CN111628607B - 一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统及控制方法，所述系统结构包括三块电磁轴承、位置传感器、三块轴瓦和压力传感器；所述三块电磁轴承沿轴周向均匀分布且相差120度，每个所述电磁轴承均配有位置传感器，所述三块轴瓦沿轴周向均匀分布且相差120度，所述轴瓦与电磁轴承交错分布，每块轴瓦外侧中心配置有压力传感器；所述轴瓦与转子保持有一定的气隙，所述电磁轴承与转子保持有一定的气隙。本发明所述电磁轴承系统及控制方法既可以实现径向机械支撑，使得转子不会偏移过大，又可以同时获取转子偏移带来的径向负荷力和偏移位置，从控制的角度提升响应速度。

Description

一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统及控制方法
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，特别是涉及一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统及控制方法。
背景技术
一般来讲，软磁材料具有磁饱和特性，饱和程度有限，与机械轴承相比，刚度低。通常，对磁轴承系统的优化包括结构和控制两方面。结构方面的优化思路集中于采取多自由度轴承，由最初的单轴向与双径向轴承组合，改进为轴-径向与径向组合或双轴-径向组合。考虑到集成化多自由度组合的系统不可控耦合程度高，加深了控制难度，且维修困难，因此应用不多。在控制层面，普遍采用转子位置偏移信号反馈的闭环回路方式，从而控制绕组电流，转子一旦遭受过大干扰突变，容易触碰到径向极限位置。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统及控制方法。本发明所述电磁轴承系统及控制方法既可以实现径向机械支撑，使得转子不会偏移过大，又可以同时获取转子偏移带来的径向负荷力和偏移位置，从控制的角度提升响应速度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统，所述系统结构包括三块电磁轴承、位置传感器、三块轴瓦和压力传感器；所述三块电磁轴承沿轴周向均匀分布且相差120度，每个所述电磁轴承均配有位置传感器，所述三块轴瓦沿轴周向均匀分布且相差120度，所述轴瓦与电磁轴承交错分布，每块轴瓦外侧中心配置有压力传感器；所述轴瓦与转子保持有一定的气隙，所述电磁轴承与转子保持有一定的气隙。
进一步地，所述轴瓦和电磁轴承均呈弧形，所述轴瓦弧度为π/3，每块所述电磁轴承弧度为π/3；所述轴瓦与电磁轴承间隙配合。
进一步地，所述轴瓦与轴之间气隙为0.5mm～1mm，所述电磁轴承与轴之间气隙为1mm～3mm；所述轴瓦与转子的气隙小于所述电磁轴承与转子的气隙。
进一步地，所述压力传感器位于圆弧轴瓦外端面中心处，三个所述压力传感器周向均匀分布，能够准确感知因转子偏移压紧轴瓦产生的径向负荷力。
进一步地，所述位置传感器内嵌于所述电磁轴承内部几何中心处。
本发明还提出一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统的控制方法，所述电磁轴承在承受外部冲击导致转子发生偏移时，转子会触碰任意两轴瓦，处于两轴瓦间的磁极降低电磁力，另外两个磁极增加电磁力，合力控制转子回平衡位置；所述控制方法具体为：
一个磁极产生的电磁力表示为：
Figure BDA0002468407060000021
式中S——为磁极面积；
μ0——为真空磁导率；
δ——气隙长度；
N——是线圈匝数；
I——为是偏置电流；
当转子受干扰偏移，外径碰触与所述电磁轴承相邻的两块轴瓦，所述压力传感器检测到的信号分别为F1与F2，将力F1与F2合成两块轴瓦间电磁轴承中心方向力F，控制回路中通过检测转子位置偏移信号，将所述位置偏移信号做闭环处理，得到电磁轴承绕组电流的控制信号，在系统控制回路中，为应对瞬态干扰，将合成力F换算为电流补偿在电流内环，当瞬态干扰发生瞬间，系统能够忽略位移检测与位移控制闭环阶段快速反应；当轴瓦不受力时，信号消失。
本发明的有益效果为：
本发明选择周向分块式轴瓦与电磁轴承混合结构，系统径向结构紧凑，因整体由分块式结构合并而成，方便拆卸和维护。轴瓦对转子偏移有一定的限位作用，同时保护转子和电磁轴承，且能够测量负荷突变产生的径向力，获取的径向力可作为控制回路的前馈补偿，在转子发生偏移时系统响应更快。此外，电磁轴承提供电磁力抵消轴瓦所承受的径向负荷，降低轴瓦与轴之间的机械损耗起到节能的效果，提高轴瓦使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统结构图；
图2为本发明中合成力示意图；
图3为本发明控制框图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
结合图1，本发明提出一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统，所述系统结构包括三块电磁轴承、位置传感器、三块轴瓦和压力传感器；所述三块电磁轴承沿轴周向均匀分布且相差120度，每个所述电磁轴承均配有位置传感器，所述三块轴瓦沿轴周向均匀分布且相差120度，所述轴瓦与电磁轴承交错分布，每块轴瓦外侧中心配置有压力传感器；所述轴瓦与转子保持有一定的气隙，所述电磁轴承与转子保持有一定的气隙。
所述轴瓦和电磁轴承均呈弧形，所述轴瓦弧度为π/3，每块所述电磁轴承弧度为π/3；所述轴瓦与电磁轴承间隙配合。
所述轴瓦与轴之间气隙为0.5mm～1mm，所述电磁轴承与轴之间气隙为1mm～3mm；所述轴瓦与转子的气隙小于所述电磁轴承与转子的气隙。如此设计，轴瓦能够对轴起到机械支撑限位作用，防止突变负荷导致轴径向偏移过大损害电磁轴承。
所述压力传感器位于圆弧轴瓦外端面中心处，三个所述压力传感器周向均匀分布，能够准确感知因转子偏移压紧轴瓦产生的径向负荷力。
所述位置传感器内嵌于所述电磁轴承内部几何中心处。
结合图2和图3，本发明还提出一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统的控制方法，所述电磁轴承在承受外部冲击导致转子发生偏移时，转子会触碰任意两轴瓦，处于两轴瓦间的磁极降低电磁力，另外两个磁极增加电磁力，合力控制转子回平衡位置；所述控制方法具体为：
一个磁极产生的电磁力表示为：
Figure BDA0002468407060000031
式中S——为磁极面积；
μ0——为真空磁导率；
δ——气隙长度；
N——是线圈匝数；
I——为是偏置电流；
当转子受干扰偏移，外径碰触与所述电磁轴承相邻的两块轴瓦，所述压力传感器检测到的信号分别为F1与F2，将力F1与F2合成两块轴瓦间电磁轴承中心方向力F，控制回路中通过检测转子位置偏移信号，将所述位置偏移信号做闭环处理，得到电磁轴承绕组电流的控制信号，在系统控制回路中，为应对瞬态干扰，将合成力F换算为电流补偿在电流内环，当瞬态干扰发生瞬间，系统能够忽略位移检测与位移控制闭环阶段快速反应；当轴瓦不受力时，信号消失。
以上对本发明所提出的一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统及控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统，其特征在于：所述系统结构包括三块电磁轴承、位置传感器、三块轴瓦和压力传感器；所述三块电磁轴承沿轴周向均匀分布且相差120度，每个所述电磁轴承均配有位置传感器，所述三块轴瓦沿轴周向均匀分布且相差120度，所述轴瓦与电磁轴承交错分布，每块轴瓦外侧中心配置有压力传感器；所述轴瓦与转子保持有一定的气隙，所述电磁轴承与转子保持有一定的气隙；
所述压力传感器位于圆弧轴瓦外端面中心处，三个所述压力传感器周向均匀分布，能够准确感知因转子偏移压紧轴瓦产生的径向负荷力；
所述位置传感器内嵌于所述电磁轴承内部几何中心处。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述轴瓦和电磁轴承均呈弧形，所述轴瓦弧度为π/3，每块所述电磁轴承弧度为π/3；所述轴瓦与电磁轴承间隙配合。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述轴瓦与轴之间气隙为0.5mm～1mm，所述电磁轴承与轴之间气隙为1mm～3mm；所述轴瓦与转子的气隙小于所述电磁轴承与转子的气隙。
4.一种如权利要求1所述的周向分块式径向混合支撑电磁轴承系统的控制方法，其特征在于：所述电磁轴承在承受外部冲击导致转子发生偏移时，转子会触碰任意两轴瓦，处于两轴瓦间的磁极降低电磁力，另外两个磁极增加电磁力，合力控制转子回平衡位置；所述控制方法具体为：
一个磁极产生的电磁力表示为：
Figure FDA0003040134500000011
式中S——为磁极面积；
μ0——为真空磁导率；
δ——气隙长度；
N——是线圈匝数；
I——为是偏置电流；
当转子受干扰偏移，外径碰触与所述电磁轴承相邻的两块轴瓦，所述压力传感器检测到的信号分别为F1与F2，将力F1与F2合成两块轴瓦间电磁轴承中心方向力F，控制回路中通过检测转子位置偏移信号，将所述位置偏移信号做闭环处理，得到电磁轴承绕组电流的控制信号，在系统控制回路中，为应对瞬态干扰，将合成力F换算为电流补偿在电流内环，当瞬态干扰发生瞬间，系统能够忽略位移检测与位移控制闭环阶段快速反应；当轴瓦不受力时，信号消失。
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