CN106153256B - 一种磁悬浮转子高精度现场动平衡方法 - Google Patents
一种磁悬浮转子高精度现场动平衡方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种磁悬浮转子高精度现场动平衡方法，首先，建立磁悬浮转子绕几何轴旋转时校正质量与径向四通道同频控制电流的关系；然后，分别在平衡面A、平衡面B、平衡面A和平衡面B进行三次试重，每次加重后都升速到相同转速，使磁悬浮转子实现绕几何轴旋转的情况下，测量并提取径向四通道的同频控制电流；最后，计算出校正质量的大小和位置，在平衡面A和平衡面B上进行相应的不平衡质量的动平衡操作。本发明提出的现场动平衡方法，可直接对特性参数未知的刚性磁悬浮转子进行动平衡操作，步骤简单、效率高。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮转子的技术领域，具体涉及一种磁悬浮转子高精度现场动平衡方法，用于磁悬浮刚性转子现场动平衡，尤其适用于所有特性参数未知的磁悬浮刚性转子。
背景技术
电磁轴承是利用电磁力使轴承稳定悬浮起来且轴心位置可以由控制系统控制的一种新型轴承。和传统轴承相比，具有容许转速高、无机械磨损、无需润滑、可主动控制、可进行状态监控等优点，是高精度、长寿命高速转子系统的理想支承方式。
转子在加工、制造和装配等过程中，因材料特性不一致、加工、装配误差，会导致转子存在不平衡质量。当转子旋转时，不平衡产生离心扰动力，扰动力传递到基座上，产生振动和噪声，降低了设备使用寿命。对于磁悬浮转子而言，过大的不平衡还会引起磁轴承功耗的增加，甚至在高速时引起功率放大器电流饱和以及磁轴承磁饱和。
因为磁轴承具有主动控制能力，现有技术中有能够抑制磁悬浮转子系统在高速旋转时产生的不平衡振动方法，控制转子绕惯性轴旋转。然而只有在旋转体的不平衡质量在一定范围内时，位移振幅才能满足长期运行的国际标准。当转子存在较大不平衡质量时，不平衡振动抑制方法的效果也会不佳，甚至系统无法在额定转速下长期稳定运行。
现场动平衡方法通过测试转子的不平衡量，然后校正转子的质量分布，使得转子的惯性轴与几何轴重合，从根本上消除不平衡扰动。很显然，如果现场动平衡的精度足够高，磁悬浮转子将绕几何轴旋转，消除振动和噪声，而且这是与使用何种磁悬浮控制算法无关的。理论上讲，在满足刚性转子条件下的任一转速下进行动平衡均可保证转子在整个刚性转速范围内是平衡的。另外，一旦做好动平衡，就不再需要特殊的控制器，对于那些在长期运行过程中转子不平衡变化较小的磁悬浮旋转设备而言，现场动平衡是个一劳永逸的消除振动的方法。
现在市面上通用的现场动平衡仪通过两次试重测算各平衡盘上试重质量的影响因数，用振动传感器检测旋转设备机壳振动信息与用光电探头检测转子绝对位置信息，进而计算不平衡响应的幅值和角度。磁悬浮设备本身所具有的位移传感器、电流传感器和角位置传感器为在其上进行高精度动平衡提供了很好的检测条件，不需要增加任何仪器设备，节省成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术中磁悬浮转子系统动平衡方法步骤繁琐、精度较差的缺陷，对一个特性参数未知的磁悬浮转子系统，在无需使用动平衡机的情况下，提供一种可直接对此未知系统的不平衡转子进行高精度现场动平衡操作，步骤简单、效率高，且此动平衡方法成本极低。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种磁悬浮转子高精度现场动平衡方法，其特征在于，首先，建立磁悬浮转子绕几何轴旋转时校正质量与径向四通道同频控制电流的关系；然后，分别在平衡面A、平衡面B、平衡面A和平衡面B进行三次试重，每次加重后都升速到相同转速，使磁悬浮转子实现绕几何轴旋转的情况下，测量并提取径向四通道的同频控制电流；最后，计算出校正质量的大小和位置，在平衡面A和平衡面B上进行相应的不平衡质量的动平衡操作。
具体实现步骤如下：
(1)建立转子绕几何轴旋转时校正质量与径向四通道同频控制电流的关系；
在转速Ω下，平衡面A的校正质量mca和平衡面B的校正质量mcb对应的力和力矩等价于当转子绕几何轴旋转时的径向磁轴承力和力矩，校正质量与同频电流的等价关系式表示为：
其中ra为平衡面A的校正质量的轴心距、rb为平衡面B的校正质量的轴心距，kia为磁轴承A的电流刚度、kib为磁轴承B的电流刚度，ima为磁轴承A的同频控制电流、imb为磁轴承B的同频控制电流，L1为平衡面A到磁轴承A的距离、L3为平衡面B到磁轴承B的距离、lam为磁轴承A到质心的距离、lbm为磁轴承B到质心的距离。
由校正质量与同频电流的等价关系表达式可知，校正质量只与平衡面A、平衡面B、磁轴承A和磁轴承B四者的相对距离有关，而与相对位置无关。
(2)为了求解校正质量，需在预设转速Ω下实现转子绕几何轴旋转，测量并提取径向磁轴承的同频电流；
启动磁悬浮转子使其转速达到预设转速Ω，开启磁悬浮轴承控制器中的不平衡补偿控制算法，使同频反馈增益无穷大实现绕几何轴旋转，由位移检测装置采集所述磁悬浮系统的径向位移信号，检测所述转子的径向同频振幅是否收敛，待收敛稳定后，通过电流传感器测量出磁轴承线圈电流信号，并将该电流信号输入数字滤波器，提取出与转速同频的电流同频信号，得到磁轴承A的同频电流初始值ima0和磁轴承B的同频电流初始值imb0；
(3)将磁悬浮转子转速降至0，在平衡面A加上试重m试1，采取和步骤(2)同样的方式，记录第一次试重时磁轴承A的同频电流值ima1和磁轴承B的同频电流值imb1；
(4)然后将磁悬浮转子转速降到0，移除平衡面A的试重m试1，在平衡面B加上试重m试2，采取和步骤(2)同样的方式，得到第二次试重时磁轴承A的同频电流值ima2和磁轴承B的同频电流值imb2；
(5)再将磁悬浮转子转速降到0，在平衡面A再加上试重m试1，此时平衡面A有试重m试1、平衡面B有试重m试2，采取和步骤(2)同样的方式，得到第三次试重时磁轴承A的同频电流值ima3和磁轴承B的同频电流值imb3；
(6)根据三次试重得到的同频电流，进而求解出不平衡面A的初始校正量mca0和不平衡面B的初始校正量mcb0；
(7)将磁悬浮转子转速降到0，在所述两个不平衡面上分别根据步骤(6)中计算所得的相应初始不平衡校正量进行加重或去重的动平衡操作；
(8)再次重新启动磁悬浮转子，当磁悬浮转子转速达到Ω时，检测转子的位移振动量是否小于预设振动阈值，如果小于所述预设振动阈值，则该转速下动平衡完成；否则，重复步骤(2)-(7)直至磁悬浮转子转速达到Ω时，检测到的磁悬浮转子振动量小于预设振动阈值。
所述步骤(6)中计算出的两不平衡面的初始校正量：
所述步骤(8)中预设振动阈值为保护间隙的1/10。
所述转速检测传感器采集磁悬浮转子转速和初始相位对准。
本发明的基本原理：当磁悬浮转子绕几何轴旋转时，轴承力和力矩就是转子的不平衡力和力矩，根据对应关系，可将平衡面的校正质量等效为磁轴承线圈中的同频电流。在不同平衡面进行三次试重的方法，测量提取径向四通道轴承线圈中的同频电流，求出和系统相关的六个未知参数，进而计算出校正质量的大小和位置，以实现动平衡操作。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明设计的磁悬浮高速转子高精度现场动平衡方法，在转速Ω下，平衡面A的校正质量mca和平衡面B的校正质量mcb对应的力和力矩等价于当转子绕几何轴旋转时的径向磁轴承力和力矩，又因为此时的同频位移为0，轴承力只与同频控制电流有关，使得算法简单，并且动平衡精度高。同时无需额外使用动平衡仪，只借助已有的电流传感器来测量，简化了设备，降低了成本。
(2)本发明设计的磁悬浮高速转子高精度现场动平衡方法，所述平衡面A和平衡面B可以设在转子的任何地方，使得平衡面所处位置的调整范围广。
(3)本发明设计的磁悬浮高速转子高精度现场动平衡方法，无需知道磁轴承的刚度及其它尺寸参数等，且对于细长轴或者扁平转子都适用。
附图说明
图1为本发明中磁悬浮转子轴系结构示意图；
图2为本发明中磁悬浮轴承控制系统框图；
图3为动平衡方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
(1)如图1所示，是本发明所涉及的磁悬浮转子轴系结构示意图，所述转子轴系包括转子、平衡面A、平衡面B、磁轴承A和磁轴承B。其中L1为平衡面A到磁轴承A的距离、L2为磁轴承A到磁轴承B的距离、L3为平衡面B到磁轴承B的距离、lam为磁轴承A到质心C的距离、lbm为磁轴承B到质心C的距离。
(2)磁悬浮转子系统由磁轴承控制器、功率放大器、磁轴承、转子系统和位移传感器组成，位移传感器测量出转子位移经A/D采样送至控制器，控制器输出稳定控制量至功率放大器，进而输出控制电流到磁轴承线圈，使转子稳定悬浮。
(3)在预设转速Ω下实现转子绕几何轴旋转，测量径向磁轴承的电流；
启动磁悬浮转子达到预设转速Ω，开启磁悬浮轴承控制器中的不平衡补偿控制算法，使同频反馈增益无穷大实现绕几何轴旋转，由位移检测装置采集所述磁悬浮系统的径向位移信号，检测所述转子的径向同频振幅是否收敛，稳定收敛的标准为位移信号经快速傅里叶变换后，同频幅值小于-45dB并10秒内的变化量小于0.2dB，待收敛稳定后，通过电流传感器测量出磁轴承线圈电流信号，并将该电流信号输入数字滤波器，提取出与转速同频的电流同频信号，得到磁轴承A的同频电流初始值ima0和磁轴承B的同频电流初始值imb0，校正质量与同频电流的等价关系式1表示为；
以ima0为例进行电流同频量的提取，设电流互感器测量得到的电流为ia0，那么同频电流可表示为：
ima0＝A1sin(Ωt)+A2cos(Ωt)
其中：
T是采样周期，NT是整数倍周期的积分时间。
(4)将磁悬浮转子转速降至0，在平衡面A加上试重m试1，采取和步骤(3)同样的方式，记录第一次试重时磁轴承A的同频电流值ima1和磁轴承B的同频电流值imb1，校正质量与同频电流的等价关系式2表示为；
(5)然后将转子转速降到0，移除平衡面A的试重m试1，在平衡面B加上试重m试2，采取和步骤(3)同样的方式，得到第二次试重时磁轴承A的同频电流值ima2和磁轴承B的同频电流值imb2，校正质量与同频电流的等价关系式3表示为；
(6)然后将转子转速降到0，在平衡面A再加上试重m试1，此时平衡面A有试重m试1、平衡面B有试重m试2，采取和步骤(3)同样的方式，得到第三次试重时磁轴承A的同频电流值ima3和磁轴承B的同频电流值imb3，校正质量与同频电流的等价关系式4表示为；
(7)根据校正质量与同频电流的等价关系式1-4，可求解出不平衡面A的初始校正量mca0和不平衡面B的初始校正量mcb0：
(8)将转子转速降到0，在所述两个不平衡面上分别根据步骤(7)中计算所得的相应初始不平衡校正量进行加重或去重的动平衡操作；
(9)再次重新启动所述磁悬浮系统，当转子转速达到Ω时，检测转子的位移振动量是否小于预设振动阈值，所述预设位移振动阈值为保护间隙的1/10。如果小于所述预设振动阈值，则该转速下动平衡完成；否则，重复步骤(3)-(8)直至转子转速达到Ω时，直到检测到的转子振动量小于预设振动阈值。
本发明未详细阐述部分属于本领域专业人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种磁悬浮转子高精度现场动平衡方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)建立磁悬浮转子绕几何轴旋转时，校正质量与径向四通道同频控制电流的关系；
在转速Ω下，平衡面A的校正质量mca和平衡面B的校正质量mcb对应的力和力矩等价于磁悬浮转子绕几何轴旋转时的径向磁轴承力和力矩，校正质量产生的离心力和力矩与径向磁轴承力和力矩的等价关系式表示为：
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其中ra为平衡面A的校正质量的轴心距、rb为平衡面B的校正质量的轴心距，kia为磁轴承A的电流刚度、kib为磁轴承B的电流刚度，ima为磁轴承A的同频控制电流、imb为磁轴承B的同频控制电流，L1为平衡面A到磁轴承A的距离、L3为平衡面B到磁轴承B的距离、lam为磁轴承A到质心的距离、lbm为磁轴承B到质心的距离；
根据上述等价关系式求解校正质量表达式为：
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其中L为平衡面A到平衡面B的距离，L2为磁轴承A到磁轴承B的距离；
由校正质量表达式可知，校正质量只与平衡面A、平衡面B、磁轴承A和磁轴承B四者的相对距离有关，而与平衡面A、平衡面B、磁轴承A和磁轴承B的相对位置无关；
(2)为了求解校正质量，需在预设转速Ω下实现磁悬浮转子绕几何轴旋转，测量并提取径向磁轴承的同频电流；
启动磁悬浮转子达到预设转速Ω，实现磁悬浮转子绕几何轴旋转，由位移检测装置采集转子的径向位移信号，待磁悬浮转子的径向同频振幅收敛稳定后，通过电流传感器测量出磁轴承线圈电流信号，并将该电流信号输入数字滤波器，提取出与转速同频的电流信号，得到磁轴承A的同频电流初始值ima0和磁轴承B的同频电流初始值imb0，校正质量和同频电流的关系表达式1为：
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(3)将磁悬浮转子转速降到0，在平衡面A加上试重m试1，然后按照步骤(2)同样的方式，得到第一次试重时磁轴承A的同频电流ima1和磁轴承B的同频电流值imb1，校正质量和同频电流的关系表达式2为：
(4)将磁悬浮转子转速降到0，移除平衡面A的试重m试1，在平衡面B加上试重m试2，采取和步骤(2)同样的方式，得到第二次试重时磁轴承A的同频电流ima2和磁轴承B的同频电流值imb2，校正质量和同频电流的关系表达式3为：
(5)再将磁悬浮转子转速降到0，在平衡面A再加上试重m试1，此时平衡面A的试重为m试1和平衡面B的试重为m试2，采取和步骤(2)同样的方式，得到第三次试重时磁轴承A的同频电流ima3和磁轴承B的同频电流值imb3，校正质量和同频电流的关系表达式4为：
(6)根据校正质量和同频电流的关系表达式1-4，求解出不平衡面A的初始校正量mca0和不平衡面B的初始校正量mcb0；
(7)将磁悬浮转子转速降到0，在所述两个不平衡面上根据步骤(6)中计算所得的相应初始不平衡校正量进行加重或反向去重的动平衡操作；
(8)再次重新启动磁悬浮转子使其转速达到Ω，检测磁悬浮转子的位移振动量是否小于预设振动阈值，如果小于所述预设振动阈值，则该转速下动平衡完成；否则，重复步骤(2)-(7)直至磁悬浮转子转速达到Ω时，检测到的磁悬浮转子振动量小于预设振动阈值。
2.根据权利1要求所述的一种磁悬浮转子现场动平衡方法：所述步骤(6)中计算出的两不平衡面的初始校正量：
3.根据权利要求1或2所述的一种磁悬浮转子高精度现场动平衡方法，其特征在于：所述步骤(8)中预设振动阈值为保护间隙的1/10。
4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮转子高精度现场动平衡方法，其特征在于：所述转速检测传感器采集磁悬浮转子转速和初始相位对准。
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