CN109764060B - 一种径向磁悬浮轴承差动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径向磁悬浮轴承差动控制方法，径向磁悬浮轴承定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，且定子和转子之间设有两个相互垂直的位移传感器，n为大于等于2的整数；首先根据两个位移传感器计算出转子轴心相对定子内孔中心的位置；接着以定子内孔中心为坐标原点、转子轴心与坐标原点的连线作为y轴建立平面坐标系，4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极；然后根据偏置磁感应强度生成偏置电流I0，根据转子轴心和坐标原点的距离生成控制电流ic；最后根据I0和ic对A和B两组磁极激磁。本发明使得径向磁悬浮轴承的全部4n个磁极均始终参与差动控制，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，尤其涉及一种径向磁悬浮轴承差动控制方法。
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，包括机械本体、传感器、数字控制器、功率放大器等环节。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、系统的成本和动态性能下降。
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，提供一种径向磁悬浮轴承差动控制方法，提高其比承载力，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：
一种径向磁悬浮轴承差动控制方法，所述径向磁悬浮轴承定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，且定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器，n为大于等于2的整数；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量；
所述径向磁悬浮轴承差动控制方法包含以下步骤：
步骤1），根据第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量，集合转子的直径，计算出转子轴心相对定子内孔中心的位置；
步骤2），以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子轴心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子轴心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子轴心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极，其中A组磁极靠近y轴正方向，B组磁极远离y轴正方向；
步骤3），根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I0，根据转子轴心和坐标原点的距离生成控制电流ic；
步骤4），控制远离y轴正方向的B组磁极以I0+ic激磁、靠近y轴正方向的A组磁极以I0-ic激磁，使得转子轴心在y方向差动电磁力的作用下回到坐标原点。
作为本发明一种径向磁悬浮轴承差动控制方法进一步的优化方案，n=2。
作为本发明一种径向磁悬浮轴承差动控制方法进一步的优化方案，所述第一位移传感器、第二位移传感器采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种。
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：
与常规的径向磁悬浮轴承差动控制方法相比，在任意时刻，径向磁悬浮轴承的全部4n个磁极均始终参与差动控制，各磁极的控制电流均相同，并且该控制电流是针对转子轴心与坐标原点间的直线距离生成的，能够产生较大的差动电磁力，因此，径向磁悬浮轴承的比承载力大幅度增加。
附图说明
图1是第一时刻径向磁悬浮轴承和转子相对位置示意图；
图2是第二时刻径向磁悬浮轴承和转子相对位置示意图；
图3是第一时刻采用常规的径向磁悬浮轴承差动控制方法时的磁极位置示意图；
图4是第二时刻采用常规的径向磁悬浮轴承差动控制方法时的磁极位置示意图；
图5是第一时刻采用本发明的径向磁悬浮轴承差动控制方法时的磁极位置示意图；
图6是第二时刻采用本发明的径向磁悬浮轴承差动控制方法时的磁极位置示意图。
图中，1-第一位移传感器，2-第二位移传感器。
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。
常规的径向磁悬浮轴承差动控制方法可描述为，径向磁悬浮轴承包含4n个磁极，不论转子轴心位于径向磁悬浮轴承内孔的哪个位置，以径向磁悬浮轴承的内孔中心为坐标原点，在平行于径向磁悬浮轴承端面的平面内建立固定平面坐标系，通常定义水平方向为x轴，垂直方向为y轴，向右为x轴正方向，向上为y轴正方向；以每个磁极的对称中心线与x轴的夹角的绝对值作为依据，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被等分为磁极数相等四个区：XA、XB、YA、YB，其中，XA、XB相对布置且磁极数相等，组成X区磁极；YA、YB相对布置且磁极数相等，组成Y区磁极；X区中磁极的对称中心线与x轴的夹角的绝对值小于Y区中磁极的对称中心线与x轴的夹角的绝对值。令XA组磁极靠近x轴正方向，XB组磁极远离x轴正方向，YA组磁极靠近y轴正方向，YB组磁极远离y轴正方向，当n分别为2、3、4或5时，每组磁极的磁极数分别为2、3、4或5。当转子轴心在x和y方向均发生偏移时，电控系统根据偏置磁感应强度设计值生成偏置电流I0，根据转子轴心在x和y方向偏离坐标轴的距离分别生成控制电流icx和icy；在x方向远离转子轴心的XA或XB组磁极以（I0+icx）激磁，在x方向靠近转子轴心的XB或XA组磁极以（I0-icx）激磁，在y方向远离转子轴心的YA或YB组磁极以（I0+icy）激磁，在y方向靠近转子轴心的YB或YA组磁极以（I0-icy）激磁；转子在x和y方向分别同时受到两组磁极的吸力作用，即受到x和y方向差动电磁力的共同作用，迫使转子轴心回到坐标原点；当转子轴心只在x或y方向发生偏移时，则只有对应的X或Y区磁极的两组磁极产生差动电磁力，而对应的Y或X区磁极的两组磁极不产生差动电磁力。
对于常规的径向磁悬浮轴承差动控制方法，由于X和Y两区磁极分别独立控制转子轴心在x和y方向的位置，全部磁极未被充分利用，因此，径向磁悬浮轴承的比承载力较低。
本发明公开了一种径向磁悬浮轴承差动控制方法，所述径向磁悬浮轴承定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，且定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器，n为大于等于2的整数，通常n的设计值为2、3、4或5；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量；第一位移传感器、第二位移传感器可以采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种；
所述径向磁悬浮轴承差动控制方法包含以下步骤：
步骤1），根据第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量，集合转子的直径，计算出转子轴心相对定子内孔中心的位置；
步骤2），以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子轴心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子轴心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子轴心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极，其中A组磁极靠近y轴正方向，B组磁极远离y轴正方向；
步骤3），根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I0，根据转子轴心和坐标原点的距离生成控制电流ic；
步骤4），控制远离y轴正方向的B组磁极以I0+ic激磁、靠近y轴正方向的A组磁极以I0-ic激磁，使得转子轴心在y方向差动电磁力的作用下回到坐标原点。
需要说明的是，采用常规的径向磁悬浮轴承差动控制方法时，只有转子轴心在x和y方向均发生偏移，径向磁悬浮轴承的全部4n个磁极才参与差动控制，并且X和Y两区磁极的控制电流不相同。但采用本发明的径向磁悬浮轴承差动控制方法时，径向磁悬浮轴承的全部4n个磁极均始终参与差动控制，各磁极的控制电流均相同，并且是针对转子轴心与坐标原点间的直线距离生成的，能够产生较大的差动电磁力，因此，径向磁悬浮轴承的比承载力大幅度增加。
下面通过举例，进一步说明两种径向磁悬浮轴承差动控制方法的区别。
举例：径向磁悬浮轴承包含8个磁极，每个磁极上均安置有线圈，以径向磁悬浮轴承的内孔中心为基准，假设在第一时刻，转子轴心位于该基准的正上方，并且与该基准有一定距离，如图1所示；假设在第二时刻，转子轴心位于该基准的左上方，并且转子轴心与该基准的连线与垂直方向夹角a为40度，并且与坐标原点有一定距离，如图2所示。
对于上述例子，各磁极名称定义如下：当采用常规的径向磁悬浮轴承差动控制方法时，XA1、XA2为X区磁极的A组磁极，XB1、XB2为X区磁极的B组磁极，YA1、YA2为Y区磁极的A组磁极，YB1、YB2为Y区磁极的B组磁极；当采用本发明的径向磁悬浮轴承差动控制方法时，A1、A2、A3、A4为A组磁极，B1、B2、B3、B4为B组磁极。
对于上述例子，当采用常规的径向磁悬浮轴承差动控制方法时，以径向磁悬浮轴承的内孔中心为坐标原点，在平行于径向磁悬浮轴承端面的平面内建立固定平面坐标系，在第一时刻，各磁极的位置如图3所示；在第二时刻，各磁极的位置如图4所示。当采用本发明的径向磁悬浮轴承差动控制方法时，以径向磁悬浮轴承的内孔中心为坐标原点，在平行于径向磁悬浮轴承端面的平面内建立非固定平面坐标系，在第一时刻，各磁极的位置如图5所示；在第二时刻，各磁极的位置如图6所示。
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 (3)
1.一种径向磁悬浮轴承差动控制方法，所述径向磁悬浮轴承定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，且定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器，n为大于等于2的整数；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量；
其特征在于，所述径向磁悬浮轴承差动控制方法包含以下步骤：
步骤1），根据第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量，集合转子的直径，计算出转子中心相对定子内孔中心的位置；
步骤2），以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子中心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子中心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子中心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极，其中A组磁极靠近y轴正方向，B组磁极远离y轴正方向；
步骤3），根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I0，根据转子中心和坐标原点的距离生成控制电流ic；
步骤4），控制远离y轴正方向的B组磁极以I0+ic激磁、靠近y轴正方向的A组磁极以I0-ic激磁，使得转子中心在y方向差动电磁力的作用下回到坐标原点。
2.根据权利要求1所述的径向磁悬浮轴承差动控制方法，其特征在于，n=2。
3.根据权利要求1所述的径向磁悬浮轴承差动控制方法，其特征在于，所述第一位移传感器、第二位移传感器采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种。
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