CN113898669A

CN113898669A - 一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法

Info

Publication number: CN113898669A
Application number: CN202111067383.0A
Authority: CN
Inventors: 谢振宇; 李超; 吴传响; 王一建
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2022-01-07

Abstract

本发明公开了一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法，径向磁悬浮轴承定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，形成n个差动磁极对，在定子和转子之间设置两个测向正交的位移传感器，对于每一个差动磁极对，将两个位移传感器测得的位移量作正交分解，得到其在该差动磁极对中心线方向上的分解值后作代数和，得到该差动磁极对在其中心线方向上的位移；对于每一个差动磁极对，根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I₀，根据差动磁极对在其中心线方向上的位移生成控制电流i_c，并控制其远离转子轴心的一个磁极对以I₀+i_c激磁、靠近转子轴心的一个磁极对以I₀‑i_c激磁，使得转子轴心回到定子内孔中心。本发明控制算法简单，控制效果好。

Description

一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法

技术领域

本发明涉及高速旋转机械领域，尤其涉及一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法。

背景技术

压缩机、鼓风机、透平干燥机、大型节能水泵、高效节能热泵、储能飞轮、燃气轮机、离心式中央空调机组等大型高速旋转机械，在国民经济各部门中有着广泛应用，均是相关行业的核心关键设备，也是高耗能设备。

磁悬浮轴承是利用电磁力将转子无机械接触地悬浮起来的一种新型支承，包括机械本体、传感器、数字控制器、功率放大器等环节。与传统轴承（滚动轴承和油滑动轴承）相比，磁悬浮轴承与转子无机械接触，使用寿命长，维护费用低，无需润滑和密封，可长期用于高低温等特殊环境中，被认为是支承技术的一次革命，是目前唯一投入实用的主动支承装置。但是，磁悬浮轴承的一个明显缺点是比承载力较小。换言之，在同样承载力下，磁悬浮轴承的体积和重量较大，造成转子重量和尺寸增加、系统的成本和动态性能下降。

专利“一种径向磁悬浮轴承差动控制方法”（ZL201910031832.2）中，计算出转子轴心相对定子内孔中心的位置后，以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子轴心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子轴心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子轴心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向，径向磁悬浮轴承的4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的A和B两组磁极，其中A组磁极靠近y轴正方向，B组磁极远离y轴正方向；然后根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I₀，根据转子轴心和坐标原点的距离生成控制电流i_c；最后控制远离y轴正方向的B组磁极以I₀+i_c激磁、靠近y轴正方向的A组磁极以I₀-i_c激磁，使得转子轴心在y方向差动电磁力的作用下回到坐标原点。

该专利中4n个磁极被x轴等分成磁极数相同的两组磁极，每个磁极的控制电流为+i_c或者-i_c，由于转子轴心距离每个磁极对的实际距离并不相同，因此，采用绝对值相同的控制电流无法达到最优控制效果。

另外，根据磁路基本原理，对于相邻两个磁极构成一个固定磁极对，这两个磁极电流必须相同，即控制电流同时为+i_c，或者同时-i_c。而当x轴处于这两个磁极各自中心线所夹的角度区域时，按照上述控制方法，该固定磁极对的两个磁极被x轴分割，控制电流分别为+ic或者-i_c。因此，在这种情况下，控制电流只能为零，即上述控制方法必须剔除被x轴分割的固定磁极对，控制算法复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法，提高其控制效果，使之能够应用于大型高速旋转机械。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法，所述径向磁悬浮轴承定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，n为大于等于2的整数，相邻两个磁极构成一个磁极对，相对180度的两个磁极对构成一个差动磁极对，即4n个磁极构成n个差动磁极对，各差动磁极对均包含独立的控制器和功率放大器；定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量；

径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法包含以下步骤：

步骤1），令差动磁极对两个磁极对中心的连线为该差动磁极对的中心线，对于每一个差动磁极对，分别对第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量进行正交分解，获得第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量在该差动磁极对中心线方向上的分解值，并将第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量在该差动磁极对中心线方向上的分解值作代数和，得到该差动磁极在其中心线方向上的位移；

步骤2），对于每一个差动磁极对，根据径向磁悬浮轴承的偏置磁感应强度生成偏置电流I₀，根据该差动磁极在其中心线方向上的位移生成控制电流i_c；

步骤3），对于每一个差动磁极对，控制其远离转子轴心的一个磁极对以I₀+i_c激磁、靠近转子轴心的一个磁极对以I₀-i_c激磁，使得转子轴心在各差动磁极对中心线方向差动电磁力的作用下回到定子内孔中心。

作为本发明一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法进一步的优化方案，n=4。

作为本发明一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法进一步的优化方案，所述第一位移传感器、第二位移传感器采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

对于4n极径向磁悬浮轴承，n可以为偶数或奇数；当转子轴心在任意位置时，各差动磁极对能够根据转子轴心在其中心线方向的不同位移产生不同控制作用，因此各差动磁极对的控制电流均不相同，控制效果更好；如果转子轴心在各差动磁极对中心线方向的位移为零，则相应的控制电流为零，不需要在控制程序中专门剔除相应的差动磁极对，简化了控制算法。

附图说明

图1是第一时刻16极径向磁悬浮轴承磁极结构示意图；

图2是第二时刻16极径向磁悬浮轴承磁极结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法，所述径向磁悬浮轴承定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，n为大于等于2的整数，相邻两个磁极构成一个磁极对，相对180度的两个磁极对构成一个差动磁极对，即4n个磁极构成n个差动磁极对，各差动磁极对均包含独立的控制器和功率放大器；定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量；

径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法包含以下步骤：

所述第一位移传感器、第二位移传感器采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种。

16极径向磁悬浮轴承的结构如图1所示，图1中，磁极A11和A12、A21和A22、A31和A32、A41和A42、B11和B12、B21和B22、B31和B32、B41和B42分别构成A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4共8个磁极对，A1和B1、A2和B2、A3和B3、A4和B4分别构成第1、2、3、4共4个差动磁极对。

假设在某一时刻，转子轴心位置如图1所示，对于现有技术，x’和y’值分别由第一位移传感器、第二位移传感器测得，进而确定转子轴心相对定子内孔中心的位置；然后以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子轴心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子轴心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子轴心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向；径向磁悬浮轴承的16个磁极被x轴等分成磁极数相同的两组磁极，其中远离y轴正方向的磁极包括A41、A42、B11、B12、B21、B22、B31、B32，靠近y轴正方向的磁极包括B41、B42、A11、A12、A21、A22、A31、A32；远离y轴正方向的磁极以I₀+i_c激磁、靠近y轴正方向的磁极以I₀-i_c激磁，使得转子轴心在各差动磁极对中心线方向差动电磁力的作用下回到坐标原点；需要指出的是，所有磁极的控制电流i_c均相同，并根据转子轴心与坐标原点的距离由控制算法产生。

假设在某一时刻，转子轴心位置仍如图1所示，对于本发明技术，x’和y’值分别由第一位移传感器、第二位移传感器测得；然后将第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量分别向各差动磁极对中心线方向分解，然后将两个分解值作代数和，该代数和作为转子轴心在各差动磁极对中心线方向的位移，远离转子轴心的磁极包括A41、A42、B11、B12、B21、B22、B31、B32，靠近y轴正方向的磁极包括B41、B42、A11、A12、A21、A22、A31、A32；对于各差动磁极对；远离转子轴心的磁极以I₀+i_c激磁、靠近转子轴心的磁极以I₀-i_c激磁，使得转子轴心在各差动磁极对中心线方向差动电磁力的作用下回到坐标原点；需要指出的是，对于不同的差动磁极对，磁极的控制电流i_c是根据转子轴心在其中心线方向的位移由控制算法产生，由于位移不同，控制电流i_c并不相同。

假设在某一时刻，转子轴心位置如图2所示，对于现有技术，x’和y’值分别由第一位移传感器、第二位移传感器测得，进而确定转子轴心相对定子内孔中心的位置；然后以定子内孔中心为坐标原点，在经过转子轴心且垂直于定子内孔轴线的平面内建立非固定平面坐标系，以转子轴心与坐标原点的连线作为y轴，以垂直于y轴的方向作为x轴，以由坐标原点指向转子轴心的方向作为y轴正方向，以y轴正方向顺时针转动90度的方向作为x轴正方向；径向磁悬浮轴承的16个磁极被x轴等分成磁极数相同的两组磁极，其中远离y轴正方向的磁极包括A32、A41、A42、B11、B12、B21、B22、B31，靠近y轴正方向的磁极包括B32、B41、B42、A11、A12、A21、A22、A31；由于A31和A32、B31和B32分别被x轴分割，这两对磁极必须剔除，远离y轴正方向的磁极（包括A41、A42、B11、B12、B21、B22）以I₀+i_c激磁、靠近y轴正方向的磁极（包括B41、B42、A11、A12、A21、A22、）以I₀-i_c激磁，使得转子轴心在各差动磁极对中心线方向差动电磁力的作用下回到坐标原点。需要说明的是，由于A31和A32分别属于同一个磁极对A3的两个磁极，根据磁路基本原理，A31和A32的控制电流同时为+i_c，或者同时-i_c，另一方面，A31和A32分别被x轴分割，控制电流分别为+i_c或者-i_c。因此，磁极A31和A32必须剔除，B31和B32与之类似；另外，其余所有磁极的控制电流i_c均相同，并根据转子轴心与坐标原点的距离由控制算法产生。

假设在某一时刻，转子轴心位置仍如图2所示，对于本发明技术，相应的控制方法仍与前述相同，不会因为转子轴心位置的变化而变化。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法，所述径向磁悬浮轴承定子的内孔中周向均匀设有4n个包围转子的磁极，n为大于等于2的整数，相邻两个磁极构成一个磁极对，相对180度的两个磁极对构成一个差动磁极对，即4n个磁极构成n个差动磁极对，各差动磁极对均包含独立的控制器和功率放大器；定子和转子之间设有第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器、第二位移传感器到定子内孔中心的连线相互垂直，测量方向均指向定子内孔中心，分别用于测量转子在两个相互垂直的法向方向上的偏移量；

其特征在于，所述径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法包含以下步骤：

步骤1），令差动磁极对两个磁极对中心的连线为该差动磁极对的中心线，对于每一个差动磁极对，分别对第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量进行正交分解，获得第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量在该差动磁极对中心线方向上的分解值，并将第一位移传感器、第二位移传感器测得的偏移量在该差动磁极对中心线方向上的分解值作代数和，得到该差动磁极对在其中心线方向上的位移；

2.根据权利要求1所述的径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法，其特征在于，n=4。

3.根据权利要求1所述的径向磁悬浮轴承独立差动磁极对控制方法，其特征在于，所述第一位移传感器、第二位移传感器采用电涡流位移传感器、激光位移传感器、电感位移传感器中的任意一种。