CN107339251B - 一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，包括T型槽台，以及横向设置在T型槽台上且依次相连的高速电机、弹性联轴器、径向磁悬浮轴承组件、柔性磁悬浮转子、激励磁悬浮轴承和测量组件；测量组件包括多个径向电涡流位移传感器；柔性磁悬浮转子的中间位置上过盈装配有大、小两个动平衡盘；径向电涡流位移传感器与数字控制器的信号输入端相连，输出端通过功率放大器后与前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承以及激励磁悬浮轴承均相连。本发明结构简单，使用操作方便，系统稳定性高，利用磁场力激励柔性磁悬浮转子，形成交叉耦合刚度干扰，在该试验台上可进行磁悬浮离心式压缩机交叉耦合刚度干扰抑制的控制研究。

Description

一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置
技术领域
本发明涉及磁悬浮支承技术领域，尤其涉及一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置。
背景技术
磁悬浮轴承是利用磁场力将转子稳定悬浮起来，使定子与转子实现无接触支承的一种新型高性能轴承。磁悬浮轴承集电磁学、机械学、电子技术、计算机技术等于一体的典型机电磁一体化产品，可工作在高温等恶劣环境下。与传统机械轴承相比，磁悬浮轴承具有如下优点：无接触、无摩擦、无需润滑系统、圆周速度高、发热少、低功耗、长寿命、刚度阻尼可在线调节，可工作在高温、低温和真空等极端环境下。此外，磁悬浮轴承具有极佳的主动振动控制功能，可以提供较低的径向刚度，允许转子在高速旋转下实现自定心以达到自动平衡效果。
通常，工业磁悬浮离心式压缩机转子都工作在一阶弯曲临界转速以上。在磁悬浮离心式压缩机中，流道中压缩流体与组件之间的耦合作用会导致转子的自激振动转子失稳。这种失稳力来源于流固耦合，并以交叉耦合刚度(CCS)干扰的形式表现出来，即转子某一方向的横向位移会导致其垂直方向上的激励。这种正反馈的机制会将旋转能量从工作流体转移到转子模态。这种被激发的模态通常低于转子运行转速从而导致次同步振动。如果该振动不能被轴承阻尼很好抑制就会发展成为无边界振动从而导致转子失稳。流固耦合的存在为磁悬浮轴承系统控制器的设计提出了很大挑战。
现有的磁悬浮轴承试验台并没有能够模拟磁悬浮压缩机中交叉耦合刚度激励干扰的功能。因此，本发明设计了一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有装置中没有能够模拟磁悬浮压缩机中交叉耦合刚度激励干扰的功能的缺陷，提供一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，包括T型槽台，以及横向设置在T型槽台上且依次相连的高速电机、弹性联轴器、径向磁悬浮轴承组件、柔性磁悬浮转子、激励磁悬浮轴承和测量组件；其中：
径向磁悬浮轴承组件包括设置在柔性磁悬浮转子两端的前径向磁悬浮轴承和后径向磁悬浮轴承；
测量组件包括多个径向电涡流位移传感器，径向电涡流位移传感器安装在前径向磁悬浮轴承和后径向磁悬浮轴承上，径向电涡流位移传感器用于检测柔性磁悬浮转子的径向位移；
柔性磁悬浮转子的中间位置上过盈装配有大、小两个动平衡盘，动平衡盘的外周上均匀排布有多个螺纹通孔，通过在螺纹通孔中安装螺栓对柔性磁悬浮转子不平衡配重；
该装置还包括数字控制器，径向电涡流位移传感器与数字控制器的信号输入端相连，数字控制器的输出端通过功率放大器后与前径向磁悬浮轴承、后径向磁悬浮轴承以及激励磁悬浮轴承均相连。
进一步地，本发明的高速电机为永磁同步高速电机，高速电机上连接有变频器。
进一步地，本发明的前径向磁悬浮轴承和后径向磁悬浮轴承均包括径向磁悬浮轴承大端盖、保护轴承、径向磁悬浮轴承小端盖、径向磁悬浮轴承定子和径向磁悬浮轴承座；保护轴承为深沟球轴承，保护轴承安装在径向磁悬浮轴承大端盖上，并通过径向磁悬浮轴承小端盖压紧；径向磁悬浮轴承定子的电磁铁控制力轴线与转子重力方向呈45°设置。。
进一步地，本发明的测量组件包括L型传感器支架、传感器测量环和径向电涡流位移传感器，L型传感器支架安装在径向磁悬浮轴承座的一侧，同一轴承的两传感器轴线之间呈90°设置；每个传感器支架上安装有一个径向电涡流位移传感器的探头，径向电涡流位移传感器的探头指向被测圆周面，分别监测柔性磁悬浮转子的x轴和y轴径向方向上的位移。
进一步地，本发明的动平衡盘包括第一动平衡盘和第二动平衡盘，第一动平衡盘的外周均布有30个M5的螺纹通孔，第二动平衡盘的外周均布有18个M5的螺纹通孔，M5螺纹孔用于安装不同材料不同长度的M5螺栓，用于柔性磁悬浮转子不平衡配重。
进一步地，本发明的激励磁悬浮轴承包括激励磁悬浮轴承端盖、径向磁悬浮轴承定子、激励磁悬浮轴承座和磁悬浮轴承定子；径向磁悬浮轴承定子的电磁铁控制力轴线与转子重力方向呈45°设置。
进一步地，本发明的高速电机的最高转速为30000rpm，高速电机的最高转速高于柔性磁悬浮转子的二阶弯曲临界转速，保证试验装置的柔性磁悬浮转子能实现跨一、二阶模态运行。
进一步地，本发明的激励磁悬浮轴承所需的激励控制电流的计算公式为：
其中，γ为给定的交叉耦合刚度干扰幅值，x、y为控制器接收到的后径向轴承的位移传感器信号，Ki为电流刚度系数，Kx为位移刚度系数；再由数字控制器发出控制电压信号，驱动功率放大器产生相应的激励电流，从而对柔性磁悬浮转子施加交叉耦合刚度激励。
本发明产生的有益效果是：本发明的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其转子一阶和二阶弯曲模态具有较好可控可观性，且高速电机最高转速高于二阶弯曲临界转速，可模拟压缩机的超临界运行状态。同时，在前后径向悬浮轴承间安装有激励磁悬浮轴承，在两径向方向通以相应控制电流,即可得到根据幅值为γ的交叉耦合刚度干扰，用于模拟磁悬浮压缩机转子在超临界运行下外源流体对转子稳定性的影响。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置的剖面示意图；
图3是本发明实施例的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置的俯视图；
图4是本发明实施例的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置的转子动平衡试验时转子上可配重的动平衡盘图；
图5是本发明实施例的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置的定子45°布置示意图；
图6是本发明实施例的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置的电涡流位移传感器布置图；
图中：1—T型槽台；2—高速电机；3—弹性联轴器；4—前径向磁悬浮轴承；5—柔性磁悬浮转子；6—第一动平衡盘；7—第二动平衡盘；8—激励磁悬浮轴承；9—径向电涡流位移传感器；10—后径向磁悬浮轴承；11—保护轴承。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，包括T型槽台1，以及横向设置在T型槽台1上且依次相连的高速电机2、弹性联轴器3、径向磁悬浮轴承组件、柔性磁悬浮转子5、激励磁悬浮轴承8和测量组件；其中：
径向磁悬浮轴承组件包括设置在柔性磁悬浮转子5两端的前径向磁悬浮轴承4和后径向磁悬浮轴承10；
测量组件包括多个径向电涡流位移传感器9，径向电涡流位移传感器9安装在前径向磁悬浮轴承4和后径向磁悬浮轴承10上，径向电涡流位移传感器9用于检测柔性磁悬浮转子5的径向位移；
柔性磁悬浮转子5的中间位置上过盈装配有大、小两个动平衡盘，动平衡盘的外周上均匀排布有多个螺纹通孔，通过在螺纹通孔中安装螺栓对柔性磁悬浮转子5进行不平衡配重；
该装置还包括数字控制器，4路输入信号，12路输出信号。径向电涡流位移传感器输出电压信号，与数字控制器的4路信号输入端相连，经PID运算后，数字控制器的前8路输出端控制电压信号通过功率放大器后与前径向磁悬浮轴承4和后径向磁悬浮轴承10相连，形成闭环回路使柔性转子稳定悬浮。数字控制器的后4路输出端控制电压信号通过功率放大器后与激励磁悬浮轴承相连，可根据所需的交叉耦合刚度干扰幅值发出相应的控制电压信号。
高速电机2为永磁同步高速电机，高速电机2上连接有变频器。
前径向磁悬浮轴承4和后径向磁悬浮轴承10均包括径向磁悬浮轴承大端盖、保护轴承11、径向磁悬浮轴承小端盖、径向磁悬浮轴承定子和径向磁悬浮轴承座；保护轴承11为深沟球轴承，保护轴承11安装在径向磁悬浮轴承大端盖上，并通过径向磁悬浮轴承小端盖压紧；径向磁悬浮轴承定子的电磁铁控制力轴线与转子重力方向呈45°设置。
测量组件包括L型传感器支架、传感器测量环和径向电涡流位移传感器9，L型传感器支架安装在径向磁悬浮轴承座的一侧，同一轴承的两传感器轴线之间呈90°设置；每个传感器支架上安装有一个径向电涡流位移传感器9的探头，径向电涡流位移传感器9的探头指向被测圆周面，分别监测柔性磁悬浮转子5的x轴和y轴径向方向上的位移。
动平衡盘包括第一动平衡盘6和第二动平衡盘7，第一动平衡盘6的外周均布有30个M5的螺纹通孔，第二动平衡盘7的外周均布有18个M5的螺纹通孔，M5螺纹孔用于安装不同材料不同长度的M5螺栓，用于柔性磁悬浮转子5不平衡配重。
激励磁悬浮轴承8包括激励磁悬浮轴承端盖、径向磁悬浮轴承定子、激励磁悬浮轴承座和磁悬浮轴承定子；径向磁悬浮轴承定子的电磁铁控制力轴线与转子重力方向呈45°设置。
高速电机2的最高转速为30000rpm，高速电机2的最高转速高于柔性磁悬浮转子5的二阶弯曲临界转速，保证试验装置的柔性磁悬浮转子5能实现跨一、二阶模态运行。
激励磁悬浮轴承8所需的激励控制电流的计算公式为：
其中，γ为给定的交叉耦合刚度干扰幅值，x、y为控制器接收到的后径向轴承的位移传感器信号，Ki为电流刚度系数，Kx为位移刚度系数；再由数字控制器发出控制电压信号，驱动功率放大器产生相应的激励电流，从而对柔性磁悬浮转子5施加交叉耦合刚度激励。
在本发明的另一个具体实施例中：
磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，包括：高速电机部分，弹性联轴器，径向磁悬浮轴承，测量部分，柔性转子，激励磁悬浮轴承。
所述的一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置中，高速电机部分包括永磁同步高速电机(含变频器)和电机基座。
径向磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承大端盖，保护轴承(深沟球轴承)，径向磁悬浮轴承小端盖，径向磁悬浮轴承定子，径向磁悬浮轴承座。保护轴承(深沟球轴承)安装在径向磁悬浮轴承大端盖上，并通过小端盖压紧。径向磁悬浮轴承定子的电磁铁控制力轴线与转子重力方向呈45°设置。
测量部分包括L型传感器支架、传感器测量环和电涡流位移传感器。L型传感器支架安装在径向磁悬浮轴承座一侧，呈90°布置。每个传感器支架上安装有一个电涡流位移传感器探头，分别监测转子的x轴和y轴径向方向上的位移。
柔性转子中间位置上过盈装配有大、小两个动平衡盘。动平衡盘1外周均布有30个M5的螺纹通孔。动平衡盘外周均布有18个M5的螺纹通孔。M5螺纹孔可安装不同材料不同长度的M5螺栓，用于转子不平衡配重。
激励磁悬浮轴承部分包括激励磁悬浮轴承端盖，径向磁悬浮轴承定子，激励磁悬浮轴承座和磁悬浮轴承定子。径向磁悬浮轴承定子的电磁铁控制力轴线与转子重力方向呈45°设置。
与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁悬浮轴承具有两大优点，一是无接触，无需润滑系统。二是支承特性可进行主动调节。因此，磁悬浮轴承可以应用于高速和超高速的工作环境如离心式压缩机；而且磁悬浮轴承主动控制的引入为转子的振动控制提供了有效的手段，但同时交叉耦合刚度干扰的存在也为控制器的设计带来了极大挑战，国内外学者也做了大量研究。
本发明采用上述技术方案，与现有磁悬浮机械试验台相比具有以下的主要优点：
1、其一阶和二阶弯曲模态具有较好的可控可观性；同时，所选电机最高转速超过柔性磁悬浮转子的二阶弯曲临界转速，因此本发明可用于柔性磁悬浮转子系统的跨阶控制研究。
2、前后径向悬浮轴承间装有激励磁悬浮轴承，通以合适电流可对柔性磁悬浮转子加载不同程度的无接触交叉耦合刚度扰动，用于模拟磁悬浮压缩机转子外源流体交叉耦合刚度干扰抑制研究。具体实施如下：
外源交叉耦合刚度干扰力：
其中，γ为交叉耦合刚度干扰幅值；
磁悬浮轴承电磁力：
其中，Ki为电流刚度系数，Kx为位移刚度系数；
联立电磁力与交叉耦合刚度干扰力得到能产生γ幅值交叉耦合刚度的电流表达式：
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其特征在于，包括T型槽台(1)，以及横向设置在T型槽台(1)上且依次相连的高速电机(2)、弹性联轴器(3)、径向磁悬浮轴承组件、柔性磁悬浮转子(5)、激励磁悬浮轴承(8)和测量组件；其中：
径向磁悬浮轴承组件包括设置在柔性磁悬浮转子(5)两端的前径向磁悬浮轴承(4)和后径向磁悬浮轴承(10)；
测量组件包括多个径向电涡流位移传感器(9)，径向电涡流位移传感器(9)安装在前径向磁悬浮轴承(4)和后径向磁悬浮轴承(10)上，径向电涡流位移传感器(9)用于检测柔性磁悬浮转子(5)的径向位移；
柔性磁悬浮转子(5)的中间位置上过盈装配有大、小两个动平衡盘，动平衡盘的外周上均匀排布有多个螺纹通孔，通过在螺纹通孔中安装螺栓对柔性磁悬浮转子(5)进行不平衡配重；
该装置还包括数字控制器，径向电涡流位移传感器(9)与数字控制器的信号输入端相连，数字控制器的输出端通过功率放大器后与前径向磁悬浮轴承(4)、后径向磁悬浮轴承(10)以及激励磁悬浮轴承(8)均相连。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其特征在于，高速电机(2)为永磁同步高速电机，高速电机(2)上连接有变频器。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其特征在于，前径向磁悬浮轴承(4)和后径向磁悬浮轴承(10)均包括径向磁悬浮轴承大端盖、保护轴承(11)、径向磁悬浮轴承小端盖、径向磁悬浮轴承定子和径向磁悬浮轴承座；保护轴承(11)为深沟球轴承，保护轴承(11)安装在径向磁悬浮轴承大端盖上，并通过径向磁悬浮轴承小端盖压紧；径向磁悬浮轴承定子的电磁铁控制力轴线与转子重力方向呈45°设置。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其特征在于，测量组件包括L型传感器支架、传感器测量环和径向电涡流位移传感器(9)，L型传感器支架安装在径向磁悬浮轴承座的一侧，同一轴承的两传感器轴线之间呈90°设置；每个传感器支架上安装有一个径向电涡流位移传感器(9)的探头，径向电涡流位移传感器(9)的探头指向被测圆周面，分别监测柔性磁悬浮转子(5)的x轴和y轴径向方向上的位移。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其特征在于，动平衡盘包括第一动平衡盘(6)和第二动平衡盘(7)，第一动平衡盘(6)的外周均布有30个M5的螺纹通孔，第二动平衡盘(7)的外周均布有18个M5的螺纹通孔，M5螺纹孔用于安装不同材料不同长度的M5螺栓，用于柔性磁悬浮转子(5)不平衡配重。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其特征在于，激励磁悬浮轴承(8)包括激励磁悬浮轴承端盖、径向磁悬浮轴承定子、激励磁悬浮轴承座和磁悬浮轴承定子；径向磁悬浮轴承定子的电磁铁控制力轴线与转子重力方向呈45°设置。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其特征在于，高速电机(2)的最高转速为30000rpm，高速电机(2)的最高转速高于柔性磁悬浮转子(5)的二阶弯曲临界转速，保证试验装置的柔性磁悬浮转子(5)能实现跨一、二阶模态运行。
8.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的交叉耦合刚度激励模拟装置，其特征在于，激励磁悬浮轴承(8)所需的激励控制电流的计算公式为：
其中，γ为给定的交叉耦合刚度干扰幅值，x、y为控制器接收到的后径向轴承(10)的位移传感器信号，Ki为电流刚度系数，Kx为位移刚度系数；再由数字控制器发出控制电压信号，驱动功率放大器产生相应的激励电流，从而对柔性磁悬浮转子(5)施加交叉耦合刚度激励。
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