮分子泵进行动平衡操作，去除所述转子的不平衡质量。本实施例中，转子刚性临界转速和额定转速ωE已知，如图3所示，所述动平衡方法包括：
①启动所述电机8开始升速，开启所述力自由不平衡振动控制模块，由所述磁悬浮分子泵控制器2控制所述位移检测装置18采集所述磁悬浮分子泵转子的径向位移信号，检测所述转子的径向振幅，在本实施例中所述位移检测装置18通过所述第一径向传感器5和所述第二径向传感器10采集所述转子的径向振幅。如果在所述力自由不平衡振动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，顺序执行步骤②。如果转子最大径向振幅超过径向保护间隙的1/2，则采用传统动平衡方法，首先进行低速动平衡，以保证在转子转速超过刚性临界转速过程中，转子径向振动始终不超过径向保护间隙的1/2；然后转子转速超过其刚性临界转速后，顺序执行步骤②。
②所述电机8继续加速，由所述位移检测装置18检测所述转子的径向振动情况，当所述转子的径向振动幅值超过预设非额定转速振幅时，停止所述电机8加速，使转速稳定在该转速ωi（i=0，1,2……）处，关闭所述力自由不平衡振动控制模块。所述预设非额定转速振幅的取值范围是[20μm,40μm]，在本实施例中，所述预设非额定转速振幅为40μm。由所述磁悬浮分子泵控制器2控制所述转速检测装置19或动平衡机检测此时的转速ωi（所述转速检测装置19通过转速检测传感器采集转子转速）。判断转速ωi是否小于转子额定转速ωE，如果ωi小于ωE则按顺序执行步骤③，否则执行步骤⑤。
③利用所述动平衡机进行转子转速为非额定转速的动平衡操作，使转子转速从零升至ωi过程中以及转子转速为ωi时，所述转子的径向振动幅值都小于预设非额定转速振幅，即40 m，之后按顺序执行步骤④。具体步骤包括：
Ⅰ.利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机通过其上设置的振动检测探头测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，所述动平衡机通过其上设置的转速探头测量转子转速信号。所述动平衡机采用影响系数法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机8，使转子转速降到零，之后按顺序执行步骤Ⅱ。
在实施影响系数法过程中，预设第一平衡面和第二平衡面，第一平衡面和第二平衡面均垂直于所述转子的轴向，并且设置在远离转子中心、靠近两端的位置上。启动电机升速，当转子转速到达转速ωi时，停止电机加速，使转速稳定在ωi。分别记录由第一平衡面和第二平衡面处的位移传感器测得的初始不平衡矢量V0。关闭所述电机8，转子转速降为零后，在第一平衡面上加上试重m1。启动电机升速，当转子转速到达转速ωi时，停止电机加速，使转速稳定在ωi。分别记录由第一平衡面和第二平衡面处的位移传感器测得的初始不平衡矢量V1。关闭所述电机8，转子转速降为零后，在第二平衡面上加上试重m2。启动电机升速，当转子转速到达转速ωi时，停止电机加速，使转速稳定在ωi。分别记录由第一平衡面和第二平衡面处的位移传感器测得的初始不平衡矢量V2。关闭所述电机8，转子转速降为零。利用影响系数法根据上述数据可以计算出每个平衡面所需的平衡质量及其加载相位。
Ⅱ.根据计算获得的所需平衡质量及平衡质量的加载相位，对所述转子进行平衡加工，之后按顺序执行步骤Ⅲ。
Ⅲ.启动所述电机8，开启所述力自由不平衡振动控制模块，由所述位移检测装置18检测所述转子的径向振幅，如果在所述力自由不平衡振动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，按顺序执行步骤Ⅳ。
Ⅳ.所述电机8继续加速，检测转子转速升速至ωi过程中以及转子转速为ωi时所述转子的径向振幅，如果所述转子的径向振幅都小于预设非额定转速振幅，则执行步骤④；如果发现所述转子的径向振幅大于或等于预设非额定转速振幅，则停止所述电机8加速，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，重复执行所述步骤Ⅰ。
④令i=i+1,重复步骤②。
⑤利用所述动平衡机进行转子转速为额定转速动平衡操作，使转子转速从零升至ωE过程中，所述转子的径向振动幅值都小于预设非额定转速振幅；并且使转子转速为ωE时，所述转子的径向振动幅值小于预设额定转速振幅且所述转子残余的不平衡质量小于预设不平衡质量，至此整个动平衡过程完成。所述预设额定转速振幅的取值范围是[0.05μm,0.1μm]，所述预设不平衡质量的取值范围是[5mg,12mg]，在本实施例中，所述预设额定转速振幅为0.1μm，所述预设不平衡质量为10mg。具体步骤包括：
A.如果ωi>ωE则启动所述电机8进行减速将转子转速调整为ωE，否则将转子转速保持在ωE。
B.利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机通过其上设置的振动检测探头测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，所述动平衡机通过其上设置的转速探头测量转子转速信号。所述动平衡机采用影响系数法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机8，使转子转速降到零，之后按顺序执行步骤C。
在实施影响系数法过程中，预设第一平衡面和第二平衡面，第一平衡面和第二平衡面均垂直于所述转子的轴向，并且设置在远离转子中心、靠近两端的位置上。启动电机升速，当转子转速到达额定转速ωE时，停止电机加速，使转速稳定在ωE。分别记录由第一平衡面和第二平衡面处的位移传感器测得的初始不平衡矢量V0′。关闭所述电机8，转子转速降为零后，在第一平衡面上加上试重m1′。启动电机加速，当转子转速到达额定转速ωE时，停止电机加速，使转速稳定在ωE。分别记录由第一平衡面和第二平衡面处的位移传感器测得的初始不平衡矢量V1′。关闭所述电机8，转子转速降为零后，在第二平衡面上加上试重m′2。启动电机加速，当转子转速到达额定转速ωE时，停止电机加速，使转速稳定在ωE。分别记录由第一平衡面和第二平衡面处的位移传感器测得的初始不平衡矢量V2′。关闭所述电机8，转子转速降为零。利用影响系数法根据上述数据可以计算出每个平衡面所需的平衡质量及其加载相位。
C.根据计算获得的所需平衡质量及平衡质量的加载相位，对所述转子进行平衡加工，之后按顺序执行步骤D。
D.启动所述电机8，开启所述力自由不平衡振动控制模块，由所述位移检测装置18检测所述转子的径向振幅，如果在所述力自由不平衡振动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，按顺序执行步骤E。
E.所述电机8继续加速，检测转子转速升速至ωE过程中所述转子的径向振幅，如果所述转子的径向振幅都小于预设非额定转速振幅，则按顺序执行步骤F；如果发现所述转子的径向振幅大于或等于预设非额定转速振幅，则停止所述电机8加速，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，重复执行所述步骤B。
F.启动所述电机8继续升速至ωE，停止所述电机8加速，使转速稳定在该转速ωE处，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，之后按顺序执行步骤G。
G.检测此时所述转子的径向振幅，
a.如果所述转子的径向振幅小于预设额定转速振幅，则利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机采用影响系数法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机8，使转子转速降到零；
ⅰ.如果所述转子残余的不平衡质量小于预设不平衡质量，则整个动平衡过程完成；
ⅱ.否则执行所述步骤C；
b.如果所述转子的径向振幅大于或等于预设额定转速振幅，则重复执行所述步骤B。
在其他实施例中，在所述步骤①之前还包括根据所述磁悬浮分子泵的动力学仿真计算和实验得到转子刚性临界转速和额定转速ωE的步骤，所述动力学仿真计算和实验采用现有技术中已知的计算和实验方法。
在其他实施例中，所述动平衡机除了采用影响系数法外还可采用模态平衡法。
在其他实施例中，根据不同情况，所述预设非额定转速振幅还可选取为20μm、25μm、30μm或35μm等，所述预设额定转速振幅还可选取为0.05μm、0.07μm或0.09μm等，所述预设不平衡质量还可选取为5mg、8mg或12mg等，同样能够实现本发明的目的。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种磁悬浮分子泵动平衡方法，其特征在于：包括
①启动所述磁悬浮分子泵的电机（8）开始升速，开启磁悬浮分子泵控制器（2）中的力自由不平衡振动控制模块，由所述磁悬浮分子泵控制器（2）控制位移检测装置（18）采集所述磁悬浮分子泵转子的径向位移信号，检测所述转子的径向振幅，如果在所述力自由不平衡振动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，顺序执行步骤②；
②所述电机（8）继续加速，由所述位移检测装置（18）检测所述转子的径向振动情况，当所述转子的径向振动幅值超过预设非额定转速振幅时，停止所述电机（8）加速，使转速稳定在该转速ωi（i=0，1,2……）处，关闭所述力自由不平衡振动控制模块；由所述磁悬浮分子泵控制器（2）控制动平衡机检测此时的转速ωi；判断转速ωi是否小于转子额定转速ωE，如果ωi小于ωE则按顺序执行步骤③，否则执行步骤⑤；
③利用所述动平衡机进行转子转速为非额定转速的动平衡操作，使转子转速从零升至ωi过程中以及转子转速为ωi时，所述转子的径向振动幅值都小于预设非额定转速振幅，之后按顺序执行步骤④；
④令i=i+1,重复步骤②；
⑤利用所述动平衡机进行转子转速为额定转速动平衡操作，使转子转速从零升至ωE过程中，所述转子的径向振动幅值都小于预设非额定转速振幅；并且使转子转速为ωE时，所述转子的径向振动幅值小于预设额定转速振幅且所述转子残余的不平衡质量小于预设不平衡质量，至此整个动平衡过程完成。
2.根据权利要求1所述的动平衡方法，其特征在于：所述步骤③具体为：
Ⅰ.利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机采用影响系数法或模态平衡法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机（8），使转子转速降到零，之后按顺序执行步骤Ⅱ；
Ⅱ.根据计算获得的所需平衡质量及平衡质量的加载相位，对所述转子进行平衡加工，之后按顺序执行步骤Ⅲ；
Ⅲ.启动所述电机（8），开启所述力自由不平衡振动控制模块，由所述位移检测装置（18）检测所述转子的径向振幅，如果在所述力自由不平衡振动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，按顺序执行步骤Ⅳ；
Ⅳ.所述电机（8）继续加速，检测转子转速升速至ωi过程中以及转子转速为ωi时所述转子的径向振幅，如果所述转子的径向振幅都小于预设非额定转速振幅，则执行步骤④；如果发现所述转子的径向振幅大于或等于预设非额定转速振幅，则停止所述电机（8）加速，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，重复执行所述步骤Ⅰ。
3.根据权利要求2所述的动平衡方法，其特征在于：所述步骤⑤具体为：
A.如果ωi>ωE则启动所述电机（8）进行减速将转子转速调整为ωE，否则将转子转速保持在ωE；
B.利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机采用影响系数法或模态平衡法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机（8），使转子转速降到零，之后按顺序执行步骤C;
C.根据计算获得的所需平衡质量及平衡质量的加载相位，对所述转子进行平衡加工，之后按顺序执行步骤D；
D.启动所述电机（8），开启所述力自由不平衡振动控制模块，由所述位移检测装置（18）检测所述转子的径向振幅，如果在所述力自由不平衡振 动控制模块的控制下，所述转子上的不平衡质量使所述转子在升速过程中的最大径向振幅不超过保护间隙的1/2，那么所述力自由不平衡振动控制模块能够抑制所述转子的同频振动，使转子转速超过其刚性临界转速，按顺序执行步骤E；
E.所述电机（8）继续加速，检测转子转速升速至ωE过程中所述转子的径向振幅，如果所述转子的径向振幅都小于预设非额定转速振幅，则按顺序执行步骤F；如果发现所述转子的径向振幅大于或等于预设非额定转速振幅，则停止所述电机（8）加速，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，重复执行所述步骤B；
F.启动所述电机（8）继续升速至ωE，停止所述电机（8）加速，使转速稳定在该转速ωE处，关闭所述力自由不平衡振动控制模块，之后按顺序执行步骤G；
G.检测此时所述转子的径向振幅，
a.如果所述转子的径向振幅小于预设额定转速振幅，则利用所述动平衡机测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，并同步获取转子转速信号，所述动平衡机采用影响系数法或模态平衡法根据所测得的所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号和转子转速信号计算得出所述转子所需的平衡质量及平衡质量的加载相位，开启所述力自由不平衡振动控制模块，关闭所述电机（8），使转子转速降到零；
ⅰ.如果所述转子残余的不平衡质量小于预设不平衡质量，则整个动平衡过程完成；
ⅱ.否则执行所述步骤C；
b.如果所述转子的径向振幅大于或等于预设额定转速振幅，则重复执行所述步骤B。
4.根据权利要求1-3任一所述的动平衡方法，其特征在于：所述预设非额定转速振幅的取值范围是[20μm,40μm]，所述预设额定转速振幅的取值范围是[0.05μm,0.1μm]，所述预设不平衡质量的取值范围是[5mg,12mg]。
5.根据权利要求4所述的动平衡方法，其特征在于：所述预设非额定转速振幅为40μm,所述预设额定转速振幅为0.1μm,所述预设不平衡质量 为10mg。
6.根据权利要求5所述的动平衡方法，其特征在于：所述步骤①之前还包括根据所述磁悬浮分子泵的动力学仿真计算和实验得到转子刚性临界转速和额定转速ωE的步骤。
7.根据权利要求6所述的动平衡方法，其特征在于：在所述步骤③和⑤中，所述动平衡机通过其上设置的振动检测探头测量所述磁悬浮分子泵机壳的振动信号，所述动平衡机通过其上设置的转速探头测量转子转速信号。
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