CN109538630A - 电机磁悬浮轴承控制装置、控制方法、电机及压缩机 - Google Patents

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Abstract

涉及电机技术领域，本发明提出一种电机磁悬浮轴承控制装置、控制方法、电机及压缩机，磁悬浮轴承控制装置包括采集器与轴承控制器，所述采集器连接于电机电路，所述采集器用于采集电机反电动势，所述采集器信号连接所述轴承控制器，所述轴承控制器根据电机反电动势调整磁悬浮轴承的悬浮位置。利用本发明的悬浮位置自调整装置，通过电机的反电动势测算轴的温度，进而推算出轴的伸长量，根据此伸长量实时调整轴的轴向悬浮位置，大大降低了轴伸长摩擦碰撞电磁轴承的风险。解决了磁悬浮轴承系统，高速转轴运行过程轴伸长引起的摩擦碰撞风险，提高了轴承系统的运行可靠性。

Description

电机磁悬浮轴承控制装置、控制方法、电机及压缩机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种电机磁悬浮轴承控制装置、控制方法、电机及压缩机。
背景技术
在磁悬浮轴承系统中，要实现主轴的轴向悬浮，需要轴向位移传感器检测轴的位置以及轴向电磁轴承产生电磁力，以控制轴向推力盘，使主轴稳定悬浮在某个位置。
磁悬浮轴承的实际应用系统中，例如高速电机/压缩机，电机定子带动转子旋转，同时会产生很大的热量，即使在有冷却系统的压缩机中，转子温度也相对较高。这就导致轴不可避免的伸长。由于磁悬浮轴承系统的轴向位置检测在主轴7的前端，可参照图1(参照本发明实施例图进行理解)所示意，主轴7前端位置固定，因此，主轴7的伸长将体现在轴后端。随着主轴7的伸长，推力盘33朝轴向电磁轴承32一端靠近，甚至接触，导致电磁轴承31的线圈电流过大或者磨损轴承保护面34，进而可能损坏电磁轴承。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的在于，提供一种能使电机主轴的推力盘始终保持在电磁轴承中心位置附近的电机磁悬浮轴承控制装置、控制方法、电机及压缩机。
本发明的至少一个实施例提供了一种电机磁悬浮轴承控制装置，包括采集器与轴承控制器，所述采集器连接于电机电路，所述采集器用于采集电机反电动势，所述采集器信号连接所述轴承控制器，所述轴承控制器根据电机反电动势调整磁悬浮轴承的悬浮位置。
可选的，还具有位移传感器，连接于所述轴承控制器，所述位移传感器用于检测所述电机的转子的轴向位移信号；所述轴承控制器根据轴向位移信号控制磁悬浮轴承将所述电机的转子复位至所述悬浮位置。
可选的，所述轴承控制器根据电机反电动势确定电机主轴伸长量，根据电机主轴伸长量反向调整磁悬浮轴承的悬浮位置。
可选的，还具有一个检测盘，对应所述位移传感器设置在所述电机的主轴上。
可选的，所述采集器为电机控制器，所述采集器连接于所述电机的定子。
可选的，所述磁悬浮轴承包括第一电磁件、第二电磁件与推力盘，所述第一电磁件与所述第二电磁件分别位于所述推力盘的轴向上的两侧，所述推力盘固定于所述电机的主轴；所述第一电磁件与所述第二电磁件均能在轴向上相对的方向上推动所述推力盘；所述第一电磁件与所述第二电磁件之间具有轴向间隔，所述第一电磁件与所述第二电磁件推动所述推力盘位于所述轴向间隔中部位置。
可选的，所述轴承控制器分别控制所述第一电磁件与所述第二电磁件的轴向推力。
另一方面，本申请实施例还一种电机磁悬浮轴承控制方法，包括：
获得所述电机的反电动势；
根据所述反电动势计算所述电机的主轴温度；
根据所述主轴温度估算得到所述主轴的伸长量；
根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置。
可选的，所述根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置，包括：
根据所述主轴的伸长量获得磁悬浮轴承的推力盘的偏移距离；
根据所述偏移距离修正磁悬浮轴承的轴承控制器的悬浮位置。
可选的，所述悬浮位置修正动作按时间间隔分布进行。
可选的，所述根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置，包括：
根据所述主轴的伸长量获得磁悬浮轴承的推力盘的偏移距离；
根据所述偏移距离修正轴承控制器中的位移传感器的触发距离；
轴承控制器根据修正后的触发距离控制悬浮轴承悬浮在修正后的悬浮位置。
可选的，还具一个伸长量阈值，当所述伸长量大于该伸长量阈值时，则根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置；当所述伸长量小于该伸长量阈值时，则取消对磁悬浮轴承的悬浮位置的修正。
又一方面，可以认为是提供了一种电机，包括如前所述的电机磁悬浮轴承控制装置。
再一方面，可以认为是提供了一种压缩机，包括如前所述的电机。
采用上述可选的技术方案所得到的有益效果是：本发明的电机磁悬浮轴承控制装置及控制方法，通过接收电机定子反电动势，从而计算转子温度，再根据转子温度及主轴的物理属性计算轴的伸长量，根据实时测算到的伸长量调整轴的悬浮位置，使主轴的推力盘始终保持在电磁轴承中心位置附近，保证安全的悬浮距离。
利用本发明的悬浮位置自调整方法，通过电机的反电动势测算轴的伸温度，进而推算出轴的伸长量，根据此伸长量实时调整轴的轴向悬浮位置，大大降低了轴伸长摩擦碰撞电磁轴承的风险。解决了磁悬浮轴承系统，高速转轴运行过程轴伸长引起的摩擦碰撞风险，提高了轴承系统的运行可靠性。
附图说明
图1：本发明实施例中磁悬浮轴承系统实施例的结构示意图。
图2：本发明实施例中主轴伸长及悬浮位置调整步骤示意图。
图3：本发明实施例中悬浮位置自动调整流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供一种电机磁悬浮轴承控制装置，图1为本发明实施例中磁悬浮轴承系统实施例的结构示意图。如图中所示意，本实施例的悬浮轴承控制装置主要包括采集器1与轴承控制器2，所述采集器1选择直接或间接连接于电机电路，所述采集器1可用于采集电机反电动势，所述采集器1信号连接所述轴承控制器2，以便于将反电动势参数输至轴承控制器2，所述轴承控制器2可根据电机反电动势调整磁悬浮轴承3的悬浮位置。以使主轴的推力盘始终保持在电磁轴承中心位置附近，保证安全的悬浮距离。
根据本申请实施例，所述采集器1可选择为集成于电机控制器，也就是选择以现有可以输出反电动势参数的电机控制器为采集器1。所述采集器1连接于所述电机的定子6，以便于实时获取定子6的反电动势参数。当然，本领域技术人员可以理解的是，采集器1也可以选择为其他具有信号采集能力的机构，比如专用的信号采集电路或信号其他采集器。只要能实时获取定子6的反电动势参数即可，在此不具体限定。
根据本发明实施例，还在主轴7前端配置有位移传感器4，连接于所述轴承控制器2，根据本申请实施例，还可具体配置有一个检测盘8，对应所述位移传感器4设置在所述电机的主轴7上。所述位移传感器4用于检测所述电机的转子5的轴向位移信号；所述轴承控制器2根据轴向位移信号控制磁悬浮轴承3将所述电机的转子5复位至所述悬浮位置。以根据位移传感器4确定主轴的推力盘是否保持在电磁轴承中心位置，如此来通过控制第一电磁件31与所述第二电磁件32的轴向推力来使得推力盘复位至预设的所述悬浮位置。以维持磁悬浮轴承3的安全悬浮运行。
根据本申请实施例，所述磁悬浮轴承3包括第一电磁件31、第二电磁件32与推力盘33，所述第一电磁件31与所述第二电磁件32分别位于所述推力盘33的轴向上的两侧，所述推力盘33固定于所述电机的主轴；所述第一电磁件31与所述第二电磁件32均能在轴向上相对的方向上推动所述推力盘33；所述第一电磁件31与所述第二电磁件32之间具有轴向间隔，所述第一电磁件31与所述第二电磁件32推动所述推力盘33位于所述轴向间隔的中部位置。
根据本申请实施例，所述轴承控制器2分别控制所述第一电磁件31与所述第二电磁件32的轴向推力。
图2：本发明实施例中主轴伸长及悬浮位置调整步骤示意图，图3：本发明实施例中悬浮位置自动调整流程示意图。
如图中示意，根据本申请实施例，还提供一种电机磁悬浮轴承控制方法，主要包括：
获得所述电机的反电动势；
根据所述反电动势计算所述电机的主轴温度；
根据所述主轴温度估算得到所述主轴的伸长量；
根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置。
通过接收电机定子反电动势，从而计算转子温度，再根据转子温度及主轴的物理属性计算轴的伸长量，根据实时测算到的伸长量调整轴的悬浮位置，使主轴的推力盘始终保持在电磁轴承中心位置附近，保证安全的悬浮距离。这大大降低了轴伸长摩擦碰撞电磁轴承的风险。解决了磁悬浮轴承系统，高速转轴运行过程轴伸长引起的摩擦碰撞风险，提高了轴承系统的运行可靠性。
磁悬浮轴承正常工作时，因为主轴是悬浮状态与其他任何物体不接触，且主轴高速旋转，无法安装测温装置。再者，因为空间、工艺等限制也无法安装测温装置，因此主轴温度不可直接检测。且这其中主轴伸长量是由于发热导致，轴在高速旋转时本就是处于波动状态，如图所示，传感器只能测量轴的某个位置，无法在正常工作的状态下直接测量伸长量。
因此本申请实施例借助可直接获取的反电动势来直接换算得到电机温度，从而可以间接地估算出主轴伸长量，以此便可以客观地控制悬浮位置。且不需要再增加更复杂的温度监测或轴伸长量监测装置，在不增加结构改造成本的情况下，便可以提高轴承系统的运行可靠性。
其中，更具体的实施例中，所述根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置，包括：
根据所述主轴的伸长量获得磁悬浮轴承的推力盘的偏移距离；
根据所述偏移距离修正磁悬浮轴承的轴承控制器的悬浮位置。
根据本申请实施例，所述悬浮位置修正动作按时间间隔分布进行。也就是说，此悬浮位置修正动作并非实时进行，这主要考虑到从反电动势数据转换为电机温度以及主轴伸长量的时延，所以间隔一定时间后再执行一次悬浮位置修正动作，则可以避免反电动势数据的偶发增大对于轴承系统的运行可靠性的影响。
根据本申请实施例，所述根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置，包括：
根据所述主轴的伸长量获得磁悬浮轴承的推力盘的偏移距离；
根据所述偏移距离修正轴承控制器中的位移传感器的触发距离；
轴承控制器根据修正后的触发距离控制悬浮轴承悬浮在修正后的悬浮位置。也就是说，这里所说的悬浮位置，实质上是调整位移数据对应的控制点阈值，比如左偏触发数据根据主轴伸长量对应向左偏移，将右偏数据根据主轴伸长量对应向左偏移，以此修正主轴伸长量带来的向右偏移。
根据本申请实施例，还具一个伸长量阈值，当所述伸长量大于该伸长量阈值时，则根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置；
根据本申请实施例，当所述伸长量小于该伸长量阈值时，则取消对磁悬浮轴承的悬浮位置的修正。具体实施例中伸长量阈值可以设定为第一电磁件31与第二电磁件32总间距的1/8至1/4之间，一具体实施例中可设定为第一电磁件31与第二电磁件32总间距的1/4，以此可以避免频繁调整悬浮位置，减少计算量；同时还能提高轴承系统的运行可靠性。
根据本申请实施例，电机控制器采集电机反电动势，将数据通过通讯发送给轴承控制器，计算出转子温度及转子伸长量，实时调整运行过程中轴的悬浮位置。
以下结合一个具体示例，详细说明如下：
磁悬浮轴承系统结构示意图如图1所示，电机控制器1控制电机的旋转，主轴7的悬浮由轴承控制器2控制实现。磁悬浮轴承3轴向悬浮时，位移传感器4通过检测固定在主轴7上的检测盘8确定轴向位置，通过控制电磁轴承31、32的电流产生电磁力施加在轴的推力盘33上实现悬浮。
本发明实施例的轴向悬浮位置自调整方法利用电机控制器采集运行过程中电机的反电动势，并将数据以通讯的方式发送给轴承控制器2，控制器2根据反电动势测算转子温度，进而根据轴的材料特性计算轴的伸长量。如图2所示，A为静态时，轴向悬浮的位置。此时轴向检测盘8与位移传感器的距离设置为a，轴向可移动距离为n。当轴高速旋转发热伸长时，如图2中的B所示，位移传感器4与检测盘8距离仍为设置的a，通过计算得到的轴向推力盘向后移动的距离为b，即轴的伸长量。
轴高速旋转时，对于磁悬浮轴，受系统及动态影响，轴向悬浮会前后波动。因此推力盘33向后移动到一定的距离后就存在很大的风险与电磁轴承摩擦碰撞。为此，轴承控制器2设定一个安全值例如(n/4)，即当b>n/4时，进行轴向悬浮位置调整。更改悬浮位置，即位移传感器4与检测盘8的距离，将悬浮位置调整为a+b，则轴推力盘33重新回到电磁轴承的中心位置。考虑轴处在旋转状态，悬浮位置调整采用步进的方式，例如每1分钟调整n/10，10分钟完成位置调整，以减小运行过程中突然更改悬浮位置带来的影响。调整悬浮位置后，如图2中C所示。
同样，若系统低负荷运行，轴温度恢复，伸长量减小，伸长量小于安全值时，系统再将悬浮位置调回a。
由于转子发热、伸长需要一定的时间，变化较慢，因此对于自动悬浮位置调整也无需频繁检测调整。例如每半小时进行一次检测计算。悬浮位置自调整方法流程图如图3所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种电机磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，包括采集器(1)与轴承控制器(2)，所述采集器(1)连接于电机电路，所述采集器(1)用于采集电机反电动势，所述采集器(1)信号连接所述轴承控制器(2)，所述轴承控制器(2)根据电机反电动势调整磁悬浮轴承(3)的悬浮位置。
2.根据权利要求1所述的电机磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，还具有位移传感器(4)，连接于所述轴承控制器(2)，所述位移传感器(4)用于检测所述电机的转子(5)的轴向位移信号；所述轴承控制器(2)根据轴向位移信号控制磁悬浮轴承(3)将所述电机的转子(5)复位至所述悬浮位置。
3.根据权利要求1所述的电机磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，所述轴承控制器(2)根据电机反电动势确定电机主轴伸长量，根据电机主轴伸长量反向调整磁悬浮轴承(3)的悬浮位置。
4.根据权利要求2所述的电机磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，还具有一个检测盘(8)，对应所述位移传感器(4)设置在所述电机的主轴(7)上。
5.根据权利要求1所述的电机磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，所述采集器(1)为电机控制器，所述采集器(1)连接于所述电机的定子(6)。
6.根据权利要求1所述的电机磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，所述磁悬浮轴承(3)包括第一电磁件(31)、第二电磁件(32)与推力盘(33)，所述第一电磁件(31)与所述第二电磁件(32)分别位于所述推力盘(33)的轴向上的两侧，所述推力盘(33)固定于所述电机的主轴(7)；所述第一电磁件(31)与所述第二电磁件(32)均能在轴向上相对的方向上推动所述推力盘(33)；所述第一电磁件(31)与所述第二电磁件(32)之间具有轴向间隔，所述第一电磁件(31)与所述第二电磁件(32)推动所述推力盘(33)位于所述轴向间隔中部位置。
7.根据权利要求6所述的电机磁悬浮轴承控制装置，其特征在于，所述轴承控制器(2)分别控制所述第一电磁件(31)与所述第二电磁件(32)的轴向推力。
8.一种电机，包括如权利要求1至7任一项所述的电机磁悬浮轴承控制装置。
9.一种压缩机，包括如权利要求8所述的电机。
10.一种电机磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，包括：
获得所述电机的反电动势；
根据所述反电动势计算所述电机的主轴温度；
根据所述主轴温度估算得到所述主轴的伸长量；
根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置。
11.根据权利要求10所述的电机磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，
所述根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置，包括：
根据所述主轴的伸长量获得磁悬浮轴承的推力盘的偏移距离；
根据所述偏移距离修正磁悬浮轴承的轴承控制器的悬浮位置。
12.根据权利要求10所述的电机磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，所述悬浮位置修正动作按预设时间间隔执行。
13.根据权利要求10所述的电机磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，
所述根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置，包括：
根据所述主轴的伸长量获得磁悬浮轴承的推力盘的偏移距离；
根据所述偏移距离修正轴承控制器中的位移传感器的触发距离；
轴承控制器根据修正后的触发距离控制悬浮轴承悬浮在修正后的悬浮位置。
14.根据权利要求10至13任一项所述的电机磁悬浮轴承控制方法，其特征在于，
还具一个伸长量阈值，
当所述伸长量大于该伸长量阈值时，则根据所述主轴的伸长量修正磁悬浮轴承的悬浮位置；
当所述伸长量小于该伸长量阈值时，则取消对磁悬浮轴承的悬浮位置的修正。
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