CN103790961A - 包括用于抑制旋转机器轴的径向运动的装置的主动磁力轴承 - Google Patents

包括用于抑制旋转机器轴的径向运动的装置的主动磁力轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种包括用于抑制旋转机器轴的径向运动的装置的主动磁力轴承。所述主动磁力轴承包括：多个电磁致动器，每个致动器用于接收输入电流以对所述主动磁力轴承进行控制，并且能够相对于旋转机器的轴的旋转轴对所述轴施加径向力，所述轴能够不接触地固持在所述电磁致动器之间，并且能够在旋转时进行径向运动；用于供应每个致动器的输入电流的供应装置，所述供应装置包括控制装置，所述控制装置用于根据所述轴相对于所述致动器的位置，对每个致动器的输入电流进行控制。所述供应装置包括用于对所述轴的所述径向运动进行抑制的抑制装置。

Description

包括用于抑制旋转机器轴的径向运动的装置的主动磁力轴承
技术领域
本发明涉及磁力轴承，确切地说，涉及一种包括用于抑制旋转机器轴的径向运动的装置的主动磁力轴承(Active Magnetic Bearing)。
背景技术
文献“磁力轴承-理论设计以及针对旋转机器的应用(Magneticbearings-Theory design and applications to rotation machinery)；G.史怀哲(G.Schweitzer)-E.H.马斯勒(E.H.Masler)；斯普林格出版社(Springer)2009-ISBN978-3-642-00497-1”公开了一种主动磁力轴承。作为第一个初步近似，尤其是对于中等旋转速度的轴，旋转机器的轴可以被比作旋转的刚性实心体。然而，这种近似对于高的或者甚至超高旋转速度的轴而言则不再有效，例如，在旋转机器为用于气体压缩领域中的电动机-压缩机机组(Motor-Compressor Set)的情况下。在这种情况下，由于其自身的变形，轴在旋转时进行径向运动，并且因此可以被比作旋转的柔性实心体。例如，用于电动机-压缩机机组中的该种主动磁力轴承在专利文献EP2253852A1中有所描述。
位置传感器通常用于这种主动磁力轴承中，其中这些传感器对每一瞬间的轴位置进行测量。为了减小轴承尺寸，并且为了降低致动器(Actuator)的电磁场在传感器上引起的测量噪音的级别，每个位置传感器都距离致动器某一距离进行放置。因此，由所述传感器输送的位置信号并不表示在致动器处的电动机-压缩机机组的轴的径向运动，并且易于通过致动器控制装置对轴的径向运动的修正进行窜改。当致动器靠近轴的自然变形模式(Natural Deformation Mode)下的第一波腹(Antinode)进行定位且相关联的传感器在与第一波腹相对的相中靠近第二波腹进行定位时，已证实尤其会出现这种情况。轴的运动不但不会减少，反而还会增强，从而使得主动磁力轴承的性能降低。
本发明的目标在于通过提出一种具有改进性能的主动磁力轴承来补偿这种缺陷。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种主动磁力轴承，其包括：多个电磁致动器，每个致动器用于接收输入电流以对所述主动磁力轴承进行控制，并且能够相对于旋转机器的轴的旋转轴对所述轴施加径向力，所述轴能够不接触地固持在所述电磁致动器之间，并且能够在旋转时进行径向运动；用于供应每个致动器的输入电流的供应装置，所述供应装置包括控制装置，所述控制装置用于根据所述轴相对于所述致动器的位置，对每个致动器的输入电流进行控制；其中所述供应装置包括用于对所述轴的所述径向运动进行抑制的抑制装置。
其中，每个电磁致动器都包括励磁线圈，所述励磁线圈包括输入终端和输出终端，并且其中所述抑制装置连接在每个线圈的所述输入终端与所述输出终端之间。
其中，所述控制装置包括多个控制部件，其中每个控制部件都连接在所述励磁线圈中的一者的所述输入终端与所述输出终端之间。
其中，所述抑制装置包括至少一个带通式无源滤波器，其中一个或多个所述无源滤波器连接在所述控制部件中的一者与连接到所述控制部件的所述励磁线圈之间，其中所述一个或多个无源滤波器以并联方式与所述励磁线圈连接，并且包括无源耗能部件。
其中，所述一个或多个无源滤波器包括以串联方式连接的电容器、线圈以及电阻器。
其中，所述一个或多个无源滤波器的共振频率大体上等于所述轴的自然径向变形模式的频率。
其中，所述抑制装置包括至少一个校正级，所述至少一个校正级用于对所述控制装置输送的所述控制电流进行校正，其中所述一个或多个所述校正级连接在励磁线圈的所述输入终端与连接到所述励磁线圈的所述控制部件的输入终端之间。
其中，一个或多个所述校正级包括校正器，所述校正器能够对包括无源耗能部件的带通式无源滤波器进行模拟。
根据本发明的其他实施例，本发明还提供一种驱动链(DriveChain)，所述驱动链包括具有旋转轴的旋转机器以及至少一个主动磁力轴承，所述主动磁力轴承能够支撑所述旋转机器的所述旋转轴，其中所述一个或多个主动磁力轴承符合上述的任一主动磁力轴承。
其中，所述旋转机器是电动机或者电动机-压缩机机组。
附图说明
本发明的这些特征和优点将通过阅读以下说明书而呈现，所述说明书仅通过非限制性实例的方式给出并且参考附图提出，在所述附图中：
图1是根据本发明的包括两个主动磁力轴承的驱动链的示意图；
图2是图1所示主动磁力轴承的示意图，所述轴承包括四个电磁致动器，每个致动器都包括线圈以及将输入电流供应到所述线圈的四个供应设备；
图3是根据第一实施例的图2所示磁力轴承的供应设备中的一者的电路图；
图4是根据本发明的第二实施例的磁力轴承的供应设备中的一者的示意图，所述供应设备包括校正器；以及
图5是与图3类似的根据本发明的第三实施例的磁力轴承的供应设备中的一者的图。
具体实施方式
图1示出了驱动链(Drive Chain)1，所述驱动链1包括位于两个主动磁力轴承12之间的旋转机器10。旋转机器10具有能够围绕轴Z-Z′旋转的轴14，并且每个主动磁力轴承12都能够支撑旋转机器10(例如电机)的轴14。在所述实施例中，旋转机器10是旋转式电机，例如电动机，并且具有大于100kW的额定功率，例如等于10MW的额定功率以及大于3,000转每分钟的旋转速度，例如等于12,000转每分钟的旋转速度。在未示出的一个变体中，旋转机器10是电动机-压缩机机组(Motor-compressor Unit)。
在一个变体中，驱动链1包括N个主动磁力轴承12，N为大于或者等于1的整数。
在说明书的其余部分，将仅参考一个主动磁力轴承12，其他主动磁力轴承12具有相同的结构和功能。此外，轴向方向是指由轴Z-Z′界定的方向，而径向方向是指由与轴Z-Z′垂直的轴界定的任意方向。如图2所示，还相对于轴Z-Z′界定了正交参考坐标系X-Y-Z。
轴14例如由铁磁性材料制成，并且当所述轴14围绕轴Z-Z′旋转时能够进行由其变形引起的径向运动。轴14例如具有针对第一振动频率f1的第一自然径向变形模式以及针对第二振动频率f2的第二自然径向变形模式。
如图2所示，主动磁力轴承12包括至少一个电磁致动器(Electromagnetic Actuator)17、18、20、22。在所述实例实施例中，主动磁力轴承12包括第一电磁致动器17、第二电磁致动器18、第三电磁致动器20以及第四电磁致动器22。主动磁力轴承12还包括用于将输入电流供应到每个致动器17、19、20、22的供应装置24。
四个致动器17、18、20、22相对于彼此不可移动。这四个致动器17、18、20、22能够在垂直于轴Z-Z′的方向X和Y上在轴14上施加径向力，并且从而能够使轴14保持悬浮，轴14能够在四个致动器17、18、20和22之间不发生接触的情况下得到固持。
如同在所述技术中已知，每个致动器17、18、20、22都包括与轴14相对的围绕磁路32缠绕的励磁线圈30，以将径向力施加到轴14上。磁路32例如由铁磁性材料制成。
每个致动器17、18、20、22都在其线圈30的输入端处接收输入信号，确切地说是输入控制电流。第一致动器17、第二致动器18、第三致动器20以及第四致动器22分别接收输入控制电流Ix1、Ix2、Iy1、Iy2。
每个励磁线圈30都包括输入终端34和输出终端36。
供应装置24包括第一供应设备38、第二供应设备40、第三供应设备42以及第四供应设备44。第一供应设备38、第二供应设备40、第三供应设备42以及第四供应设备44连接在对应的第一致动器17、第二致动器18、第三致动器20以及第四致动器22的线圈30的输入终端34与输出终端36之间。
如图3所示，第一供应设备38包括用于控制第一致动器17的输入电流的控制部件46以及用于抑制轴14在方向X上的径向运动的抑制装置47。
控制部件46连接在第一致动器17的励磁线圈30的输入终端34与输出终端36之间。如所述技术中已知，控制部件46能够根据表示轴14在方向X上的径向位置的位置信号对输入控制电流IX1进行计算。所述位置信号，例如由传统上已知的且未在附图中示出的位置传感器供应。控制部件46还能够将输入控制电流IX1输送到励磁线圈30的输入终端34。
控制部件46能够连接到未在附图中示出的参考电流发生器上。参考电流对应于一组电流值，该组值是从表示轴14在方向X上的径向位置的位置信号中确定的。参考电流发生器包括滤波器，例如低通滤波器，所述滤波器能够用等于第一振动频率f1或者第二振动频率f2的频率来消除所述一组电流值。在一个变体中，所述滤波器是频率带阻滤波器。
抑制装置47连接在第一致动器17的励磁线圈30的输入终端34与输出终端36之间。抑制装置47包括至少一个带通式无源滤波器50、52。在图3的实例实施例中，抑制装置47包括第一无源滤波器50以及第二无源滤波器52。每个无源滤波器50、52都连接在控制部件46与励磁线圈30之间，与励磁线圈30并联。
第一无源滤波器50和对应的第二无源滤波器52包括第一电阻器54和对应的第二电阻器56、第一线圈58和对应的第二线圈60以及第一电容器62和对应的第二电容器64，这些部件以串联方式连接在输入终端34与输出终端36之间。第一无源滤波器50和对应的第二无源滤波器52分别具有第一共振频率fR1和对应的第二共振频率fR2。
在一个变体中，每个无源滤波器50、52都由连接在一起的电阻型、电容型或者电感型部件的任何组合形成，并且组成具有共振频率的带通滤波器。
在一个变体中，每个电阻器54、56都由任何无源耗能部件所取代。
第一线圈58的电感以及第一电容器62的电容经选择使得第一共振频率fR1大体上等于第一振动频率f1。例如，第一线圈58具有等于0.1H的电感且第一电容器62具有10μF的电容。
类似地，第二线圈60的电感以及第二电容器64的电容经选择，使得第二共振频率fR2大体上等于第二振动频率f2。例如，第二线圈60具有0.05H的电感且第二电容器64具有5μF的电容。
所属领域的技术人员将理解，在选择线圈58、60的电感时，应考虑励磁线圈30的电感。确切地说，第一共振频率fR1和对应的第二共振频率fR2取决于一个等效电感，所述电感的表达式是励磁线圈30的电感以及第一线圈58的电感和对应的第二线圈60的电感的函数。
第二供应设备40、第三供应设备42以及第四供应设备44的结构与第一供应设备38的结构相同，因此不再对它们进行任何详细描述。
下面将对主动磁力轴承12的功能进行说明。
致动器17、18、20、22的每个控制部件46都时刻沿着X-Y平面的方向对轴14的位置进行控制。因此，每个控制部件46都使得对应的致动器17、18、20、22能够在X-Y平面的方向上对轴14的径向平移(Translation Movement)进行补偿。
轴14根据第一自然变形模式径向移动，位于轴14与致动器之间的气隙尺寸会变化。确切地说，位于轴14与第一致动器17之间的气隙的尺寸会变化。
这种气隙尺寸的变化会引起第一致动器17的励磁线圈30中的电磁通量的变化，从而在线圈30的终端34、36处生成电压信号。该电压信号具有等于第一振动频率f1的频率，并且表示轴14在方向X上的径向移动。在所述电压出现之后，第一共振频率fR1等于第一振动频率f1，在第一无源滤波器50的第一电阻器54中形成了具有等于第一振动频率f1的频率的电流。消耗在第一电阻器54中的电功率随后在方向X上减少了轴14径向移动的机械能，从而抑制轴14的第一自然变形模式。
以类似的方式，当轴14根据第二自然变形模式径向移动时，第二共振频率fR2等于第二振动频率f2，在第二无源滤波器52的第二电阻器56中形成具有等于第二振动频率f2的频率的电流。与所述电流相关的电功率随后完全消耗在第二电阻器56中，从而抑制轴14的第二自然变形模式。
通过相同的方式，第二供应设备40的抑制装置47在方向X上对轴14的径向运动进行抑制，并且第三供应设备42和第四供应设备44的抑制装置47在方向Y上对轴14的径向运动进行抑制。
因此，轴14的自然径向变形模式由根据本发明的磁力轴承12抑制。因此将理解，根据本发明的磁力轴承12具有改进的性能。
由于所使用的无源部件，磁力轴承12针对具有非常高的振动频率的自然模式对轴14的径向运动进行抑制。
此外，磁力轴承12对轴14的径向运动进行抑制，而与所使用的位置传感器无关。因此，位置传感器可以沿着轴14自由地放置，而无需受到空间邻近电磁致动器的任何约束。
另外，相对于下文所述的第二实施例的磁力轴承，根据所述第一实施例的磁力轴承12使得降低控制部件中所必需的计算功率成为可能。这是因为，在所述第一实施例中，轴14的径向运动的抑制完全是由无源滤波器来完成的。
图4描绘了第二实施例，对于第二实施例，类似于上文所述的第一实施例的元件由相同的参考标号标记。
根据所述第二实施例，抑制装置47不再包括任何带通式无源滤波器50、52，而是包括用于对控制部件46输送的控制电流进行校正的校正级70。
第一供应设备38包括控制设备(Control Device)72，控制设备72用于对第一致动器17的输入电流进行控制。控制设备72包括控制部件(Control Member)46。
校正级70属于控制设备72并且包括减法器74以及校正器(例如数字校正器)80。
校正级70能够在控制部件46的输入端处供应中级控制电流I′X1。
减法器74的输出端连接到控制部件46的输入端。减法器74的非反向输入端能够连接到参考电流发生器Iref，所述参考电流发生器包括滤波器，所述滤波器能够消除等于第一振动频率f1或者等于第二振动频率f2的一组频率电流。
校正器80连接在第一致动器17的励磁线圈30的输入终端34与减法器74的反向输入端之间。校正器80能够在减法器74的反向输入端上供应校正电流I″x1。
校正器80具有转移函数Z′(p)，其中
Figure BDA0000406353670000082
Z(p)是例如用拉普拉斯变换表示的，其形式如下：
Figure BDA0000406353670000081
校正器80能够对包括无源耗能部件的带通式无源滤波器进行模拟，也就是说借助于电子控制部件对此类无源滤波器的行为进行模拟。在所述实例实施例中，校正器80能够对包括以串联方式连接的电阻器、线圈以及电容器的无源滤波器进行模拟。
对系数R进行选择，从而使该系数R等于由校正器80模拟的无源滤波器的电阻。类似地，对系数L进行选择，从而使该系数L等于由校正器80模拟的无源滤波器的线圈的电感，并且对系数C进行选择，从而使该系数C等于模拟的无源滤波器的电容器的电容。
系数R、L和C经选择，以使得校正器80对带通式无源滤波器进行模拟，所述无源滤波器具有等于第一振动频率f1的第一共振频率fR1。
由于根据所述第二实施例的第二供应设备40、第三供应设备42以及第四供应设备44的结构与根据所述第二实施例的第一供应设备38的结构相同，因此不再对它们进行任何详细描述。
下面将描述根据本发明的第二实施例的主动磁力轴承12的功能。
最初，轴14根据其第一自然变形模式径向移动。在此径向移动之后，在校正器80中形成了具有等于第一振动频率f1的频率的电流。校正器80对具有等于第一振动频率f1的第一共振频率fR1的无源滤波器进行模拟，校正器80在减法器74的反向输入端上生成了校正电流I″x1。随后，减法器74将所述电流I″x1从参考电流Iref中减去，以供应中级控制电流I′X1。这种在控制部件46的输入端处通过减法器74注入的校正电流I′x1减少了轴14在X方向上径向移动的机械能。
因此，轴14的第一自然径向变形模式由根据第二实施例的磁力轴承12抑制。
通过与根据第一实施例的主动磁力轴承12进行比较，根据第二实施例的主动磁力轴承12具有较小的尺寸。因此，与上文所述的根据第一实施例的主动磁力轴承相比，根据第二实施例的主动磁力轴承的制造成本降低。
图5描绘了第三实施例，对于第三实施例，类似于上文所述的第一实施例和第二实施例的元件由相同的参考标号标记。
根据所述第三实施例，抑制装置47包括第二无源滤波器52以及位于控制设备72中的校正级70。
当轴14根据其第一自然变形模式径向移动时，根据所述第三实施例的主动磁力轴承的功能类似于根据上文所述的第二实施例的主动磁力轴承的功能。当轴14根据其第二自然变形模式径向移动时，根据所述第三实施例的主动磁力轴承的功能类似于根据上文所述的第一实施例的主动磁力轴承的功能。因此不再对所述第三实施例的功能进行描述。
主动磁力轴承的所述第三实施例的优点是通过第一实施例的优点与第二实施例的优点之间的组合获得的，因此不再进行描述。
因此将理解，根据本发明的磁力轴承当然具有改进的性能。

Claims (10)

1.一种主动磁力轴承(12)，其包括：
多个电磁致动器(17、18、20、22)，每个致动器(17、18、20、22)用于接收输入电流(Ix1、Ix2、Iy1、Iy2)以对所述主动磁力轴承进行控制，并且能够相对于旋转机器(10)的轴(14)的旋转轴(Z-Z′)对所述轴(14)施加径向力，所述轴(14)能够不接触地固持在所述电磁致动器(17、18、20、22)之间，并且能够在旋转时进行径向运动；
用于供应每个致动器(17、18、20、22)的输入电流(Ix1、Ix2、Iy1、Iy2)的供应装置(24)，所述供应装置(24)包括控制装置(46、72)，所述控制装置(46、72)用于根据所述轴(14)相对于所述致动器(17、18、20、22)的位置，对每个致动器(17、18、20、22)的输入电流(Ix1、Ix2、Iy1、Iy2)进行控制；
其中所述供应装置(24)包括用于对所述轴(14)的所述径向运动进行抑制的抑制装置(47)。
2.根据权利要求1所述的磁力轴承(12)，其中每个电磁致动器(17、18、20、22)都包括励磁线圈(30)，所述励磁线圈(30)包括输入终端(34)和输出终端(36)，并且其中所述抑制装置(47)连接在每个线圈(30)的所述输入终端(34)与所述输出终端(36)之间。
3.根据权利要求2所述的磁力轴承(12)，其中所述控制装置(46、72)包括多个控制部件(46)，其中每个控制部件(46)都连接在所述励磁线圈(30)中的一者的所述输入终端(34)与所述输出终端(36)之间。
4.根据权利要求3所述的磁力轴承(12)，其中所述抑制装置(47)包括至少一个带通式无源滤波器(50、52)，其中一个或多个所述无源滤波器(50、52)连接在所述控制部件(46)中的一者与连接到所述控制部件(46)的所述励磁线圈(30)之间，其中所述一个或多个无源滤波器(50、52)以并联方式与所述励磁线圈(30)连接，并且包括无源耗能部件(54、56)。
5.根据权利要求4所述的磁力轴承(12)，其中所述一个或多个无源滤波器(50、52)包括以串联方式连接的电容器(62、64)、线圈(58、60)以及电阻器(54、56)。
6.根据权利要求4或5所述的磁力轴承(12)，其中所述一个或多个无源滤波器(50、52)的共振频率大体上等于所述轴(14)的自然径向变形模式的频率。
7.根据权利要求3至5中任一权利要求所述的磁力轴承(12)，其中所述抑制装置(47)包括至少一个校正级(70)，所述至少一个校正级(70)用于对所述控制装置(46、72)输送的所述控制电流(Ix1)进行校正，其中所述一个或多个所述校正级(70)连接在励磁线圈(30)的所述输入终端(34)与连接到所述励磁线圈(30)的所述控制部件(46)的输入终端之间。
8.根据权利要求7所述的磁力轴承(12)，其中一个或多个所述校正级(70)包括校正器(80)，所述校正器(80)能够对包括无源耗能部件的带通式无源滤波器进行模拟。
9.一种驱动链(1)，所述驱动链(1)包括具有旋转轴(14)的旋转机器(10)以及至少一个主动磁力轴承(12)，所述主动磁力轴承(12)能够支撑所述旋转机器(10)的所述旋转轴(14)，其中所述一个或多个主动磁力轴承(12)符合上述权利要求中的任一项权利要求。
10.根据权利要求9所述的驱动链(1)，其中所述旋转机器(10)是电动机或者电动机-压缩机机组。
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