CN112054626A - 立式转子主动控制过临界试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立式转子主动控制过临界试验装置，包括底座和设置于底座上的中空的保护壳，保护壳内设置有共轴线的上永磁轴承、飞轮转子、径向位移传感器、径向电磁轴承组、下轴承和电机。本发明通过采用主动控制技术，限制立式飞轮转子在过临界时的振动幅值，确保安全、平稳通过临界转速，从而降低对转子失衡量的要求，提高该类技术应用的经济性。本发明整套装置复杂度低、经济性好，径向位移传感器、电磁轴承组对转子结构设计的干预程度低，既能保证转子顺利通过临界转速，又能避免电磁轴承一直处于工作状态而导致的能量浪费，相比无电磁轴承干预情况，可显著降低立式转子过临界振动幅值，从而降低转子制造精度要求。

Description

立式转子主动控制过临界试验装置
技术领域
本发明属于立式高速旋转储能飞轮领域，具体涉及一种立式转子主动控制过临界试验装置。
背景技术
高速旋转机械已被广泛应用于航空、航天、能源等工程领域，其中，储能飞轮是其典型应用之一。储能飞轮通过高速旋转将电能以动能的形式储存起来，以便在需要时通过能量二次转换将动能转化为电能加以利用。储能飞轮的能量存储能力与其轴转动惯量以及转动角速度的平方呈正比，因而通常要求储能飞轮在高转速下工作。
对于转动频率超过飞轮转子自身的一阶弯曲振动频率的转子，在升速过程中需要跨越飞轮转子的一阶弯曲振动频率，对应的转速通常被称为临界转速。由于材料不均匀特性以及加工误差等因素的存在，飞轮转子通常存在一定的失衡量，即转子的质心轴向和形心轴向不重合。这种失衡量将导致飞轮的强迫振动，尤其在跨越一阶弯曲临界转速时，这种振动的幅值急剧增加，在跨越并远离该临界转速时，由于高速旋转机械的自动对中响应，其振动趋向收敛，振幅趋向稳定，在高速转动时转子的运行状态反而比较平稳。
为了保证上述储能飞轮顺利通过临界转速，通常的做法是通过提高加工精度、后期做动平衡等方式对转子失衡量进行控制，将其限制在较低水平。失衡量控制要求越高，则飞轮制造难度越大、制造成本越高。这种情况影响到该类储能飞轮技术应用的经济性。
发明内容
本发明是为了降低现有技术中高速旋转飞轮对于转子制造精度和动平衡技术的苛刻要求而提出的，其目的是提供一种立式转子主动控制过临界试验装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种立式转子主动控制过临界试验装置，包括底座、设置于底座上的中空保护壳，保护壳内设置有共轴线的上永磁轴承、飞轮转子、径向位移传感器、径向电磁轴承组、下轴承和电机，所述上永磁轴承设置在飞轮转子上方；所述径向位移传感器设置于飞轮转子的下圆盘下方；所述径向电磁轴承组设置在径向位移传感器下方，所述下轴承设置在径向电磁轴承组下方。
在上述技术方案中，所述保护壳下部形成固定座，固定座的中间形成阶梯孔；保护壳与底座之间设置橡胶密封圈，且两者之间通过螺栓固定。
在上述技术方案中，所述上永磁轴承包括固定在保护壳内顶面的永磁体和设置在在飞轮转子的转轴上端的导磁圆环。
在上述技术方案中，所述飞轮转子包括转轴，转轴外部自上而下依次套设上圆盘、下圆盘、径向电磁轴承组转子部和下轴承的转动内环。
在上述技术方案中，所述上圆盘和下圆盘顶面均形成环形凹槽。
在上述技术方案中，所述径向位移传感器由x向振动位移传感器和y向振动位移传感器组成，且x向振动位移传感器和y向振动位移传感器均为非接触式传感器。
在上述技术方案中，所述x向振动位移传感器和y向振动位移传感器围绕转轴轴向呈90°分布。
在上述技术方案中，所述径向电磁轴承组包括固定在转轴外表面的圆筒形径向电磁轴承组转子部和固定在保护壳下部的固定座阶梯孔内的径向电磁轴承组定子部；所述径向电磁轴承组定子部为电磁铁，且电磁铁设置至少六组，每组电磁铁均由铁芯和铜漆包线组成，且每组漆包线通过导线连接到控制器；径向电磁轴承组转子部为圆筒形衔铁，衔铁为矽钢片叠层结构。
在上述技术方案中，所述下轴承由内外套设的转动内环和固定外环组成，下轴承的固定外环与固定座的阶梯孔孔壁固定。
在上述技术方案中，所述电机由与转轴连接的转动部和固定在底座上的电机定子组成。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种立式转子主动控制过临界试验装置，通过采用主动控制技术，限制立式飞轮转子在过临界时的振动幅值，确保安全、平稳通过临界转速，从而降低对转子失衡量的要求，提高该类技术应用的经济性。本发明整套装置复杂度低、经济性好，径向位移传感器、电磁轴承组对转子结构设计的干预程度低，既能保证转子顺利通过临界转速，又能避免电磁轴承一直处于工作状态而导致的能量浪费，相比无电磁轴承干预情况，可显著降低立式转子过临界振动幅值，从而降低转子制造精度要求。
附图说明
图1是本发明立式转子主动控制过临界试验装置的结构示意图。
其中：
1 永磁体 2 导磁圆环
3 上圆盘 4 保护壳
5 转轴 6 下圆盘
7 x向振动位移传感器 8 y向振动位移传感器
9 径向电磁轴承组定子部 10 径向电磁轴承组转子部
11 下轴承 12 固定座
13 电机定子 14 底座。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明立式转子主动控制过临界试验装置的技术方案。
如图1所示，一种立式转子主动控制过临界试验装置，包括底座14和设置于底座14上的中空的保护壳4，保护壳4内设置上永磁轴承、飞轮转子、径向位移传感器、径向电磁轴承组、下轴承和电机。
所述保护壳4下部形成固定座12，固定座12的中间形成阶梯孔。
所述上永磁轴承设置在飞轮转子上方；上永磁轴承包括固定在保护壳4内顶面的永磁体1和设置在在飞轮转子的转轴5上端的导磁圆环2；永磁体1和导磁圆环2均为空心圆柱型结构。
所述飞轮转子包括转轴5，转轴5外部自上而下依次套设上圆盘3、下圆盘6、径向电磁轴承组转子部10和下轴承11的转动内环。上圆盘3和下圆盘6顶面均形成环形凹槽，通过向凹槽内加胶的方式进行简单动平衡调节。
所述径向位移传感器设置于下圆盘6下方，且为两组；两组径向位移传感器围绕转轴5轴向呈90°分布。每组径向位移传感器均由x向振动位移传感器7和y向振动位移传感器8组成，且x向振动位移传感器7和y向振动位移传感器8均为非接触式传感器，可采用电涡流位移传感器，两组径向位移传感器均通过信号线与控制器连接。
所述径向电磁轴承组设置在径向位移传感器下方，径向电磁轴承组包括固定在转轴5外表面的圆筒形径向电磁轴承组转子部10和固定在保护壳4下部的固定座12阶梯孔内的径向电磁轴承组定子部9。径向电磁轴承组定子部9为电磁铁，且电磁铁设置至少六组，每组电磁铁均由铁芯和铜漆包线组成，且每组漆包线通过导线连接到控制器。径向电磁轴承组转子部10为圆筒形衔铁，衔铁为矽钢片叠层结构。
所述下轴承11设置在径向电磁轴承组下方，下轴承11由内外套设的转动内环和固定外环组成，下轴承11的固定外环与固定座12的阶梯孔孔壁固定。下轴承11为径向轴承，能提供径向刚度和径向阻尼两种作用。
所述电机由与转轴连接的转动部和固定在底座14上的电机定子13组成。
所述上永磁轴承、飞轮转子、径向电磁轴承组、下轴承和电机的轴线共线。
所述底座14通过地脚螺栓与地基固定，且地脚螺栓的数量不少于四个。
所述保护壳4为下端敞口上端封闭的圆柱型结构，其与底座14之间设置橡胶密封圈，且两者之间通过螺栓固定，螺栓数量不少于四个。
所述固定座12位于下圆盘6下方，径向位移传感器设置于固定座12顶部；转轴5伸入固定座12中间的阶梯孔内。
本发明的设计原理：
为保证飞轮转子高速稳定运行为目标，设计上永磁轴承径向刚度、下轴承径向刚度和下轴承径向阻尼三个参数，根据三个参数选择并设置对应的上永磁轴承和下轴承。在此基础上，在升速过程中，分三个阶段进行控制。以Ω表示临界转速，当转动速度小于（Ω-20%Ω）时，控制径向电磁轴承组处于待机状态，不对飞轮转子施加电磁力；当转动速度位于（Ω-20%Ω）至（Ω+20%Ω）速度区间时，径向电磁轴承组处于工作状态，控制器通过径向位移传感器核算应施加的电磁力相位及大小，对转轴振动幅值进行控制；当转速度高于（Ω+20%Ω）时，径向电磁轴承组处于断电状态，不再对系统进行干预。
本发明的工作过程：
（Ⅰ）试验装置的设计与装配
（ⅰ）根据飞轮转子具体结构和最高工作转速，以最高工作转速下稳定运行为目标，采用转子动力学分析方法匹配计算得到上永磁轴承径向刚度、下轴承径向刚度、下轴承径向阻尼三个参数；
（ⅱ）根据飞轮转子具体结构、上永磁轴承径向刚度、下轴承径向刚度、下轴承径向阻尼，采用转子动力学分析方法计算得到转子一阶弯曲临界转速Ω；
（ⅲ）根据上永磁轴承径向刚度、下轴承径向刚度、下轴承径向阻尼三个参数的计算结果，选择符合参数要求的上永磁轴承和下轴承；
（ⅳ）按照附图1给出的结构形式，将试验装置组装完成；
（Ⅱ）试验装置的控制运行
（ⅰ）启动两组径向位移传感器，并控制径向电磁轴承组处于待机状态；
（ⅱ）启动电机，此时飞轮转子的转速开始持续增加；
（ⅲ）当飞轮转子的转速增加至位于（Ω-20%Ω）至（Ω+20%Ω）速度区间时，径向电磁轴承组处于工作状态，控制器通过径向位移传感器核算应施加的电磁力相位及大小，对转轴振动幅值进行控制；当飞轮转子的转速度高于（Ω+20%Ω）时，径向电磁轴承组处于断电状态，不再对系统进行干预；
（ⅳ）飞轮转子持续升速至最高工作转速并维持稳定运行。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：包括底座（14）、设置于底座（14）上的中空保护壳（4），保护壳（4）内设置有共轴线的上永磁轴承、飞轮转子、径向位移传感器、径向电磁轴承组、下轴承和电机，所述上永磁轴承设置在飞轮转子上方；所述径向位移传感器设置于飞轮转子的下圆盘（6）下方；所述径向电磁轴承组设置在径向位移传感器下方，所述下轴承（11）设置在径向电磁轴承组下方。
2.根据权利要求1所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述保护壳（4）下部形成固定座（12），固定座（12）的中间形成阶梯孔；保护壳（4）与底座（14）之间设置橡胶密封圈，且两者之间通过螺栓固定。
3.根据权利要求1所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述上永磁轴承包括固定在保护壳（4）内顶面的永磁体（1）和设置在在飞轮转子的转轴（5）上端的导磁圆环（2）。
4.根据权利要求1所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述飞轮转子包括转轴（5），转轴（5）外部自上而下依次套设上圆盘（3）、下圆盘（6）、径向电磁轴承组转子部（10）和下轴承（11）的转动内环。
5.根据权利要求4所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述上圆盘（3）和下圆盘（6）顶面均形成环形凹槽。
6.根据权利要求1所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述径向位移传感器由x向振动位移传感器（7）和y向振动位移传感器（8）组成，且x向振动位移传感器（7）和y向振动位移传感器（8）均为非接触式传感器。
7.根据权利要求6所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述x向振动位移传感器（7）和y向振动位移传感器（8）围绕转轴（5）轴向呈90°分布。
8.根据权利要求1所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述径向电磁轴承组包括固定在转轴（5）外表面的圆筒形径向电磁轴承组转子部（10）和固定在保护壳（4）下部的固定座（12）阶梯孔内的径向电磁轴承组定子部（9）；所述径向电磁轴承组定子部（9）为电磁铁，且电磁铁设置至少六组，每组电磁铁均由铁芯和铜漆包线组成，且每组漆包线通过导线连接到控制器；径向电磁轴承组转子部（10）为圆筒形衔铁，衔铁为矽钢片叠层结构。
9.根据权利要求1所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述下轴承（11）由内外套设的转动内环和固定外环组成，下轴承（11）的固定外环与固定座（12）的阶梯孔孔壁固定。
10.根据权利要求1所述的立式转子主动控制过临界试验装置，其特征在于：所述电机由与转轴连接的转动部和固定在底座（14）上的电机定子（13）组成。
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