CN113719540B - 具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置 - Google Patents

具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其包括转轴、非对称轴向磁轴承本体、控制器、位移传感器、功率放大器以及辅助轴承。所述非对称轴向磁轴承本体包括对称布置的差动磁轴承定子、单向推力磁轴承定子以及转子推力盘。所述单向推力磁轴承定子独立工作在磁性材料的饱和区，用于克服单向的大静态载荷；所述差动磁轴承定子工作在磁性材料的线性区，用于支承剩余载荷。控制器包含差动控制模块、前馈控制模块和静差电流抑制模块和求和模块，可以实现非对称轴向磁轴承的稳定悬浮以及突加突卸负载工况下的系统快速响应。本发明提供的装置具有单向承载力密度高、集成化程度高等特点，在轴流式涡轮机械等领域具有广泛应用前景。

Description

具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置
技术领域
本发明涉及磁轴承技术领域，尤其涉及一种具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置。
背景技术
磁轴承的工作原理是利用定子与转子推力盘之间的磁力作用将转子推力盘悬浮，是一种无接触支撑的高性能轴承，具有无摩擦、无磨损、无需润滑的特点，有利于提高涡轮机械的转速。轴流式涡轮机械在实际工作中，流体沿轴向流入叶片，当叶轮在电机的驱动下旋转时，会在轴向上产生一个较大的转子推力。因此，为控制转子的轴向悬浮，轴向磁轴承必须具备足够的承载能力克服外界推力的影响。
一般而言，受工作点限制，磁轴承承载力的增加往往伴随轴承体积的增加，这对于特定结构和尺寸的电机是十分不利的。因此提高轴向磁轴承的单向承载力密度和集成化程度对于拓展轴向磁轴承在轴流式涡轮机械的应用具有重要意义。
申请号为CN201510585671.3的发明专利公开了一种非对称永磁偏置轴向磁轴承。该非对称永磁偏置轴向磁轴承由定子铁芯、带有推力盘的转子铁芯、永磁体和激磁线圈组成。双E型定子铁芯组成了磁轴承Z正负方向上的4个定子磁极，Z正和Z负方向各两个定子磁极。Z正方向和Z负方向的两个定子磁极之间是两个磁动势不同的环形永磁体，可以在提供偏置磁密的时候，同时产生轴向两个方向不同的静态承载力。
申请号为CN201310139793.0的发明专利公开了一种单边混合型轴向磁轴承。该轴向磁轴承由定子组件和转子组件组成，上述定子组件由环形内磁极、环形永磁体、环形外磁极从内到外依次装配组成，其中，环形外磁极上开有圆形槽，控制绕组绕制在所述圆形槽内；转子组件包括转子推力盘及转轴，所述转子推力盘热套在转轴上。
但是，上述装置存在承载力密度低的问题，在应用于具有轴向单向大推力特征的涡轮机械中，体积相对较大。
有鉴于此，有必要设计一种改进的集成化程度高、具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于对轴向磁轴承的拓扑和结构布置方式进行组合和优化，提供一种集成化程度高、单向承载力密度高的非对称轴向磁轴承装置。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其包括转轴、对转轴进行轴向悬浮的非对称轴向磁轴承本体、控制器、位移传感器以及功率放大器；所述非对称轴向磁轴承本体包括对称布置的差动磁轴承定子、单向推力磁轴承定子以及转子推力盘；
所述单向推力磁轴承定子铁芯和差动磁轴承定子铁芯分别采用磁性材料，所述单向推力磁轴承定子铁芯独立工作在磁性材料的饱和区，通常工作磁密在1.2T以上；所述差动磁轴承定子铁芯工作在磁性材料的线性区，通常最大工作磁密在1.2T以下。
作为本发明的进一步改进，所述差动磁轴承定子和所述单向推力磁轴承定子共用一个转子推力盘。
作为本发明的进一步改进，所述单向推力磁轴承定子设置在所述转子推力盘的外侧，两个所述差动磁轴承定子对称布置在所述转子推力盘的两侧，且沿推力盘的径向外侧放置。
作为本发明的进一步改进，所述差动磁轴承定子与所述单向推力磁轴承定子的最小径向间隔距离不小于5mm。
作为本发明的进一步改进，所述控制器包括用于控制所述差动磁轴承定子产生悬浮力的差动控制模块以及用于共同控制单向推力磁轴承定子产生悬浮力的前馈控制模块、静差电流抑制模块和求和模块。
作为本发明的进一步改进，所述静差电流抑制模块包含积分控制器；所述差动磁轴承定子的控制信号经所述积分控制器后计算出静差电流抑制信号。
作为本发明的进一步改进，通常所述积分控制器的等效时间常数低于差动磁轴承定子等效时间常数的一个量级左右。
作为本发明的进一步改进，所述前馈控制模块包括机组负载测量单元、轴向推力查询单元和前馈电流计算单元；所述机组负载测量单元接收信号后，通过轴向推力查询单元得到轴向推力，根据单向轴承的电磁力模型，前馈电流计算单元实时计算出前馈电流信号。
作为本发明的进一步改进，所述具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置还包括辅助轴承；所述辅助轴承设置在所述转子推力盘的内侧。
作为本发明的进一步改进，所述差动磁轴承定子和所述单向推力磁轴承定子分别为永磁偏置混合磁轴承定子结构、纯电励磁磁轴承定子结构中的一种。
本发明提供的非对称轴向磁轴承装置的工作原理：
单向推力磁轴承定子和对称布置的差动磁轴承定子分别独立工作在磁性材料的饱和工作区和线性工作区，分别用于克服单向的大静态载荷和双向的动态载荷。为实现该非对称轴向磁轴承的稳定控制，控制器包括有差动控制模块、前馈控制模块、静差电流抑制模块和求和模块。差动控制模块接收位移传感器的信号后，与参考位移进行比较计算控制信号，驱动功率放大器产生电流，控制差动磁轴承定子产生悬浮力，前馈控制模块和静差电流抑制模块共同用于单向推力磁轴承定子的稳定控制，前馈控制模块用于计算前馈电流信号，静差电流抑制模块计算静差电流抑制信号，前馈控制信号和静差电流抑制信号经过求和模块后共同控制单向推力磁轴承定子产生悬浮力。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，通过对处于不同工作点的差动磁轴承定子和单向推力磁轴承定子进行组合和优化，提高轴向磁轴承的单向承载力密度。利用含有多功能控制模块的控制器实现非对称轴向磁轴承的稳定控制。
2、本发明提供的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，非对称轴向磁轴承装置由差动磁轴承定子和单向推力磁轴承定子共同产生电磁力对转子进行支承，且单向推力磁轴承定子可长期工作在磁性材料的饱和区，具有单向高承载力密度。单向推力磁轴承定子和差动磁轴承定子分别用于克服单向的大静态载荷和双向的动态载荷。同时，单向推力磁轴承定子与辅助轴承均安装在径向内侧位置，使得整个轴承装置结构紧凑、集成度高。
3、本发明提供的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，控制器包含差动控制模块、前馈控制模块、静差电流抑制模块和求和模块，不仅可以实现对非对称轴向磁轴承的稳定悬浮，还可以实现突加突卸负载工况下的系统快速响应，消除前馈电流计算误差引起的静态偏差。
4、本发明提供的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，具有单向承载力密度高、集成化程度高等特点，在轴流式涡轮机械等领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置的工作原理示意图。
附图标记
10-转轴；20-非对称轴向磁轴承本体；21-差动磁轴承定子；22-单向推力磁轴承定子；23-转子推力盘；30-控制器；31-差动控制模块；32-前馈控制模块；33-静差电流抑制模块；34-求和模块；40-位移控制器；50-功率放大器；60-辅助轴承。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，本发明提供了一种具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其包括转轴10、非对称轴向磁轴承本体20、控制器30、位移传感器40、功率放大器50以及辅助轴承60。
在本实施方式中，所述非对称轴向磁轴承本体20包括对称设置的差动磁轴承定子21、单向推力磁轴承定子22以及转子推力盘23，上述三者共同实现对转轴10在轴向上的悬浮控制。
具体来讲，在非对称轴向轴承本体20中，差动磁轴承定子21的铁芯材料为10号钢，差动磁轴承定子21的线圈置于其中；单向推力轴承定子22的铁芯材料为10号钢，单向推力磁轴承定子22的线圈置于其中。转子推力盘材料为45号钢。
且所述单向推力磁轴承定子22独立工作在磁性材料的饱和区，最大工作磁密为1.5T，用于克服单向的大静态载荷；所述差动磁轴承定子21工作在磁性材料的线性区，最大工作磁密在为1.2T，主要用于承载力调整，支承剩余载荷。
请参阅图1所示的非对称轴向磁轴承本体20的结构示意图，所述差动磁轴承定子21和所述单向推力磁轴承定子22共用一个转子推力盘23。所述单向推力磁轴承定子22设置在所述转子推力盘23的外侧，两个所述差动磁轴承定子21对称设置在所述转子推力盘23的两侧，且沿径向外侧放置。且所述差动磁轴承定子21与所述单向推力磁轴承定子22的径向间隔距离为5mm。
当转子推力盘23处于平衡位置时，差动磁轴承定子21铁芯、单向推力轴承定子22铁芯与转子推力盘23保留0.5mm的电磁气隙。
在本实施方式中，所述差动磁轴承定子21和所述单向推力磁轴承定子22均为纯电励磁磁轴承定子结构。
在本实施方式中，所述位移传感器40布置在所述转轴10的非伸端，用于测量所述转轴10的轴向位移。
所述辅助轴承60设置在所述转子推力盘23的内侧。辅助轴承60与转轴10的轴向间隙为0.3mm。所述辅助轴承60起保护作用，通过轴向限位避免定转子之间发生直接碰撞。
所述功率放大器50受控制信号驱动，用于产生电流提供悬浮力；所述控制器30包括用于控制所述差动磁轴承定子21产生悬浮力的差动控制模块31以及用于共同控制单向推力磁轴承定子22产生悬浮力的前馈控制模块32、静差电流抑制模块33和求和模块34。
具体来讲，所述差动控制模块31控制差动磁轴承定子21产生悬浮力，所述前馈控制模块32用于计算前馈电流信号，所述静差电流抑制模块33用于计算静差电流抑制信号，前述前馈控制信号和静差电流抑制信号经过求和模块34后共同控制单向推力磁轴承定子产生悬浮力。
在本实施方式中，所述前馈控制模块32包括机组负载测量单元、轴向推力查询单元和前馈电流计算单元；所述机组负载测量单元接收信号后，通过轴向推力查询单元得到轴向推力，根据单向轴承的电磁力模型(电磁力模型反映电流到电磁力的关系，因此，在知道推力的前提下，利用电磁力模型可以反推出前馈电流的大小)，前馈电流计算单元实时计算出前馈电流信号。
在本实施方式中，所述静差电流抑制模块33包含积分控制器；所述差动磁轴承定子21的控制信号经所述积分控制器后计算出静差电流抑制信号。积分控制器的等效时间常数为差动磁轴承定子21等效时间常数的十分之一。该积分控制器的作用在于消除前馈电流计算误差引起的静态偏差。当出现静态偏差后，积分控制器的输出会逐渐地变化。偏差越大，积分控制器的输出信号的变化速度也就越大，直到偏差为零为止，因此积分控制器能够消除前馈电流计算误差引起的静态偏差。
对比例
采用传统对称的U型轴向磁轴承装置作为对比例，与本发明实施例提供的非对称轴向磁轴承装置进行性能比较。传统的U型轴向磁轴承装置包括一对差动磁轴承定子和一个推力盘，为采用线性控制方法，通常最大磁密工作点不超过1.2T。
对比例的最大承载力密度约为114N/cm2，而实施例1的单向推力磁轴承承载力密度可达到180N/cm2，相比于传统的设计结构，本发明实施例的单向承载力密度最大可以提高50％以上。
综上所述，本发明提供了一种具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其包括转轴、非对称轴向磁轴承本体、控制器、位移传感器、功率放大器以及辅助轴承。所述非对称轴向磁轴承本体包括对称设置的差动磁轴承定子、单向推力磁轴承定子以及转子推力盘，上述三者共同实现转轴的悬浮控制。且所述单向推力磁轴承定子独立工作在磁性材料的饱和区，通常最大工作磁密在1.2T以上，用于克服单向的大静态载荷；所述差动磁轴承定子工作在磁性材料的线性区，通常最大工作磁密在1.2T以下，主要用于承载力调整，支承剩余载荷。对处于不同工作点的轴向磁轴承的拓扑和结构布置方式进行组合和优化，非对称轴向磁轴承装置由差动磁轴承定子和单向推力磁轴承定子共同产生电磁力对转子进行支承，且单向推力磁轴承定子可长期工作在磁性材料的饱和工作区，具有单向高承载力密度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：包括转轴(10)、对转轴(10)进行悬浮控制的非对称轴向磁轴承本体(20)、控制器(30)、位移传感器(40)以及功率放大器(50)；所述非对称轴向磁轴承本体(20)包括对称布置的差动磁轴承定子(21)、单向推力磁轴承定子(22)以及转子推力盘(23)；
所述单向推力磁轴承定子(22)铁芯和差动磁轴承定子(21)铁芯分别采用磁性材料，单向推力磁轴承定子(22)铁芯独立工作在磁性材料的饱和区，最大工作磁密在1.2T以上；所述差动磁轴承定子(21)铁芯工作在磁性材料的线性区，最大工作磁密在1.2T以下；
所述控制器(30)包括用于控制所述差动磁轴承定子(21)产生悬浮力的差动控制模块(31)以及用于共同控制单向推力磁轴承定子(22)产生悬浮力的前馈控制模块(32)、静差电流抑制模块(33)和求和模块(34)。
2.根据权利要求1所述的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：所述差动磁轴承定子(21)和所述单向推力磁轴承定子(22)共用一个转子推力盘(23)。
3.根据权利要求2所述的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：所述单向推力磁轴承定子(22)设置在所述转子推力盘(23)的外侧，两个所述差动磁轴承定子(21)对称布置在所述转子推力盘(23)的两侧，且沿推力盘的径向外侧放置。
4.根据权利要求2所述的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：所述差动磁轴承定子(21)与所述单向推力磁轴承定子(22)的最小径向间隔距离不小于5mm。
5.根据权利要求1所述的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：所述静差电流抑制模块(33)包含积分控制器；所述差动磁轴承定子(21)的控制信号经所述积分控制器后计算出静差电流抑制信号。
6.根据权利要求5所述的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：所述积分控制器的等效时间常数低于差动磁轴承定子(21)等效时间常数的一个量级。
7.根据权利要求1所述的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：所述前馈控制模块(32)包括机组负载测量单元、轴向推力查询单元和前馈电流计算单元；所述机组负载测量单元接收信号后，通过轴向推力查询单元得到轴向推力，根据单向轴承的电磁力模型，前馈电流计算单元实时计算出前馈电流信号。
8.根据权利要求1所述的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：所述具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置还包括辅助轴承(60)；所述辅助轴承(60)设置在所述转子推力盘(23)的内侧。
9.根据权利要求1所述的具有单向高承载力密度的非对称轴向磁轴承装置，其特征在于：所述差动磁轴承定子(21)和所述单向推力磁轴承定子(22)分别为永磁偏置混合磁轴承定子结构、纯电励磁磁轴承定子结构中的一种。
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