CN113124051B - 一种磁悬浮轴承系统及其磁轴承设置方法 - Google Patents

一种磁悬浮轴承系统及其磁轴承设置方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种磁悬浮轴承系统及其磁轴承设置方法，其中，该磁悬浮轴承系统包括：第一磁轴承；第二磁轴承；转子，转子依次贯穿第一磁轴承和第二磁轴承，且与第一磁轴承和第二磁轴承磁悬浮设置；其中，第一磁轴承和第二磁轴承相对于转子的中心点轴向对称；其中，通过设置第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离，使得磁悬浮轴承系统的平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合。通过上述方式，可以使得磁悬浮轴承系统在两种模态下稳定工作，方便对其的控制。

Description

一种磁悬浮轴承系统及其磁轴承设置方法
技术领域
本申请涉及磁悬浮轴承技术领域，特别是涉及一种磁悬浮轴承系统及其磁轴承设置方法。
背景技术
磁悬浮轴承(Magnetic Bearing)是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。
由于磁悬浮轴承系统始终存在平动/转动两种模态运动，如果轴承电感过大或者系统存在未知的高频噪声，将导致相频特性的-180以上的频带区间过窄。若磁悬浮轴承构型设计不合理，导致两种模态的截止频率点或者高频幅频特性曲线相差甚远，则可能导致一个模态稳定另一个不稳定。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供了一种磁悬浮轴承系统及其磁轴承设置方法，可以使得磁悬浮轴承系统在两种模态下稳定工作，方便对其的控制。
本申请采用的一个技术方案是：提供一种磁悬浮轴承系统，该磁悬浮轴承系统包括：第一磁轴承；第二磁轴承；转子，转子依次贯穿第一磁轴承和第二磁轴承，且与第一磁轴承和第二磁轴承磁悬浮设置；其中，第一磁轴承和第二磁轴承相对于转子的中心点轴向对称；其中，通过设置第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离，使得磁悬浮轴承系统的平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合。
其中，磁悬浮轴承系统还包括：第一传感器，对应第一磁轴承设置，用于对转子进行位置检测；第二传感器，对应第二磁轴承设置，用于对转子进行位置检测；其中，第一传感器和第二传感器相对于转子的中心点轴向对称。
其中，第一磁轴承与第二磁轴承沿的轴向距离，由转子的固定参数、第一传感器和第二传感器之间的轴向距离共同确定。
其中，采用以下的公式来确定第一磁轴承与第二磁轴承沿的轴向距离lm：
Figure GDA0002633754990000021
其中，a＝lm-ls，ls为第一传感器和第二传感器之间的轴向距离，J为转子的径向惯量，m为转子的质量。
其中，通过设置第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离，使得磁悬浮轴承系统的平动幅频特性曲线中的截止频率点和转动幅频特性曲线中的截止频率点近似重合。
本申请采用的另一个技术方案是：提供一种磁悬浮轴承系统的磁轴承设置方法，该磁悬浮轴承系统包括第一磁轴承、第二磁轴承和转子，依次贯穿第一磁轴承和第二磁轴承，且第一磁轴承和第二磁轴承相对于转子的中心点轴向对称，该方法包括：获取磁悬浮轴承系统的幅频特性曲线和转动幅频特性曲线；调整第一磁轴承与第二磁轴承的位置，使得平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合；计算此时第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离。
其中，获取磁悬浮轴承系统的幅频特性曲线和转动幅频特性曲线，包括：分别计算磁悬浮轴承系统的平动传递函数和转动传递函数；其中，转动传递函数中至少包括第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离；调整第一磁轴承与第二磁轴承的位置，使得平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合，包括：令平动传递函数的频率特性和转动传递函数的频率特性近似相等，以计算第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离。
其中，分别计算磁悬浮轴承系统的平动传递函数和转动传递函数，包括：采用以下公式计算平动传递函数Gpd：
Figure GDA0002633754990000031
其中，ki为磁轴承的电流刚度系数，kh为磁轴承的位移刚度系数，m为转子的质量，Ks为传感器的增益系数，s为拉普拉斯算子；以及采用以下公式计算转动传递函数Gzd：
Figure GDA0002633754990000032
其中，lm是第一磁轴承与第二磁轴承沿的轴向距离，ls为第一传感器和第二传感器之间的轴向距离，J为转子的径向惯量。
其中，令平动传递函数的频率特性和转动传递函数的频率特性近似相等，以计算第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离，包括：令
Figure GDA0002633754990000033
以计算得到第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离：
Figure GDA0002633754990000034
其中，a＝lm-ls。
其中，调整第一磁轴承与第二磁轴承的位置，使得平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合，包括：调整第一磁轴承与第二磁轴承的位置，使得平动幅频特性曲线中的截止频率点和转动幅频特性曲线中的截止频率点近似重合。
本申请提供的磁悬浮轴承系统包括：第一磁轴承；第二磁轴承；转子，转子依次贯穿第一磁轴承和第二磁轴承，且与第一磁轴承和第二磁轴承磁悬浮设置；其中，第一磁轴承和第二磁轴承相对于转子的中心点轴向对称；其中，通过设置第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离，使得磁悬浮轴承系统的平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合。通过上述方式，采用对磁悬浮系统中的转子和磁轴承的结构进行改进，使得磁悬浮系统在工作时在平动/转动两种模态的幅频特性曲线近似重合，在两种模态切换下都能够稳定工作，由于是在设计之初就对结构进行了改进，在后续使用过程中，无需再对磁悬浮系统的工作进行调整。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请提供的磁悬浮轴承系统一实施例的剖面结构示意图；
图2是本申请提供的磁悬浮轴承系统一实施例的侧面结构示意图；
图3是本申请提供的一具体实施例的幅频特性bode图；
图4是本申请提供的磁悬浮轴承系统的磁轴承设置方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参阅图1，图1是本申请提供的磁悬浮轴承系统一实施例的剖面结构示意图，该磁悬浮轴承系统10包括第一磁轴承11a、第二磁轴承11b和转子12。
其中，转子12依次贯穿第一磁轴承11a和第二磁轴承11b，且与第一磁轴承11a和第二磁轴承11b磁悬浮设置；其中，第一磁轴承11a和第二磁轴承11b相对于转子12的中心点轴向对称。可以理解地，转子12包括一个几何轴和一个惯性轴，在本实施例中，第一磁轴承11a和第二磁轴承11b相对于转子12的几何轴的中心点轴向对称。
在本实施例中，通过设置第一磁轴承11a和第二磁轴承11b的轴向距离，使得磁悬浮轴承系统10的平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合。其中，中高频段是指平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线中大于截止频率的频段，可以理解地，对于不同参数性能的磁悬浮轴承系统，其对应的中高频段有所不同。
参阅图2，图2是本申请提供的磁悬浮轴承系统一实施例的侧面结构示意图，该磁悬浮轴承系统10包括第一磁轴承11a、第二磁轴承11b和转子12。
其中，转子12依次贯穿第一磁轴承11a和第二磁轴承11b，且与第一磁轴承11a和第二磁轴承11b磁悬浮设置；其中，第一磁轴承11a和第二磁轴承11b相对于转子12的中心点轴向对称。
另外，该磁悬浮轴承系统10还包括第一传感器13a和第二传感器13b，第一传感器13a对应第一磁轴承11a设置，用于对转子12进行位置检测；第二传感器13b对应第二磁轴承11b设置，用于对转子12进行位置检测；其中，第一传感器13a和第二传感器13b相对于转子12的中心点轴向对称。可以理解地，转子12包括一个几何轴和一个惯性轴，在本实施例中，第一传感器13a和第二传感器13b相对于转子12的几何轴的中心点轴向对称。
在一可选的实施例中，第一磁轴承11a和第二磁轴承11b的轴向距离，由转子12的固定参数、第一传感器13a和第二传感器13b之间的轴向距离共同确定。
其中，转子12的固定参数包括转子12的质量和转子12的径向惯量。
下面通过一个推论过程对上述的实施例进行介绍。
1、为了使得磁悬浮轴承系统10的平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线近似重合，先计算平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线对应的传递函数：
平动传递函数Gpd：
Figure GDA0002633754990000061
其中，ki为磁轴承的电流刚度系数，kh为磁轴承的位移刚度系数，m为转子的质量，Ks为传感器的增益系数，s为拉普拉斯算子；
以及
转动传递函数Gzd：
Figure GDA0002633754990000062
其中，lm是第一磁轴承与第二磁轴承沿的轴向距离，ls为第一传感器和第二传感器之间的轴向距离，J为转子的径向惯量。
2、令平动传递函数Gpd频率特性和转动传递函数Gzd频率特性近似相等，忽略掉“-2kh”和
Figure GDA0002633754990000063
将拉普拉斯变换转化为傅里叶变换，即s＝jω，即：
Figure GDA0002633754990000064
进一步：
Figure GDA0002633754990000065
其中，a＝lm-ls；
最后解得：
Figure GDA0002633754990000066
结合图3，图3是本申请提供的一具体实施例的幅频特性bode图。
假设转子和磁轴承参数如下：
m＝9.8；
J＝3.423*1e-2；
ki＝70；
kh＝5.95e5；
lm＝？*1e-3(“？”为待计算值)；
ls＝lm-50*1e-3；
Ks＝4000*2*2；
rpm＝0；
omiga＝rpm*2*pi/60；
那么，采用上述的公式
Figure GDA0002633754990000071
如图3所示，平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线近似重合，特别是在高频区域。
区别于现有技术，本实施例提供的磁悬浮轴承系统包括：第一磁轴承；第二磁轴承；转子，转子依次贯穿第一磁轴承和第二磁轴承，且与第一磁轴承和第二磁轴承磁悬浮设置；其中，第一磁轴承和第二磁轴承相对于转子的中心点轴向对称；其中，通过设置第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离，使得磁悬浮轴承系统的平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合。通过上述方式，采用对磁悬浮系统中的转子和磁轴承的结构进行改进，使得磁悬浮系统在工作时在平动/转动两种模态的幅频特性曲线近似重合，在两种模态切换下都能够稳定工作。由于是在设计之初就对结构进行了改进，在后续使用过程中，无需再对磁悬浮系统的工作进行调整，并且由于平动/转动两种模态的幅频特性曲线近似重合，可以采用同一PID控制器(比例-积分-微分控制器)在两种模态下对磁悬浮系统进行控制。
在上述实施例中，主要是令平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合。在另一实施例中，也可以令平动幅频特性曲线中的截止频率点和转动幅频特性曲线中的截止频率点近似重合。
再次结合图3，其中转动幅频特性曲线中的截止频率点为B1，平动幅频特性曲线中的截止频率点为B2，设置第一磁轴承11a与第二磁轴承11b的轴向距离，使得B1和B2近似重合，这里不再赘述。
参阅图4，图4是本申请提供的磁悬浮轴承系统的磁轴承设置方法一实施例的流程示意图，该方法包括：
步骤41：获取磁悬浮轴承系统的幅频特性曲线和转动幅频特性曲线。
可选地，分别计算磁悬浮轴承系统的平动传递函数和转动传递函数；其中，转动传递函数中至少包括第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离。
可选地，采用以下公式计算平动传递函数Gpd：
Figure GDA0002633754990000081
其中，ki为磁轴承的电流刚度系数，kh为磁轴承的位移刚度系数，m为转子的质量，Ks为传感器的增益系数，s为拉普拉斯算子。
可选地，采用以下公式计算转动传递函数Gzd：
Figure GDA0002633754990000082
其中，lm是第一磁轴承与第二磁轴承沿的轴向距离，ls为第一传感器和第二传感器之间的轴向距离，J为转子的径向惯量。
步骤42：调整第一磁轴承与第二磁轴承的位置，使得平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合。
步骤43：计算此时第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离。
令平动传递函数的频率特性和转动传递函数的频率特性近似相等，以计算第一磁轴承与第二磁轴承的轴向距离，即：
将拉普拉斯变换转化为傅里叶变换，即s＝jω，并忽略掉“-2kh”和
Figure GDA0002633754990000083
因此得到：
Figure GDA0002633754990000084
进一步：
Figure GDA0002633754990000085
其中，a＝lm-ls；
最后解得：
Figure GDA0002633754990000086
可选地，在另一实施例中，步骤42可以为：调整第一磁轴承与第二磁轴承的位置，使得平动幅频特性曲线中的截止频率点和转动幅频特性曲线中的截止频率点近似重合。
再次结合图3，其中转动幅频特性曲线中的截止频率点为B1，平动幅频特性曲线中的截止频率点为B2，设置第一磁轴承11a与第二磁轴承11b的轴向距离，使得B1和B2近似重合，这里不再赘述。
在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。
另外，在本申请各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是根据本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述磁悬浮轴承系统包括：
第一磁轴承；
第二磁轴承；
转子，所述转子依次贯穿所述第一磁轴承和所述第二磁轴承，且与所述第一磁轴承和所述第二磁轴承磁悬浮设置；其中，所述第一磁轴承和所述第二磁轴承相对于所述转子的中心点轴向对称；
其中，通过设置所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的轴向距离，使得所述磁悬浮轴承系统的平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线在中高频段近似重合。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承系统，其特征在于，
所述磁悬浮轴承系统还包括：
第一传感器，对应所述第一磁轴承设置，用于对所述转子进行位置检测；
第二传感器，对应所述第二磁轴承设置，用于对所述转子进行位置检测；
其中，所述第一传感器和所述第二传感器相对于所述转子的中心点轴向对称。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮轴承系统，其特征在于，
所述第一磁轴承与所述第二磁轴承沿的轴向距离，由所述转子的固定参数、所述第一传感器和所述第二传感器之间的轴向距离共同确定。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承系统，其特征在于，
采用以下的公式来确定第一磁轴承与所述第二磁轴承沿的轴向距离lm：
Figure FDA0003696469200000011
其中，a＝lm-ls，ls为所述第一传感器和所述第二传感器之间的轴向距离，J为所述转子的径向惯量，m为所述转子的质量。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮轴承系统，其特征在于，
通过设置第一磁轴承与所述第二磁轴承的轴向距离，使得所述磁悬浮轴承系统的平动幅频特性曲线中的截止频率点和转动幅频特性曲线中的截止频率点近似重合。
6.一种磁悬浮轴承系统的磁轴承设置方法，其特征在于，所述磁悬浮轴承系统包括第一磁轴承、第二磁轴承和转子，所述转子依次贯穿所述第一磁轴承和所述第二磁轴承，且所述第一磁轴承和所述第二磁轴承相对于所述转子的中心点轴向对称，所述方法包括：
获取所述磁悬浮轴承系统的平动幅频特性曲线和转动幅频特性曲线；
调整所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的位置，使得所述平动幅频特性曲线和所述转动幅频特性曲线在中高频段近似重合；
计算此时所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的轴向距离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述获取所述磁悬浮轴承系统的幅频特性曲线和转动幅频特性曲线，包括：
分别计算所述磁悬浮轴承系统的平动传递函数和转动传递函数；其中，所述转动传递函数中至少包括所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的轴向距离；
所述调整所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的位置，使得所述平动幅频特性曲线和所述转动幅频特性曲线在中高频段近似重合，包括：
令所述平动传递函数的频率特性和所述转动传递函数的频率特性近似相等，以计算所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的轴向距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述分别计算所述磁悬浮轴承系统的平动传递函数和转动传递函数，包括：
采用以下公式计算平动传递函数Gpd：
Figure FDA0003696469200000031
其中，ki为磁轴承的电流刚度系数，kh为磁轴承的位移刚度系数，m为所述转子的质量，Ks为传感器的增益系数，s为拉普拉斯算子；
以及
采用以下公式计算转动传递函数Gzd：
Figure FDA0003696469200000032
其中，lm是第一磁轴承与所述第二磁轴承沿的轴向距离，ls为第一传感器和第二传感器之间的轴向距离，J为所述转子的径向惯量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述令所述平动传递函数的频率特性和所述转动传递函数的频率特性近似相等，以计算所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的轴向距离，包括：
令
Figure FDA0003696469200000033
以计算得到所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的轴向距离：
Figure FDA0003696469200000034
其中，a＝lm-ls。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述调整所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的位置，使得所述平动幅频特性曲线和所述转动幅频特性曲线在中高频段近似重合，包括：
调整所述第一磁轴承与所述第二磁轴承的位置，使得所述平动幅频特性曲线中的截止频率点和所述转动幅频特性曲线中的截止频率点近似重合。
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