CN102788038B - 一种磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，磁悬浮分子泵工作时，在低速时，将所述转子悬浮在电机定子内圆中心，然后启动电机，当所述转子转速达到预设转速时，将转子的悬浮中心切换到径向磁轴承定子内圆中心，然后将所述转子继续升速直到额定工作转速。当所述磁悬浮分子泵降速时，所述转子的转速降至预设转速时，所述转子的悬浮位置缓慢切换到所述电机定子内圆中心，所述转子在低速下稳定运行，直至减速到零。本发明避免了低速时电机径向磁偏拉力的影响和高速段时磁轴承电磁力非线性的影响，保证了转子稳定悬浮，是一种磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法。

Description

一种磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法

技术领域

本发明涉及流体设备的控制领域，具体地说是一种磁悬浮分子泵的非线性力的抑制方法。

背景技术

分子泵是一种常用的真空获得设备，它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，使气体被压缩并驱向至排气口，再使气体被前级抽走的一种真空泵。磁悬浮分子泵是利用磁轴承将分子泵转子悬浮在空中，可以实现转子在高速工作过程中无接触、无摩擦、无需润滑的一种分子泵。由于磁悬浮分子泵具有上述优点，因此被广泛的应用到高真空度、高清洁度的真空环境获得领域中。

现有技术中的磁悬浮分子泵系统如图1所示，包括叶轮1，泵体3，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，转子轴7，电机8，第二径向磁轴承9，第二径向传感器10，第二径向保护轴承11，轴向保护轴承12，第一轴向磁轴承13，推力盘14，第二轴向磁轴承15，轴向传感器16，接线端子17，位移检测装置18，转速检测装置19，磁悬浮分子泵控制器20。

使用永磁电机驱动的磁悬浮分子泵，在安装过程中，由于电机定子与磁轴承定子之间存在同轴度误差。在转子转速较低的情况下，转子每旋转一周都会有电机定子某个磁极距离电机磁钢距离较近的时候，此时转子会受到不均匀的径向磁偏拉力，从而影响转子的稳定悬浮。而当转子转速较高时，该磁偏拉力依然存在，但是由于转速升高后该径向磁偏拉力每个周期作用时间都很短，因此不会对转子的稳定悬浮产生影响。此外，当转子未悬浮在径向磁轴承定子内圆中心时，会引入磁轴承电磁力的非线性，在高速时对转子悬浮稳定性影响较严重。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题是现有技术中的磁悬浮分子泵的永磁电机的磁偏拉力以及磁轴承的非线性电磁力影响转子稳定悬浮的技术问题，从而提出一种磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，包括如下步骤：

(1)将转子静态悬浮，获得电机定子内圆中心，并将其存储在控制器内的存储介质中；

(2)在预设转速下获得径向磁轴承定子内圆中心；

(3)磁悬浮分子泵工作时，所述磁悬浮分子泵控制器先将所述转子稳定悬浮在所述电机定子内圆中心处，然后启动电机，当所述转子转速达到预设转速时，将转子的悬浮位置缓慢切换至所述径向磁轴承定子内圆中心处，然后将所述转子继续升速直到额定工作转速；

(4)当所述磁悬浮分子泵降速时，所述转子的转速降至预设转速时，所述转子的悬浮位置缓慢切换到所述电机定子内圆中心，所述转子在低速下稳定运行，直至减速到零。

本发明所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法中，获得所述电机定子内圆中心的方法如下：

首先，在预设转速下获得径向磁轴承定子内圆中心；

然后，以径向磁轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系，转子静态悬浮时，获得电机磁钢不同旋转角度时的所述转子的径向悬浮中心，取在Y向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的Y坐标作为电机定子内圆中心的Y坐标，取在X向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的X坐标作为电机定子内圆中心的X坐标，这样就获得了所述电机定子内圆中心的坐标。

本发明所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，在所述步骤(1)中，静态悬浮时获得所述转子的径向悬浮中心过程如下：所述磁悬浮分子泵控制器将所述转子悬浮在径向保护轴承定子内圆中心，磁轴承分子泵的控制器检测径向磁轴承各个线圈电流，然后对比径向磁轴承各个自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值是否相等，如相等则以该悬浮位置作为静态时获得所述径向磁轴承的悬浮中心；否则，则调整所述转子的位置，直到径向磁轴承各自由度电流幅值相等，将此位置作为静态悬浮时转子的径向悬浮中心。

本发明所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，在预设转速下获得径向磁轴承的定子内圆中心的过程如下，首先通过磁悬浮分子泵控制器将所述转子悬浮在径向保护轴承的中心处，然后启动电机将所述转子升速到预设转速，此时，磁悬浮分子泵控制器检测径向磁轴承各个线圈电流，然后对比径向磁轴承各个自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值是否相等，如相等则该悬浮位置即为所述径向磁轴承的定子内圆中心；否则，则调整所述转子的位置，直到径向磁轴承各自由度相对方向上电流幅值相等，则该位置即为径向磁轴承定子内圆中心。

本发明所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，在所述步骤(1)或(2)中，同一自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值之间的差别不大于5％时，认为两个电流幅值相等。

本发明所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，所述预设转速在转子一阶刚性临界转速的70％-90％范围内取值。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，在低速时，将所述转子悬浮在电机定子内圆中心，达到预设转速后，将转子的悬浮中心切换到径向磁轴承定子内圆中心，由于在低速时，电机磁钢的径向磁偏拉力对于转子悬浮稳定性的影响比磁轴承电磁力的非线性影响要大，因此，在转子低速段时，将转子悬浮在电机定子内圆中心处，从而避免电机径向磁偏拉力的影响。当转子达到高速段时，由于作用时间变短，因此电机径向磁偏拉力的影响变小，而磁轴承电磁力非线性因素影响变大，此时，将转子悬浮在径向磁轴承定子内圆中心，保证转子稳定悬浮。这样，在转子从低速到高速运行过程中，通过悬浮位置的切换，实现了在低速段和高速段的稳定运行，有效降低了电机磁偏拉力对其运行的影响。

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为磁悬浮分子泵系统的结构图；

图2和图3为本发明所述磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法的流程图。

图4中(a)、(b)、(c)、(d)为获得电机定子内圆中心的位置示意图。

其中，附图标记为：1-叶轮，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，20-磁悬浮分子泵控制器，101-表示电机定子一个磁极，102-表示电机转子一对磁钢的N极和S极，103-表示电机定子上一个磁极，O-表示径向磁轴承定子内圆中心，O′-表示电机定子内圆中心，O″-表示在电机转子磁钢在当前位置时获得的转子径向Y向悬浮中心。

具体实施方式

实施例1：

下面给出本发明所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法一个具体的实施方式。

磁悬浮分子泵的一般结构如图1所示，一般包括叶轮1，泵体3，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，转子轴7，电机8，第二径向磁轴承9，第二径向传感器10，第二径向保护轴承11，轴向保护轴承12，第一轴向磁轴承13，推力盘14，第二轴向磁轴承15，轴向传感器16，接线端子17，位移检测装置18，转速检测装置19，磁悬浮分子泵控制器20。在所述泵体3的内腔设置有转子轴系，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。

所述磁悬浮分子泵控制器20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20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，并根据需要调整所述转子的转速。

本发明中的所述磁悬浮分子泵转子(简称转子)指与所述转子轴7固定连接并一起旋转的包括转子轴7、第一径向磁轴承转子、第二径向磁轴承转子、第一径向传感器转子、第二径向传感器转子和电机转子、推力盘等在内的所有旋转部件。

本发明所述的一种磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，包括如下步骤，其中从步骤(1)-步骤(2)为前期的准备工作，流程如图2所示，步骤(3)-(4)为运行时的工作过程，流程图如图3所示，具体步骤如下：

(1)将转子静态悬浮，获得电机定子内圆中心，并将其存储在控制器内的存储介质中。

上述获得电机定子内圆中心的具体方法如下：

首先，在预设转速下获得径向磁轴承定子内圆中心，本实施例中预设转速为转子一阶临界转速的80％；

然后，以径向磁轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系，转子静态悬浮时，获得电机磁钢不同旋转角度时的所述转子径向悬浮中心，取在Y向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的Y坐标作为电机定子内圆中心的Y坐标，取在X向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的X坐标作为电机定子内圆中心的X坐标，这样就获得了所述电机定子内圆中心的坐标。

下面给出一个具体的实例说明这样获得电机定子内圆中心的理由，以获得电机定子内圆中心Y坐标为例说明。首先，建立如图4所示直角坐标系，101表示电机定子一个磁极，102表示电机转子一对磁钢的N极和S极，103表示电机定子上一个磁极。O表示径向磁轴承定子内圆中心，O′表示电机定子内圆中心，O″表示在电机转子磁钢在当前位置时获得的转子径向Y向悬浮中心。

图4(a)表示当N极磁钢和S极磁钢中心连线与X轴垂直，且通过径向磁轴承定子内圆中心O时的各个中心位置。此时转子Y向悬浮时需要克服Y向磁钢拉力最大，因此转子需要远离电机定子上端磁极，转子Y向悬浮中心将会处于如图4(a)所示O″处，此时O″距离电机定子内圆中心最近。

图4(b)表示当N极磁钢和S极磁钢中心连线与X轴成α角时，各个中心位置。此时转子Y向悬浮时需要克服的Y向磁钢拉力较图4(a)情况明显减小，因此转子需要远离电机定子上端磁极的距离也会缩小，转子Y向悬浮中心将会处于如图4(b)所示O″处，O″会随着α角增大而逐步靠近径向磁轴承定子内圆中心O。

图4(c)表示当N极磁钢和S极磁钢中心连线与X轴平行时，各个中心位置。此时转子磁钢在Y向不对转子产生磁偏拉力，因此获得的转子Y向悬浮中心O″与径向磁轴承定子内圆中心O重合。

图4(d)表示转子磁钢继续旋转，N极磁钢和S极磁钢中心连线与X轴成α′角时，各个中心位置。此时转子Y向悬浮时需要克服的Y向磁钢拉力较图4(c)情况明显增大，因此转子需要远离电机定子上端磁极的距离也会增大，转子Y向悬浮中心将会处于如图4(d)所示O″处，O″会随着α′角增大而逐步靠近电机定子内圆中心O′。

从上述描述可知，由于电机N极磁钢和S极磁钢在不同位置时对转子产生的磁偏拉力不同，因此静态悬浮条件下获得的转子悬浮中心O″与实际电机定子内圆中心O′的距离不同。当电机磁钢在Y向对转子产生的磁偏拉力最大时获得的转子悬浮中心O″最接近实际电机定子内圆中心O′，此时O″与径向磁轴承定子内圆中心O在Y向距离最远。因此可以将转子旋转一周，每隔α角获取一次转子悬浮中心O″_i，对比O″_i与径向磁轴承定子中心O″在Y向的距离。取在Y向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心O″_max的Y坐标作为电机定子内圆中心的Y坐标。

X向电机定子内圆中心获取方法相同，取在X向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的X坐标作为电机定子内圆中心的X坐标。这样，通过获得在X和Y方向上的坐标得到与实际电机定子内圆中心最接近的坐标。

在上述过程中，电机磁钢在某个位置，转子静态悬浮时获得转子的径向悬浮中心的具体步骤为：首先，所述磁悬浮分子泵控制器将所述转子悬浮在径向保护轴承定子内圆中心，磁轴承分子泵的控制器检测径向磁轴承各个线圈电流，然后对比径向磁轴承各个自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值是否相等，如相等则以该悬浮位置作为静态时获得所述径向磁轴承的悬浮中心；否则，则调整所述转子的位置，直到径向磁轴承各自由度电流幅值相等，将此位置作为静态时转子的径向悬浮中心。然后电磁磁钢(设置在电机的转子上)旋转不同角度，通过上述方法可获得电机磁钢在该位置时转子的径向悬浮中心。

例如，所述电机的转子转动30度，然后根据步骤(1)中的上述方法获得转子的径向磁轴承悬浮中心A1，然后再将所述电机的转子转动30度，获得转子的径向磁轴承悬浮中心A2，每转动30度获得一个转子的径向磁轴承悬浮中心Ai，这样，所述电机的转子旋转一周，获得12个悬浮中心的位置。

然后根据这些离散点与径向磁轴承定子内圆中心的距离关系，选取在Y向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的Y坐标作为电机定子内圆中心的Y坐标，取在X向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的X坐标作为电机定子内圆中心的X坐标，这样就获得了所述电机定子内圆中心的坐标，并将其存储在控制器内的存储介质中。

(2)在预设转速下获得径向磁轴承定子内圆中心，本实施例中预设转速为转子一阶临界转速的80％。临界转速是指转子转动频率数值等于转子固有频率时的转速。转子从零频率开始运行，其转速逐渐升高，当转子同步转动频率首次与转子共振频率(转子支持刚度所决定的转子一阶共振模态频率)相等时，所对应的旋转速度为转子的一阶临界转速。

本步骤中在预设转速下获得径向磁轴承定子内圆中心过程如下：首先通过磁悬浮分子泵控制器将所述转子悬浮在径向保护轴承的中心处，然后启动电机将所述转子升速到预设转速，此时，磁悬浮分子泵控制器检测径向磁轴承各个线圈电流，然后对比径向磁轴承各个自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值是否相等，如相等则该悬浮位置即为所述径向磁轴承定子内圆中心；否则，则调整所述转子的位置，直到径向磁轴承各自由度相对方向上电流幅值相等，则此位置即为所述径向磁轴承的定子内圆中心。

(3)磁悬浮分子泵工作时，所述磁悬浮分子泵控制器先将所述转子稳定悬浮在所述电机定子内圆中心处，然后启动电机，当所述转子转速达到预设转速时，将转子的悬浮位置缓慢切换至所述径向磁轴承定子内圆中心处，然后将所述转子继续升速直到额定工作转速；

(4)当所述磁悬浮分子泵降速时，所述转子的转速降至预设转速时，所述转子的悬浮位置缓慢切换到所述电机定子内圆中心，所述转子在低速下稳定运行，直至减速到零。

在上述过程中，在所述步骤(1)或(2)中，同一自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值之间的差别不大于5％时，认为两个电流幅值相等。在此处，差别不大于5％是指所述相对方向两个径向磁轴承磁极线圈中的电流幅值之差与径向磁轴承偏置电流幅值之比小于或者等于5％。

在上述过程中，预设转速根据多次试验获取，预设转速一般在转子一阶刚性临界转速的70％-90％范围内取值，根据不同种类的分子泵，设置不同的预设转速。

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 (1)

1.一种磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将转子静态悬浮，获得电机定子内圆中心，并将其存储在控制器内的存储介质中；

（2）在预设转速下获得径向磁轴承定子内圆中心；

（3）磁悬浮分子泵工作时，所述磁悬浮分子泵控制器先将所述转子稳定悬浮在所述电机定子内圆中心处，然后启动电机，当所述转子转速达到预设转速时，将转子的悬浮位置缓慢切换至所述径向磁轴承定子内圆中心处，然后将所述转子继续升速直到额定工作转速；

（4）当所述磁悬浮分子泵降速时，所述转子的转速降至预设转速时，所述转子的悬浮位置缓慢切换到所述电机定子内圆中心，所述转子在低速下稳定运行，直至减速到零。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，其特征在于，获得所述电机定子内圆中心的方法如下：

首先，在预设转速下获得径向磁轴承定子内圆中心；

然后，以径向磁轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系，转子静态悬浮时，获得电机磁钢不同旋转角度时的所述转子的径向悬浮中心，取在Y向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的Y坐标作为电机定子内圆中心的Y坐标，取在X向距离径向磁轴承定子内圆中心最远的转子悬浮中心的X坐标作为电机定子内圆中心的X坐标，这样就获得了所述电机定子内圆中心的坐标。

3. 根据权利要求2所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，静态悬浮时获得所述转子的径向悬浮中心过程如下：所述磁悬浮分子泵控制器控制所述转子悬浮在径向保护轴承定子内圆中心，磁悬浮分子泵控制器检测径向磁轴承各个线圈电流，然后对比径向磁轴承各个自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值是否相等，如相等则以该悬浮位置作为静态时获得所述径向磁轴承的悬浮中心；否则，则调整所述转子的位置，直到径向磁轴承各自由度电流幅值相等，将此位置作为静态悬浮时转子的径向悬浮中心。

4. 根据权利要求1-3中任一项所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，其特征在于：在预设转速下获得径向磁轴承定子内圆中心的过程如下，首先通过磁悬浮分子泵控制器控制所述转子悬浮在径向保护轴承的中心处，然后启动电机将所述转子升速到预设转速，此时，磁悬浮分子泵控制器检测径向磁轴承各个线圈电流，然后对比径向磁轴承各个自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值是否相等，如相等则该悬浮位置即为所述径向磁轴承的定子内圆中心；否则，则调整所述转子的位置，直到径向磁轴承各自由度相对方向上电流幅值相等，则该位置即为径向磁轴承定子内圆中心。

5. 根据权利要求2或3所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，其特征在于：在所述步骤（1）或（2）中，同一自由度相对方向的两个磁轴承线圈电流幅值之间的差别不大于5%时，认为两个电流幅值相等。

6. 根据权利要求5中所述的磁悬浮分子泵的非线性力抑制方法，其特征在于，所述预设转速在转子一阶刚性临界转速的70%-90%范围内取值。