CN117739013B - 一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统。该屏蔽磁轴承系统由屏蔽磁轴承本体、控制器、位移传感器、电流传感器、功率放大器、保护轴承、倾角传感器等部件组成。屏蔽磁轴承本体由定子、转子、定子屏蔽层、转子屏蔽层组成，通过屏蔽层形成密封腔体对定、转子进行保护。通过增设参数辨识模块和变偏置电流控制模块，提高了磁轴承的状态监测能力和可靠性，并且减小磁轴承的损耗。本发明对传统磁轴承的结构和控制算法进行改进，提供了一种耐腐蚀能力强、损耗低、可靠性高的屏蔽磁轴承系统。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮电机技术领域，具体涉及一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统。
背景技术
相比传统的机械轴承，磁轴承在苛刻环境下具有更低的维护成本和更长的寿命，并可以对流体机械进行主动减振。但磁轴承本体通常由导磁铁心材料加工而成，直接工作在流体介质（包含气体和液体等）中，磁轴承定、转子铁心会发生腐蚀等现象，导致材料特性发生变化且产生颗粒杂质，直接影响磁轴承系统运行的可靠性。
尽管可以采用金属屏蔽套提高磁轴承的抗腐蚀能力。然而，对于船用环境，流体机械在倾斜摇摆环境下，会使得磁轴承的支承载荷和工作磁密发生周期性的变化，加剧磁轴承的涡流效应，在恒定的偏置电流控制方法下，金属屏蔽层会产生较大的涡流损耗，这会严重降低流体机械的运行效率，增大设备温升，十分不利于流体机械设备的长期运行。
美国发明专利US20080218008A1公开了一种腐蚀性环境中使用的电磁轴承的转子和定子组件，转子轴组件，其包括由铁磁材料形成的转子轴，设置在所述转子轴上的多个转子叠片，以及形成在所述转子轴的选定暴露表面上的阻挡层，转子叠片及其组合；和定子组件与转子轴组件间隔开，该定子组件包括围绕转子轴的多个电磁线圈。但是，该技术方案采用环氧树脂或氧化物涂层对磁轴承进行屏蔽，主要用于阻挡腐蚀性气体，长期工作在液态介质中该涂层容易脱落，防腐能力较为有限，且没有考虑涂层对磁轴承损耗等性能的影响。
因此，从磁轴承本体结构和控制算法设计研究出发，提高磁轴承的耐腐蚀能力和状态监测能力，减小磁轴承损耗，对于拓展磁轴承在流体机械的应用具有重要意义。
有鉴于此，有必要设计一种改进的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明以研究适用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统为目的，对传统磁轴承的结构和控制算法进行改进，提供一种耐腐蚀能力强、损耗低、可靠性高的屏蔽磁轴承系统。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其包括屏蔽磁轴承本体、控制器、电流传感器、功率放大器；所述屏蔽磁轴承本体包含径向屏蔽磁轴承和轴向屏蔽磁轴承，前述两者共同对流体机械进行五自由度悬浮；
所述屏蔽磁轴承系统采用多层复合屏蔽结构对定子、转子进行多层屏蔽；所述屏蔽磁轴承本体由定子、用于对所述定子多层密封屏蔽的定子屏蔽层、转子、用于对所述转子多层密封屏蔽的转子屏蔽层组成。
作为本发明的进一步改进，所述定子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层；
所述转子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层。
作为本发明的进一步改进，所述定子过盈配合安装在轴承座上，对定子线圈进行整体灌胶后，定子表面通过焊接和/或涂层方式形成定子屏蔽层；所述定子可单独屏蔽，或者，所述定子与电机共同屏蔽；
所述转子过盈配合安装在转轴上，在转子表面通过焊接和/或涂层方式形成转子屏蔽层。
作为本发明的进一步改进，所述控制器包括主悬浮控制模块、参数辨识模块和变偏置电流控制模块。
作为本发明的进一步改进，所述参数辨识模块包含控制电流计算单元、支承载荷辨识单元和姿态角辨识单元；所述控制电流计算单元根据电流传感器6测量的线圈电流计算控制电流，采用支承载荷辨识单元获取磁轴承的支承载荷，姿态角辨识单元利用载荷比和质心距离得到设备的姿态角度。
作为本发明的进一步改进，所述变偏置电流控制模块包含支承载荷比较单元、偏置电流调节单元、损耗查询单元和损耗比较单元；所述支承载荷比较单元接收参数辨识模块的支承载荷信号后，根据载荷变化阈值判断是否调整偏置电流，根据调节后的偏置电流，通过损耗查询单元分析损耗变化是否超出给定损耗变化阈值，最终产生偏置电流信号，与控制电流信号共同驱动功率放大器7产生线圈电流，使得所述屏蔽磁轴承本体产生悬浮力。
作为本发明的进一步改进，所述轴向屏蔽磁轴承采用不同结构设置的E型轴向磁轴承定子和U型轴向磁轴承定子，通过E型轴向磁轴承定子和U型轴向磁轴承定子不同的定子磁极面积，在轴向差动方向上产生不同大小的电磁力，用以克服流体机械的不对称轴流力。
作为本发明的进一步改进，所述屏蔽磁轴承系统的定子屏蔽层、转子屏蔽层的厚度均为0.2~2mm；所述屏蔽磁轴承系统的工作介质为液体、气体中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述屏蔽磁轴承系统还包括位移传感器；所述位移传感器为防水电涡流式位移传感器、防水电感式位移传感器中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述屏蔽磁轴承系统还包括倾角传感器；所述倾角传感器为电容式倾角传感器、谐振式倾角传感器、光电式倾角传感器中的一种。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，采用不同材料对定、转子进行多层复合屏蔽，不仅具有较强的抗腐蚀能力，还可以减小金属屏蔽层带来的损耗。
2、本发明提供的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，在屏蔽磁轴承系统的控制器上增设参数辨识模块，可以利用磁轴承自身的传感器信息，辨识磁轴承的支承载荷和姿态角度，提高了磁轴承的状态监测能力和可靠性。
3、本发明提供的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，在屏蔽磁轴承系统的控制器增设变偏置电流控制模块，可以根据磁轴承的支承载荷状态，自适应调节偏置电流，减小磁轴承的损耗。
4、本发明提供的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，屏蔽磁轴承系统的轴向屏蔽磁轴承采用不同结构的两端定子结构（E型轴向磁轴承定子和U型轴向磁轴承定子），可以产生不同大小的电磁力，减小轴向磁轴承的轴向长度，提高系统的集成度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的屏蔽磁轴承系统工作原理示意图；
图2为本发明实施例提供的径向屏蔽磁轴承示意图；
图3为本发明实施例提供的轴向屏蔽磁轴承示意图。
在所有附图中，相同的数字标记用来表示相同的部件或结构，字母表示安装位置的差异，其中各标记分别表示为：
10-转轴；20-屏蔽磁轴承系统；30-电机；40-叶轮；50-安装基座；21-径向屏蔽磁轴承；22-轴向屏蔽磁轴承；23-控制器；24-位移传感器；25-保护轴承；26-电流传感器；27-功率放大器；28-倾角传感器；211-径向磁轴承定子；212-径向磁轴承定子屏蔽层；213-径向磁轴承转子屏蔽层；214-径向磁轴承转子；221-E型轴向磁轴承定子；222-E型轴向磁轴承定子屏蔽层；223-U型轴向磁轴承定子； 224-U型轴向磁轴承定子屏蔽层；225-轴向磁轴承转子屏蔽层；226-轴向磁轴承转子；231-主悬浮控制模块；232-参数辨识模块；233-变偏置电流控制模块。
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，本发明提供了一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统。所述屏蔽磁轴承系统20由屏蔽磁轴承本体、控制器23、位移传感器24、保护轴承25、电流传感器26、功率放大器27、倾角传感器等部件组成，共同实现转轴10的悬浮控制。
所述屏蔽磁轴承本体包含两个径向屏蔽磁轴承21和一个轴向屏蔽磁轴承22，共同对流体机械进行五自由度悬浮。
图2为本发明实施例提供的径向屏蔽磁轴承示意图，径向屏蔽磁轴承21由径向磁轴承定子211、径向磁轴承定子屏蔽层 212、径向磁轴承转子屏蔽层213、径向磁轴承转子214等部件组成，共同实现转轴10的径向悬浮控制。
图3为本发明实施例提供的轴向屏蔽磁轴承示意图，轴向屏蔽磁轴承22由E型轴向磁轴承定子221、E型轴向磁轴承定子屏蔽层 222、U型轴向磁轴承定子223、U型轴向磁轴承定子屏蔽层224、轴向磁轴承转子屏蔽层225、轴向磁轴承转子226等部件组成，共同实现转轴10的轴向悬浮控制。
在本实施方式中，所述屏蔽磁轴承系统20采用多层复合屏蔽结构对定子、转子进行多层屏蔽；所述屏蔽磁轴承本体由定子、转子、定子屏蔽层、转子屏蔽层组成。
具体来讲，采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料等组合对磁轴承定子（径向磁轴承定子211、轴向磁轴承定子221、223）、磁轴承转子（径向磁轴承转子214、轴向磁轴承转子226）进行多层屏蔽。
所述定子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层。
所述转子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层。
具体工艺为：
所述磁轴承定子（径向磁轴承定子211、轴向磁轴承定子221、223）采用过盈配合安装在轴承座上，对定子线圈进行整体灌胶后，定子表面通过焊接或涂层形成定子屏蔽层（径向磁轴承定子屏蔽层212、E型轴向磁轴承定子屏蔽层222、U型轴向磁轴承定子屏蔽层224）。
本发明中，径向磁轴承定子211可单独屏蔽，或者，与电机共同屏蔽。
所述磁轴承转子（径向磁轴承转子214、轴向磁轴承转子226）采用过盈配合安装在转轴10上，在表面通过焊接或涂层形成转子屏蔽层（径向磁轴承转子屏蔽层213、轴向磁轴承转子屏蔽层225）。
在本实施方式中，径向屏蔽磁轴承21、轴向屏蔽磁轴承 22均采用纯电励磁磁轴承。屏蔽磁轴承本体（21、22）由定子（211、221、223）、定子屏蔽层（212、222、224）、转子（214、226）、转子屏蔽层（213、225）组成，通过屏蔽层形成密封腔体对定、转子进行保护。
所述屏蔽磁轴承系统20的定子屏蔽层、转子屏蔽层的厚度均为0.2~2mm；所述屏蔽磁轴承系统20的工作介质为液体、气体中的一种。
本发明中，所述轴向屏蔽磁轴承22采用不同结构设置的E型轴向磁轴承定子221和U型轴向磁轴承定子223，通过E型轴向磁轴承定子221和U型轴向磁轴承定子223不同的定子磁极面积，在轴向差动方向上产生不同大小的电磁力，用以克服流体机械的不对称轴流力。
在一些实施方式中，所述控制器23包括主悬浮控制模块231、参数辨识模块232和变偏置电流控制模块233。
所述主悬浮控制模块231接收位移传感器24的信号后，与参考位移进行比较计算控制电流信号。
所述参数辨识模块232包含控制电流计算单元、支承载荷辨识单元和姿态角辨识单元；所述控制电流计算单元根据电流传感器26测量的线圈电流计算控制电流，采用支承载荷辨识单元获取磁轴承的支承载荷，姿态角辨识单元利用载荷比和质心距离得到设备的姿态角度。
所述变偏置电流控制模块233包含支承载荷比较单元、偏置电流调节单元、损耗查询单元和损耗比较单元；所述支承载荷比较单元接收参数辨识模块232的支承载荷信号后，根据载荷变化阈值判断是否调整偏置电流，根据调节后的偏置电流，通过损耗查询单元分析损耗变化是否超出给定损耗变化阈值，最终产生偏置电流信号，与控制电流信号共同驱动功率放大器27产生线圈电流，使得所述屏蔽磁轴承本体产生悬浮力。
所述位移传感器24为防水电涡流式位移传感器、防水电感式位移传感器中的一种。
所述倾角传感器28为电容式倾角传感器、谐振式倾角传感器、光电式倾角传感器中的一种。
在本实施方式中，保护轴承25与转轴10的径向间隙和轴向间隙分别为0.2mm和0.3mm。位移传感器26均为测量距离的防水电涡流式位移传感器。
本发明提供的屏蔽磁轴承系统的工作原理为：
所述屏蔽磁轴承本体通过定/转子屏蔽层形成密封腔体对定/转子进行保护。主悬浮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电流信号。参数辨识模块包含控制电流计算单元、支承载荷辨识单元和姿态角辨识单元。控制电流计算单元根据线圈测量电流得到控制电流，结合磁轴承刚度采用支承载荷辨识单元获取磁轴承的支承载荷，姿态角辨识单元利用载荷比和质心距离得到基座的姿态角度。变偏置电流控制模块包含支承载荷比较单元、偏置电流调节单元、损耗查询单元和损耗比较单元。支承载荷比较单元接收支承载荷信号后，根据载荷变化阈值判断是否调整偏置电流，根据调节后的偏置电流，通过损耗查询单元分析损耗变化是否给定损耗变化阈值，产生偏置电流信号。偏置电流信号与控制电流信号共同驱动功率放大器产生线圈电流，使得屏蔽磁轴承本体产生悬浮力。轴向屏蔽磁轴承采用不同的轴承定子结构，通过不同的定子磁极面积，在轴向差动方向上产生不同大小的电磁力，用以克服流体机械的不对称轴流力，减小轴向磁轴承的轴向长度，提高系统的集成度。
基于上述用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，相比于常规磁轴承系统，可以长期工作在液体、气体下，且其耐腐蚀能力和可靠性显著提高，损耗明显低于常规磁轴承系统。
综上所述，本发明提供了一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统。该系统由屏蔽磁轴承本体、控制器、位移传感器、电流传感器、功率放大器、保护轴承、倾角传感器等部件组成。磁轴承本体包含两个径向屏蔽磁轴承、一个轴向屏蔽磁轴承。屏蔽磁轴承本体由定子、转子、定子屏蔽层、转子屏蔽层组成，通过屏蔽层形成密封腔体对定、转子进行保护。通过增设参数辨识模块和变偏置电流控制模块，提高了磁轴承的状态监测能力和可靠性，并且减小磁轴承的损耗。本发明对传统磁轴承的结构和控制算法进行改进，提供了一种耐腐蚀能力强、损耗低、可靠性高的屏蔽磁轴承系统。
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 (8)
1.一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述屏蔽磁轴承系统（20）包括屏蔽磁轴承本体、控制器（23）、电流传感器（26）、功率放大器（27）；所述屏蔽磁轴承本体包含径向屏蔽磁轴承（21）和轴向屏蔽磁轴承（22），前述两者共同对流体机械进行五自由度悬浮；
所述屏蔽磁轴承系统（20）采用多层复合屏蔽结构对定子、转子进行多层屏蔽；所述屏蔽磁轴承本体由定子、用于对所述定子多层密封屏蔽的定子屏蔽层、转子、用于对所述转子多层密封屏蔽的转子屏蔽层组成；
所述控制器（23）包括主悬浮控制模块（231）、参数辨识模块（232）和变偏置电流控制模块（233）；
所述参数辨识模块（232）包含控制电流计算单元、支承载荷辨识单元和姿态角辨识单元；
所述控制电流计算单元根据电流传感器（26）测量的线圈电流计算控制电流，采用支承载荷辨识单元获取磁轴承的支承载荷，姿态角辨识单元利用载荷比和质心距离得到设备的姿态角度。
2.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述定子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层；
所述转子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层。
3.根据权利要求2所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述定子过盈配合安装在轴承座上，对定子线圈进行整体灌胶后，定子表面通过焊接和/或涂层方式形成定子屏蔽层；所述定子单独屏蔽，或者，所述定子与电机共同屏蔽；
所述转子过盈配合安装在转轴（10）上，在转子表面通过焊接和/或涂层方式形成转子屏蔽层。
4.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述变偏置电流控制模块（233）包含支承载荷比较单元、偏置电流调节单元、损耗查询单元和损耗比较单元；
所述支承载荷比较单元接收参数辨识模块（232）的支承载荷信号后，根据载荷变化阈值判断是否调整偏置电流，根据调节后的偏置电流，通过损耗查询单元分析损耗变化是否超出给定损耗变化阈值，最终产生偏置电流信号，与控制电流信号共同驱动功率放大器（27）产生线圈电流，使得所述屏蔽磁轴承本体产生悬浮力。
5.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述轴向屏蔽磁轴承（22）采用不同结构设置的E型轴向磁轴承定子（221）和U型轴向磁轴承定子（223），通过E型轴向磁轴承定子（221）和U型轴向磁轴承定子（223）不同的定子磁极面积，在轴向差动方向上产生不同大小的电磁力，用以克服流体机械的不对称轴流力。
6.根据权利要求2所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述屏蔽磁轴承系统（20）的定子屏蔽层、转子屏蔽层的厚度均为0.2~2mm；所述屏蔽磁轴承系统（20）的工作介质为液体、气体中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述屏蔽磁轴承系统（20）还包括位移传感器（24）；所述位移传感器（24）为防水电涡流式位移传感器、防水电感式位移传感器中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述屏蔽磁轴承系统（20）还包括倾角传感器（28）；所述倾角传感器（28）为电容式倾角传感器、谐振式倾角传感器、光电式倾角传感器中的一种。
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