CN109611451B - 一种磁悬浮轴承的控制方法 - Google Patents
一种磁悬浮轴承的控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109611451B CN109611451B CN201811305375.3A CN201811305375A CN109611451B CN 109611451 B CN109611451 B CN 109611451B CN 201811305375 A CN201811305375 A CN 201811305375A CN 109611451 B CN109611451 B CN 109611451B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnetic induction
- induction intensity
- electromagnets
- electromagnet
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000725 suspension Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 73
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 claims abstract description 24
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000003068 static effect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005662 electromechanics Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
- F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
本发明公开了一种磁悬浮轴承的控制方法，磁悬浮轴承在其各个自由度上均包含以被悬浮对象为中心相对布置的两个电磁铁，对于任意一个自由度，将硅钢片交流磁化曲线的膝点处的磁感应强度设置为两个电磁铁的偏置磁感应强度，并设置最大磁感应强度；然后根据偏置磁感应强度生成两个电磁铁的偏置电流；接着根据被悬浮对象的偏移距离，分别生成两个电磁铁的目标磁感应强度及其对应的第一控制电流、第二控制电流；最后，以偏置电流和第一控制电流之和对一个电磁铁进行激磁，以偏置电流和第二控制电流之差对另一个电磁铁进行激磁。本发明中电磁铁静态工作点的位置大幅度提高，使得磁悬浮轴承的比承载力大幅度增加。
Description
技术领域
本发明涉及高速旋转机械领域，尤其涉及一种磁悬浮轴承的控制方法。
背景技术
压缩机、鼓风机、透平干燥机、大型节能水泵、高效节能热泵、储能飞轮、燃气轮机、离心式中央空调机组等大型高速旋转机械，在国民经济各部门中有着广泛应用，均是相关行业的核心关键设备，也是高耗能设备。
磁悬浮轴承是利用电磁力将转子无机械接触地悬浮起来的一种新型支承，包括传感器、数字控制器、功率放大器、电磁铁等环节。与传统轴承（滚动轴承和油滑动轴承）相比，磁悬浮轴承与转子无机械接触，使用寿命长，维护费用低，无需润滑和密封，可长期用于高低温等特殊环境中，被认为是支承技术的一次革命，是目前唯一投入实用的主动支承装置。但是，磁悬浮轴承的一个明显缺点是比承载力较小。换言之，在同样承载力下，磁悬浮轴承的体积和重量较大，造成转子重量和尺寸增加、系统动态性能下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种磁悬浮轴承的控制方法，提高了磁悬浮轴承的比承载力，使之能够应用于大型高速旋转机械。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种磁悬浮轴承的控制方法，所述磁悬浮轴承在其各个自由度上均包含以被悬浮对象为中心相对布置的两个电磁铁，对于任意一个自由度，所述控制方法包含以下步骤：
步骤1），获得两个电磁铁的硅钢片交流磁化曲线，所述硅钢片交流磁化曲线的横坐标为磁场强度，纵坐标为磁感应强度；
步骤2），将所述硅钢片交流磁化曲线的膝点处对应的磁感应强度设置为两个电磁铁的偏置磁感应强度，并将所述硅钢片交流磁化曲线上预先设定的C点处对应的磁感应强度设置为两个电磁铁的最大磁感应强度，所述预先设定的C点处对应的磁感应强度大于所述偏置磁感应强度；
步骤3），根据所述偏置磁感应强度生成两个电磁铁的偏置电流；
步骤4），根据被悬浮对象的偏移距离，分别生成两个电磁铁的目标磁感应强度，其中，一个电磁铁的目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度，另一个电磁铁的目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度，两个电磁铁的目标磁感应强度均小于最大磁感应强度；
步骤5），根据两个电磁铁的目标磁感应强度生成对应于两个电磁铁的第一控制电流、第二控制电流，其中，所述第一控制电流对应于目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度的电磁铁，所述第二控制电流对应于目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度的电磁铁；
步骤6），以偏置电流与第一控制电流之和对目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度的电磁铁进行激磁，以偏置电流与第二控制电流之差对目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度的电磁铁进行激磁。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
与常规的磁悬浮轴承的结构参数设计方法和差动控制方法相比，在任意一个自由度上，两个电磁铁静态工作点的位置大幅度提高，而磁悬浮轴承的承载力与磁感应强度的平方成正比，因此，磁悬浮轴承的比承载力大幅度增加。
附图说明
图1是35WW300型硅钢片交流磁化曲线；
图2是磁悬浮轴承的常规差动控制方法；
图3是本发明控制方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的控制方法做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
根据一般电机学的描述，在图1的电磁铁硅钢片交流磁化曲线上，A点被称为跗点，B点被称为膝点，A点以下被称为起始段，AB段被称为线性段，B点以上被称为欠饱和段。
磁悬浮轴承的常规结构参数设计方法是，在任意一个自由度上，以被悬浮对象（转子）为中心，相对布置两个电磁铁，其静态工作点设置在该线性段的中点，即偏置磁感应强度设计值为0.6T，最大磁感应强度设计值为1.2T。
如图2所示，磁悬浮轴承的常规差动控制方法是，首先根据所述偏置磁感应强度生成偏置电流I0；然后根据被悬浮对象（转子）的偏移距离，生成控制电流ic；接着，一个电磁铁以偏置电流I0与控制电流ic之和激磁，另一个电磁铁以偏置电流I0与控制电流ic之差激磁，当转子在任意一个自由度的平衡位置附近往复移动时，这两个电磁铁始终工作在电磁铁硅钢片交流磁化曲线的线性段，被悬浮对象（转子）同时受到方向相反的差动电磁铁的吸力作用，其合力迫使被悬浮对象（转子）回到设定位置。
采用常规结构参数设计方法和常规差动控制方法的原因有如下三点：
第一，当工作点进入膝点（B点）以上，电磁铁的磁滞和涡流损耗增加。
第二，线性段斜率大，电流刚度系数较大，有利于提高系统的动态性能，同时，对功率放大器的要求较低（控制电流小）。
第三，只利用线性段作为工作段，可降低非线性因素对系统动态性能的影响，并可通过一般的线性控制算法获得很好的控制效果。
然而如图1所示，在磁感应强度（曲线的纵坐标）1.2~2.0T之间，曲线接近于直线，虽然其斜率较线性段小，但依然呈线性变化，并未真正进入饱和段，应该被称为欠饱和段。如果不利用欠饱和段，则硅钢片的性能不能得到充分发挥。当然在欠饱和段工作时，电磁铁的磁滞和涡流损耗较大，但这可以通过加强冷却措施予以解决。另外，在欠饱和段工作时，可通过先进控制算法提高系统动态性能。
因此，本发明提出的磁悬浮轴承的结构参数设计方法是，在任意一个自由度上，以被悬浮对象（转子）为中心，相对布置两个电磁铁，其静态工作点设置在硅钢片交流磁化曲线的膝点附近，并将硅钢片交流磁化曲线上预先设定的C点处对应的磁感应强度设置为两个电磁铁的最大磁感应强度，预先设定的C点处对应的磁感应强度应大于偏置磁感应强度；以图1进行举例，两个电磁铁的偏置磁感应强度设计值为1.2T，两个电磁铁的最大磁感应强度设计值为2.0T。
当电磁铁工作在硅钢片交流磁化曲线的线性段时，磁场强度的变动范围较小，电流刚度系数较大，而当电磁铁工作在硅钢片交流磁化曲线的欠饱和段时，磁场强度的变动范围较大，电流刚度系数较小。
如图3所示，本发明提出的磁悬浮轴承的非对称差动控制方法是，首先，根据偏置磁感应强度生成两个电磁铁的偏置电流I0；然后，根据被悬浮对象的偏移距离，分别生成两个电磁铁的目标磁感应强度，其中，一个电磁铁的目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度，另一个电磁铁的目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度，两个电磁铁的目标磁感应强度均小于最大磁感应强度；接着，根据两个电磁铁的目标磁感应强度生成对应于两个电磁铁的第一控制电流ic1、第二控制电流ic2，其中，第一控制电流ic1对应于目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度的电磁铁，第二控制电流ic2对应于目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度的电磁铁；最后，以偏置电流I0与第一控制电流ic1之和对目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度的电磁铁进行激磁，以偏置电流I0与第二控制电流ic2之差对目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度的电磁铁进行激磁。此时，当转子在任意一个自由度的平衡位置附近往复移动时，这两个电磁铁分别轮流工作在硅钢片交流磁化曲线的线性段和欠饱和段，被悬浮对象（转子）同时受到方向相反的差动电磁铁的吸力作用，其合力迫使被悬浮对象（转子）回到设定位置。
本发明中，由于电磁铁静态工作点的位置大幅度提高，而磁悬浮轴承的承载力与磁感应强度的平方成正比，因此，磁悬浮轴承的比承载力大幅度增加。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种磁悬浮轴承的控制方法，所述磁悬浮轴承在其各个自由度上均包含以被悬浮对象为中心相对布置的两个电磁铁，对于任意一个自由度，所述控制方法包含以下步骤：
步骤1），获得两个电磁铁的硅钢片交流磁化曲线，所述硅钢片交流磁化曲线的横坐标为磁场强度，纵坐标为磁感应强度；
其特征在于：
步骤2），将所述硅钢片交流磁化曲线的膝点处对应的磁感应强度设置为两个电磁铁的偏置磁感应强度，并将所述硅钢片交流磁化曲线上预先设定的C点处对应的磁感应强度设置为两个电磁铁的最大磁感应强度，所述预先设定的C点处对应的磁感应强度大于所述偏置磁感应强度；
步骤3），根据所述偏置磁感应强度生成两个电磁铁的偏置电流；
步骤4），根据被悬浮对象的偏移距离，分别生成两个电磁铁的目标磁感应强度，其中，一个电磁铁的目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度，另一个电磁铁的目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度，两个电磁铁的目标磁感应强度均小于最大磁感应强度；
步骤5），根据两个电磁铁的目标磁感应强度生成对应于两个电磁铁的第一控制电流、第二控制电流，其中，所述第一控制电流对应于目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度的电磁铁，所述第二控制电流对应于目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度的电磁铁；
步骤6），以偏置电流与第一控制电流之和对目标磁感应强度大于膝点处磁感应强度的电磁铁进行激磁，以偏置电流与第二控制电流之差对目标磁感应强度小于膝点处磁感应强度的电磁铁进行激磁。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811305375.3A CN109611451B (zh) | 2018-11-05 | 2018-11-05 | 一种磁悬浮轴承的控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811305375.3A CN109611451B (zh) | 2018-11-05 | 2018-11-05 | 一种磁悬浮轴承的控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109611451A CN109611451A (zh) | 2019-04-12 |
| CN109611451B true CN109611451B (zh) | 2020-03-17 |
Family
ID=66002256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811305375.3A Active CN109611451B (zh) | 2018-11-05 | 2018-11-05 | 一种磁悬浮轴承的控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109611451B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113719540B (zh) * | 2021-08-27 | 2022-12-20 | 中国人民解放军海军工程大学 | 具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04302711A (ja) * | 1991-03-29 | 1992-10-26 | Shimadzu Corp | 磁気軸受装置 |
| WO1995023297A1 (fr) * | 1994-02-28 | 1995-08-31 | Societe De Mecanique Magnetique | Palier magnetique actif a auto-detection de position |
| EP1109305A2 (en) * | 1999-12-13 | 2001-06-20 | Ebara Corporation | Magnetic levitation control apparatus |
| CN101242151A (zh) * | 2007-02-06 | 2008-08-13 | 宝山钢铁股份有限公司 | 悬磁浮磁滞的补偿方法 |
| KR20100055935A (ko) * | 2008-11-18 | 2010-05-27 | (주)케이엠비앤센서 | 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링 |
| CN103851082A (zh) * | 2012-11-29 | 2014-06-11 | 通用电气公司 | 磁性轴承系统及其控制方法 |
| CN106907393A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-06-30 | 常州市翰琪电机有限公司 | 一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法及其装置 |
| CN207487544U (zh) * | 2017-12-07 | 2018-06-12 | 华中科技大学 | 磁悬浮触针位移传感器 |
-
2018
- 2018-11-05 CN CN201811305375.3A patent/CN109611451B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04302711A (ja) * | 1991-03-29 | 1992-10-26 | Shimadzu Corp | 磁気軸受装置 |
| WO1995023297A1 (fr) * | 1994-02-28 | 1995-08-31 | Societe De Mecanique Magnetique | Palier magnetique actif a auto-detection de position |
| EP1109305A2 (en) * | 1999-12-13 | 2001-06-20 | Ebara Corporation | Magnetic levitation control apparatus |
| CN101242151A (zh) * | 2007-02-06 | 2008-08-13 | 宝山钢铁股份有限公司 | 悬磁浮磁滞的补偿方法 |
| KR20100055935A (ko) * | 2008-11-18 | 2010-05-27 | (주)케이엠비앤센서 | 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링 |
| CN103851082A (zh) * | 2012-11-29 | 2014-06-11 | 通用电气公司 | 磁性轴承系统及其控制方法 |
| CN106907393A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-06-30 | 常州市翰琪电机有限公司 | 一种智能化磁悬浮电主轴的控制方法及其装置 |
| CN207487544U (zh) * | 2017-12-07 | 2018-06-12 | 华中科技大学 | 磁悬浮触针位移传感器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 电磁轴承结构参数优化设计;王怀颖;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20021231;30-32 * |
| 磁悬浮电主轴的模糊控制策略研究;赵静等;《机床与液压》;20150930;1-5 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109611451A (zh) | 2019-04-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102072251B (zh) | 磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置及控制方法 | |
| Sahinkaya et al. | Variable bias current in magnetic bearings for energy optimization | |
| US20170023057A1 (en) | Radial permanent magnetic suspension bearing having micro-friction or no friction of pivot point | |
| CN109611451B (zh) | 一种磁悬浮轴承的控制方法 | |
| CN103216528A (zh) | 一种单边混合型轴向磁轴承 | |
| CN104154119A (zh) | 一种永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| CN101832335B (zh) | 永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| CN205371309U (zh) | 一种大承载轴向混合磁轴承 | |
| Lv et al. | Structure design and optimization of thrust magnetic bearing for the high-speed motor | |
| CN113719540A (zh) | 具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置 | |
| CN206036034U (zh) | 一种磁悬浮轴承 | |
| CN204371940U (zh) | 一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承 | |
| CN109764060B (zh) | 一种径向磁悬浮轴承差动控制方法 | |
| Yang et al. | Dynamic characteristics of hybrid foil-magnetic bearings (HFMBs) concerning eccentricity effect | |
| CN104214218A (zh) | 能够平衡磁悬浮轴承中静态载荷的方法及其结构 | |
| Budig | Article to the theory and application of magnetic bearings | |
| CN110030268A (zh) | 一种带有磁悬浮阻尼的静压气体轴承 | |
| CN104533947B (zh) | 一种环状磁极结构以及具有环状磁极结构的轴向磁轴承 | |
| Mystkowski | Energy saving robust control of active magnetic bearings in flywheel | |
| Bu et al. | Inverse system decoupling sliding mode control strategy of BLIM considering current dynamics | |
| CN210565072U (zh) | 一种磁悬浮防自转涡旋压缩机 | |
| CN210661065U (zh) | 一种带有磁悬浮阻尼的静压气体轴承 | |
| CN201934504U (zh) | 永磁偏置轴向径向磁轴承 | |
| Yoo et al. | Comparative study of power minimizing control algorithms for active magnetic bearings | |
| CN105443576A (zh) | 一种大承载轴向混合磁轴承 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210226 Address after: 250200 Taiping Industrial Park, Xiuhui street, Zhangqiu District, Jinan City, Shandong Province Patentee after: SHANDONG HUADONG FAN Co.,Ltd. Address before: No. 29, Qinhuai District, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Patentee before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics |
|
| TR01 | Transfer of patent right |