CN104141717B

CN104141717B - 一种用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器

Info

Publication number: CN104141717B
Application number: CN201410304622.3A
Authority: CN
Inventors: 丁鸿昌; 肖林京; 樊玉华; 张华宇; 孙传余; 陈毕胜
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: CN104141717A

Abstract

本发明公开了一种用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器，其由8个定子铁心组成8个磁极，每个定子铁心均绕制有激磁线圈，分别组成X、Y方向的4个控制磁极，产生的电磁磁场依次通过内导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心构成电励磁磁路，产生电磁力；永磁体产生的磁场依次通过外导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心，形成永磁的磁通路，产生永磁力；电磁力与永磁力的合力为抑制转子振动的控制力；其外环的位置固定，弹性阻尼在隔磁体与外环之间起缓冲作用，从而增大了磁阻尼器的阻尼。本发明解决了现有电磁阻尼器阻尼偏小的缺点，其性能可靠、且利于抑制转子振动，可作为高速旋转机械设备中转子振动控制装置。

Description

一种用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器

技术领域

本发明涉及一种混合式磁阻尼器，尤其涉及一种用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器。

背景技术

磁阻尼器和磁轴承的结构原理相类似，一样具有无机械摩擦和磨损，无需润滑，寿命长等优点；但与磁轴承不同的是，电磁阻尼器不提供转子的支承力。

电磁阻尼器可以分为被动式电磁阻尼器和主动式电磁阻尼器两大类。其中，被动式电磁阻尼器是当转子涡动时，在水平、垂直方向都存在位移，改变了电磁阻尼器的各块电磁铁磁极与转子之间的气隙厚度，造成了磁场的变化，而磁场的变化又导致了电磁铁线圈上产生感应电动势，线圈内的电流也随之波动，并且波动电流与转子位移之间存在相位差，从而产生了阻尼，被动式电磁阻尼器的优点是不需要位移传感器，因而结构简单，并且有较好的减振效果，但产生的阻尼较小。

主动式电磁阻尼器是通过位移传感器检测转子的振动信号，将转子振动轨迹信号输送到微处理器进行分析处理，然后将所需要的反馈信号通过功率放大器施加到线圈上，产生相应的电磁力，包括径向力与切向力，提供了相应的电磁力刚度和电磁力阻尼，可以达到对转子的全工况振动控制；主动式电磁阻尼器较被动式电磁阻尼器而言阻尼增大，但相对于其它类型的阻尼器，仍然偏小。

鉴于上述原因，现有的电磁阻尼器存在阻尼较小，抑制振动能力不足的缺点。

发明内容

本发明的目的是，提供一种结构合理、转子振动小；抑制转子振动的刚度阻尼易于控制且性能可靠的用于抑制转子振动的大刚度强阻尼混合式磁阻尼器。

本发明为实现上述目的所采用的技术解决方案是，一种用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器，其特征在于，包括永磁体、弹性阻尼环、外环、隔磁体、外导磁体、内导磁体、转子铁心、气隙、激励线圈、定子铁心，其中，激励线圈与定子铁芯一一对应，分别绕制在相应的定子铁芯上；

所述外导磁体数量为2个，环绕在所述定子铁心的外围圆周上；

所述永磁体和所述内导磁体分别沿轴向设置在两个外导磁体之间；

所述定子铁心共8个，共同组成电磁阻尼器的8个控制磁极，上述8个磁极按直角坐标系的X、Y轴方向分成2组，每组4个分别组成X、Y方向的4个控制磁极，其产生的电磁磁场依次通过内导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心构成电励磁磁路，产生电磁力；

所述永磁体产生的磁场依次通过外导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心，形成永磁的磁通路，产生永磁力；

所述电磁力与永磁力的合力构成电磁阻尼器产生的抑制转子振动的控制力；

所述外环的位置固定，所述弹性阻尼环设置在所述隔磁体与外环之间起缓冲作用，从而增大电磁阻尼器的阻尼。

优选为，上述内导磁体的宽度应等于所述外导磁体的宽度。

进一步优选，上述弹性阻尼环为轴向圆环，数量为两个，材质为钢衬胶；

所述永磁体为一轴向圆环，沿轴向充磁。进一步优选，上述隔磁体材质为铜、铝或钛合金；

所述外导磁体和内导磁体的材质均为电工纯铁、1J50或硅钢；

所述永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。

采用上述技术方案的用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器，其工作原理是：永磁体通过外导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心构成磁路，用以给电磁阻尼器提供永磁偏置磁场，产生静态的电磁力；由于内导磁体的存在，可以使得电励磁磁路通过定子铁心、气隙、转子、内导磁体构成回路；

其中，外导磁体的宽度要等于内导磁体的宽度，这是为了保证永磁体产生的磁通等于电磁场产生的最大磁通；

而定子铁心之间采用外隔磁体隔开，这种结构形式可以使得电励磁磁路不会在X方向和Y方向上产生耦合，因而对电磁阻尼器的控制更加容易。

为更好地理解上述技术方案，现以Y轴正向磁路为例进行说明：上述技术方案的永磁磁路为：磁通从永磁体N极出发，通过一端外导磁体、定子铁心、气隙、转子到另一端的转子、气隙、定子铁心、外导磁体回到永磁体S极，形成电磁阻尼器的主磁路；

电磁磁路为：一端的外导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心，另一端的转子铁心、气隙、定子铁心、外导磁体、内导磁体构成闭合回路。

上述结构，不仅保证了电励磁磁路不通过永磁体内部，减小了电励磁磁路的磁阻，降低了励磁电流；同时又保证了永磁体磁路不直接通过叠片的定子铁心，减小了永磁磁动势的损失，又由于外隔磁体将各个定子磁极隔开，因而消除了电励磁磁路X方向和Y方向的耦合，这样可以使得控制更加简单。

而且，电磁阻尼器的永磁体与电磁场共同产生的电磁力作用于转子上，从而抑制转子的振动，电磁力的大小取决于转子振动的幅值：当转子振幅过大而电磁阻尼器的阻尼偏小无法抑制转子振动时，电磁力的反作用力施加至弹性阻尼环，电磁阻尼器的阻尼变为电磁阻尼与弹性阻尼之和，从而增大电磁阻尼器的阻尼，减小转子振幅，抑制转子的振动。另一方面，上述技术方案通过利用内导磁体的导磁作用，使得电励磁磁路依次通过定子铁心、气隙、转子铁心、内导磁体和外导磁体并闭合，从而避免电励磁磁路经过永磁体内部，这使得永磁磁路不直接穿过叠片的定子铁心，因而不会在定子铁心中损失永磁磁动势。

基于上述理由，可以看出，本发明的用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器，其相对于现有技术具有结构合理、转子振动小，并且抑制转子振动的刚度阻尼易于控制且性能可靠，可有效保证转子安全穿越临界转速等多方面的有益效果。

附图说明

图1为本发明的用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器轴向截面结构示意图；

图2为本发明的用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器轴向端面结构示意图(带直角坐标系)；

图3为本发明的用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器PID控制原理图；

图4为本发明的用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器刚度阻尼原理图(带直角坐标系)。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明的用于抑制转子振动的大刚度强阻尼电磁阻尼器，其包括永磁体1、弹性阻尼环2、外环3、隔磁体4、外导磁体5、内导磁体6、转子铁心7、气隙8、激励线圈9、定子铁心10，其中，激励线圈9与定子铁芯10一一对应，分别绕制在相应的定子铁芯10上；

上述外导磁体5数量为2个，环绕在所述定子铁心10的外围圆周上；

上述永磁体1和所述内导磁体6分别沿轴向设置在两个外导磁体5之间；

上述定子铁心10共8个，共同组成电磁阻尼器的8个控制磁极；

上述8个磁极按直角坐标系的X、Y轴方向分成2组，每组4个分别组成X、Y方向的4个控制磁极，其产生的电磁磁场依次通过内导磁体6、定子铁心10、气隙8、转子铁心7构成电励磁磁路，产生电磁力；

上述永磁体1产生的磁场依次通过外导磁体5、定子铁心10、气隙8、转子铁心7，形成永磁的磁通路，产生永磁力；

上述电磁力与永磁力的合力构成电磁阻尼器产生的抑制转子振动的控制力；

上述外环3的位置固定，弹性阻尼环2设置在隔磁体4与外环3之间，起缓冲作用，可适时增大电磁阻尼器的阻尼。

上述内导磁体6的宽度等于所述外导磁体5的宽度。

上述弹性阻尼环2为轴向圆环，数量为两个，材质为钢衬胶；

上述永磁体1为一轴向圆环，沿轴向充磁。

图3为本发明的用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器PID控制原理图，图3中：

G_s(s)为传感器传递函数；

As为传感器增益系数；

Ts为传感器衰减时间常数；

G_r(s)为调节器传递函数；

k_p为调节环节的比例系数；

k_d为调节环节的微分系数；

k_i为调节环节的积分系数；

T_d为微分环节时间常数；

G_a(s)为功放环节传递函数；

α_a为功放的增益系数；

T_a为功放电路的衰减时间常数。

如图3所示，本发明的电磁阻尼器的PID控制闭环传递函数，参照单质量弹簧阻尼系统的运动微分方程式，要使采用PID控制的电磁阻尼器等效于一般弹簧阻尼支承，得到电磁阻尼器的刚度与阻尼为：

k = k_{y y} + k_{a} k_{y i} k_{p} + \frac{k_{a} k_{y i} k_{d} T_{d} ω^{2}}{1 + {T_{d}}^{2} ω^{2}}

d = \frac{k_{a} k_{y i} k_{d}}{1 + {T_{d}}^{2} ω^{2}} - \frac{k_{a} k_{y i} k_{i}}{ω^{2}}

上式中，k为电磁阻尼器的电磁刚度，d为电磁阻尼器的电磁阻尼。

如图4所示，本发明的电磁阻尼器-转子系统，其转子的运动方程为：

\begin{matrix} m \overset{\cdot\cdot}{y} + k y + d \overset{\cdot}{y} = f_{y} & k > 0, d > 0 \end{matrix},

而定子铁心的运动方程为：

\begin{matrix} m_{s} \overset{\cdot\cdot}{y} + k_{s} y + d_{s} \overset{\cdot}{y} = f_{y} & k_{s} > 0, d_{s} > 0 \end{matrix},

所以电磁阻尼器的刚度与阻尼就是k+k_s，而阻尼为d+d_s，相对于无弹性阻尼环的电磁阻尼器，其刚度和阻尼大大增加。

上述外导磁体5、内导磁环6均用导磁性能良好的材料制成，例如，可以是电工纯铁、各种碳钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料。

定子铁心10、转子铁心7可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压迭制而成。

永磁体1的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，永磁体2为一轴向圆环，沿轴向充磁。

隔磁体4的材料为铜、铝、钛合金等金属。

激磁线圈9用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims

1.一种用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器，其特征在于，包括永磁体、弹性阻尼环、外环、隔磁体、外导磁体、内导磁体、转子铁心、气隙、激励线圈、定子铁心；其中，所述激励线圈与定子铁芯一一对应，分别绕制在相应的定子铁芯上；

所述定子铁心共8个，共同组成电磁阻尼器的8个控制磁极，上述8个磁极按直角坐标系的X、Y轴方向分成2组，每组4个，其产生的电磁磁场依次通过内导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心构成电励磁磁路，产生电磁力；

所述外环的位置固定，所述弹性阻尼环设置在所述隔磁体与外环之间；

所述内导磁体的宽度等于所述外导磁体的宽度；

所述弹性阻尼环为轴向圆环，数量为两个，材质为钢衬胶；

所述永磁体为一轴向圆环，沿轴向充磁。

2.根据权利要求1所述的用于抑制转子振动的大阻尼混合式磁阻尼器，其特征在于，所述隔磁体材质为铜、铝或钛合金；

所述外导磁体和内导磁体的材质均为电工纯铁、1J50或硅钢；

所述永磁体采用稀土永磁材料或铁氧体永磁材料制成。