CN110925307B - 一种适用于磁悬浮轴承-转子系统的辅助轴承系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于磁悬浮轴承‑转子系统的辅助轴承系统，所述系统包括滚动轴承(2)、用于支撑滚动轴承的弹性支撑件(8)、磁性液体形成的可控油膜(7)、励磁线圈(5)、用非导磁材料制作并固定线圈的线圈架(6)、弹性密封(3)及控制装置(11)；所述滚动轴承(2)安装在弹性支撑件(8)上，轴承内圈直接承受转子坠落的冲击，并在转子坠落后支撑转子旋转。本发明提供的辅助轴承系统采用弹性支撑件支撑辅助轴承，弹性支撑件的刚度可以根据不同转子系统重量、转速等特性进行预先选定，从而在转子坠落或碰撞辅助轴承后，提供最优支撑刚度。

Description

一种适用于磁悬浮轴承-转子系统的辅助轴承系统
技术领域
本发明属于机械设计及自动控制技术领域，具体涉及一种适用于磁悬浮轴承的转子系统的辅助轴承系统。
背景技术
磁悬浮轴承因其无摩擦、无需润滑、转子转速高、可对转子行为进行主动控制等优点，近年来逐渐应用于工业、航空航天等领域。由于电磁吸力的不稳定性及相对滚动、滑动轴承等较弱的承载能力，在采用磁悬浮轴承的转子系统中均配备有辅助轴承(或备用轴承，Backup bearing)，以防在磁悬浮轴承过载或失效时，转子坠落后损坏磁悬浮轴承本体甚至整个转子系统。
在现今的磁悬浮轴承应用系统中，辅助轴承一般采用滚动轴承，以利用其体积小、结构简单、可靠性高等优点。设计加工时，转子轴颈与辅助轴承内圈的间隙小于磁悬浮轴承中磁极表面和转子表面间隙(气隙)，使得在磁轴承运转失效或转子振动过大时，转子碰撞或坠落在辅助轴承上，既避免了转子坠落损坏造价昂贵的磁悬浮轴承，也能使转子坠落后在辅助轴承上运行一段时间，为转子系统减速停机争取时间，不至于完全破坏整个转子系统。在实际使用中，辅助轴承往往直接安装在转子系统基座或机壳上。一方面转子高速旋转坠落后将对辅助轴承产生极大冲击载荷，另一方面辅助轴承自身阻尼极小，使得转子坠落冲击几乎全部由转子自身和基座吸收，这将对转子和辅助轴承内圈接触表面以及整个转子系统造成破坏，若转子高速重载工况下运行，其坠落后果将更加严重。
此外，在现今应用中，大量转子工作转速在其临界转速之上。磁悬浮轴承失效后，转子坠落在辅助轴承上将逐渐减速停机，期间要减速通过临界转速；转子坠落后和辅助轴承内圈不断碰撞，有极大概率会激发转子的反向涡动共振；再加之转子与轴承内圈是间隙配合，这几个因素共同作用下，转子的振动与碰撞将更加剧烈。
发明内容
发明目的：为了解决上述问题，提供一种适用于磁悬浮轴承-转子系统的辅助轴承系统，当转子跌落、碰撞辅助轴承后，或以辅助轴承支撑运转时，能够通过自动调节辅助轴承外阻尼，吸收一定的跌落、碰撞冲击载荷以及转子上不平衡力及过临界转速能带来的振动，从而实现保护转子系统及磁悬浮轴承的目的。
技术方案
本发明提供一种适用于磁悬浮轴承-转子系统的辅助轴承系统，所述系统包括滚动轴承(2)、用于支撑滚动轴承的弹性支撑件(8)、磁性液体形成的可控油膜(7)、励磁线圈(5)、用非导磁材料制作并固定线圈的线圈架(6)、弹性密封(3)及控制装置(11)；
所述滚动轴承(2)安装在弹性支撑件(8)上，轴承内圈直接承受转子坠落的冲击，并在转子坠落后支撑转子旋转；
励磁线圈(5)绕制在线圈架(6)上，且线圈架(6)与弹性支撑件(8)的间隙中充满磁性液体形成的可控油膜(7)，油膜两端由弹性密封(3)密封防止泄露。
优选的，所述构成可控油膜(7)的磁性液体的粘度特性可以被励磁线圈(5)产生的磁场改变。
优选的，所述控制装置(11)采集来自磁悬浮轴承系统所有线圈(9)的励磁电流信号，以及来自磁悬浮轴承系统位移传感器(10)的转子位移信号，经控制算法判断后，向励磁线圈(5)提供励磁电流，产生磁场，进而改变可控油膜(7)特性。
优选的，所述控制装置(11)包括采集卡、控制器及放大器，所述采集卡用于采集磁悬浮轴承线圈电流及位移传感器信号；
所述控制器根据采集的信号计算输出控制信号；
所述放大器将处理器输出的控制电流放大以驱动励磁线圈(5)。
有益效果
1.本发明提供的辅助轴承系统采用弹性支撑件支撑辅助轴承，弹性支撑件的刚度可以根据不同转子系统重量、转速等特性进行预先选定，从而在转子坠落或碰撞辅助轴承后，提供最优支撑刚度。
2.本发明提供的辅助轴承系统在弹性支撑件外有液体油膜，当转子坠落或碰撞辅助轴承导致弹性支撑件变形后，不论是否施加外部磁场，磁性液体油膜都有阻尼特性，具有消减冲击及振动的功能，避免转子在辅助轴承上长时间跳动，对转子系统造成更多冲击。进一步地，通过对磁场的控制，可以主动调节油膜特性，改变其阻尼效应，以应对以不同转速和载荷下转子坠落或碰撞产生的冲击，以达到消减冲击载荷的最优效果。
3.本发明通过利用磁悬浮轴承系统中的线圈电流信号和位移传感器信号，判断磁悬浮轴承是否过载和失效，并通过位移传感器采集的位移信号换算到速度信号，根据不同的速度对励磁线圈施加不同强度的磁场，从而在磁流变液油膜中获得不同大小的阻尼，实现油膜阻尼的主动控制。
附图说明
图1本发明提供的辅助轴承系统的结构示意图
图2本发明提供的辅助轴承系统的控制系统示意图
其中：1：转子；2：滚动轴承；3：弹性密封；4：转子系统基座；5：励磁线圈；6：线圈架；7：可控油膜；8：弹性支撑件；9：所有线圈；10：位移传感器；11：控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步解释
如图1所示，为本发明提供的辅助轴承系统的结构示意图，该系统包括滚动轴承(2)、用于支撑滚动轴承的弹性支撑件(8)、磁性液体形成的可控油膜(7)、励磁线圈(5)、用非导磁材料制作并固定线圈的线圈架(6)、弹性密封(3)及控制装置(11)；滚动轴承(2)安装在弹性支撑件(8)上，轴承内圈直接承受转子坠落的冲击，并在转子坠落后支撑转子旋转；励磁线圈(5)绕制在线圈架(6)上，且线圈架(6)与弹性支撑件(8)的间隙中充满磁性液体形成的可控油膜(7)，油膜两端由弹性密封(3)密封防止泄露。构成可控油膜(7)的磁性液体的粘度特性可以被励磁线圈(5)产生的磁场改变。控制装置(11)采集来自磁悬浮轴承系统所有线圈(9)的励磁电流信号，以及来自磁悬浮轴承系统位移传感器(10)的转子位移信号，经控制算法判断后，向励磁线圈(5)提供励磁电流，产生磁场，进而改变可控油膜(7)特性。所述控制装置(11)包括采集卡、控制器及放大器，所述采集卡用于采集磁悬浮轴承线圈电流及位移传感器信号；
所述控制器根据采集的信号计算输出控制信号；所述放大器将处理器输出的控制电流放大以驱动励磁线圈(5)。弹性迷瞪(3)由螺钉分别固连在线圈架和弹性支撑件上，既实现了对磁性液体的密封，也允许弹性支撑件和线圈架之间小幅度的相对运动。此运动将对可控油膜形成挤压作用，使得可控油膜以挤压油膜的方式工作。为了能使磁场到达可控油膜，线圈架采用不导磁金属材料。
本发明正常运行时，需要从磁悬浮轴承控制系统中另接出导线获取磁悬浮轴承线圈的电流信号和位移传感器信号。在磁悬浮轴承正常工作时，转子振幅较小，由于滚动轴承内圈与转子之间有间隙，此时转子不会碰撞到滚动轴承，本发明所提供的系统不工作。
如图2所示，为本发明的控制系统图。一旦监测到磁悬浮轴承所有线圈(9)电流均小于某阈值，即
Figure BDA0002304970200000051
其中i＝1,...,N，N为磁悬浮轴承线圈数，IT为给定的电流强度阈值，则判定磁轴承系统失效，控制系统根据位移传感器信号计算出转子速度信号，再根据控制算法向励磁线圈(5)发出励磁电流，产生一定强度的磁场，改变可控油膜的阻尼特性，准备吸收来自转子坠落产生的冲击；
一旦监测到位移传感器(10)传来的转子位移信号大于某阈值，即d>dT，dT为给定的位移阈值，则判定转子振动过大，会撞击滚动轴承，控制系统根据位移传感器信号计算出转子速度信号，再根据控制算法向励磁线圈(5)发出励磁电流，产生一定强度的磁场，改变磁流变液性质，准备吸收来自转子碰撞产生的冲击；
一旦控制系统(11)无法监测到磁悬浮轴承所有线圈(9)电流或位移传感器(10)信号，则判定磁轴承系统整体失效，控制系统发出恒定励磁电流，对励磁线圈(5)进行励磁，产生一定强度的磁场，改变磁流变液性质，准备吸收来自转子坠落产生的冲击。
转子(1)与滚动轴承(2)发生碰撞后，由于冲击能量被受磁场激励的磁流变液大量耗散，滚动轴承对转子的反作用力降低，转子跳起的次数降低，从而降低了转子对滚动轴承的冲击次数，保护了转子系统。转子(1)坠落在滚动轴承(2)上运转后，其上不平衡力、减速过临界转速等导致的振动将继续由可控油膜吸收，减小对转子系统基座的冲击。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于磁悬浮轴承-转子系统的辅助轴承系统，其特征在于，所述辅助轴承系统包括滚动轴承(2)、用于支撑滚动轴承的弹性支撑件(8)、磁性液体形成的可控油膜(7)、励磁线圈(5)、用非导磁材料制作并固定线圈的线圈架(6)、弹性密封(3)及控制装置(11)；
所述滚动轴承(2)安装在弹性支撑件(8)上，轴承内圈直接承受转子坠落的冲击，并在转子坠落后支撑转子旋转；
励磁线圈(5)绕制在线圈架(6)上，且线圈架(6)与弹性支撑件(8)的间隙中充满磁性液体形成的可控油膜(7)，油膜两端由弹性密封(3)密封防止泄露；
所述构成可控油膜(7)的磁性液体的粘度特性可以被励磁线圈(5)产生的磁场改变；
所述控制装置(11)采集来自磁悬浮轴承-转子系统所有线圈(9)的励磁电流信号，以及来自磁悬浮轴承系统位移传感器(10)的转子位移信号，经控制算法判断后，向励磁线圈(5)提供励磁电流，产生磁场，进而改变可控油膜(7)特性。
2.根据权利要求1所述的辅助轴承系统，其特征在于，所述控制装置(11)包括采集卡、控制器及放大器，
所述采集卡用于采集磁悬浮轴承线圈电流及位移传感器信号；
所述控制器根据采集的信号计算输出控制信号；
所述放大器将处理器输出的控制电流放大以驱动励磁线圈(5)。
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