磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置及控制方法

摘要

磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置及控制方法，涉及磁悬浮的技术领域。本发明包括横向依次布置在基座上的轴向电涡流传感器、第一径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承、高频电机、第二径向磁悬浮轴承组件以及被悬浮和被驱动的转子；径向电涡流传感器集成在径向磁悬浮轴承组件内，各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器分别与数字控制器的信号输入端连接，数字控制器的信号输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与各磁悬浮轴承连接，变频电源与高频电机连接。本发明实现了结构简单，使用操作方便，系统稳定性高，并能够降低长时间运行过程中磁悬浮轴承的损耗的磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置及控制方法。

权利要求

1.一种磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置，其特征在于包括横向依次布置在基座（3）上的轴向电涡流传感器（1）、第一径向磁悬浮轴承组件（2）、轴向磁悬浮轴承（4）、高频电机（5）、第二径向磁悬浮轴承组件（7）以及被悬浮和被驱动的转子（6）；径向电涡流传感器集成在径向磁悬浮轴承组件内，各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器（1）分别与数字控制器的信号输入端连接，数字控制器的信号输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与第一径向磁悬浮轴承组件（2）、轴向磁悬浮轴承（4）、第二径向磁悬浮轴承组件（7）连接，变频电源与高频电机（5）连接；在数字控制器中设定一个振动门限值和不同的偏置电流值；数字控制器将各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器（1）输入的振动信号与振动门限值进行比较；当振动信号小于振动门限值时，数字控制器将低偏置电流值输出给功率放大器，使得第一径向磁悬浮轴承组件（2）、轴向磁悬浮轴承（4）、第二径向磁悬浮轴承组件（7）采用低偏置电流控制方式工作；当振动信号高于振动门限值时，数字控制器将高偏置电流值输出给功率放大器，使得第一径向磁悬浮轴承组件（2）、轴向磁悬浮轴承（4）、第二径向磁悬浮轴承组件（7）采用有偏置电流控制方式工作。

2.基于权利要求1所述的磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：根据理论分析和试验模态分析的结果，在数字控制器中设定一个振动门限值，该振动门限值用于区分系统是否在临界转速附近运行；

第二步：根据理论分析和试验模态分析的结果，在数字控制器中设定不同的偏置电流值，其中所选定的低偏置电流用于满足系统在相应转速区间平稳运行的需要；

第三步：各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器（1）检测转子各自由度的振动，并将振动信号送入数字控制器；

第四步：数字控制器将第三步得到的振动信号与第一步设定振动门限值进行比较；当振动信号小于振动门限值时，将低偏置电流值输出，并通过功率放大器转换为低偏置电流，使得第一径向磁悬浮轴承组件（2）、轴向磁悬浮轴承（4）、第二径向磁悬浮轴承组件（7）采用低偏置电流控制方式工作，以降低磁悬浮轴承的损耗；当振动信号高于振动门限值时，将高偏置电流值输出，并通过功率放大器转换为高偏置电流，使得第一径向磁悬浮轴承组件（2）、轴向磁悬浮轴承（4）、第二径向磁悬浮轴承组件（7）采用有偏置电流控制方式工作，以保证系统安全稳定运行。

说明书

磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及磁悬浮的技术领域。

背景技术

[0002] 和传统轴承相比，磁悬浮轴承与转子无接触，支承功耗小，使用寿命长；不需要润滑和密封，可长期用于高低温等特殊环境中；维护费用低、便于主动控制等等，因而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。

[0003] 虽然具有传统轴承无可比拟的优点，但磁悬浮轴承仍然存在涡流和磁滞损耗，特别是在大功率应用场合（如飞机发动机、膨胀机、汽轮机等），涡流和磁滞损耗很大，需要采用强有力的冷却措施，因此低损耗磁悬浮轴承技术一直是该领域的研究热点。根据国外公开文献，零偏置电流控制方式可有效减小磁悬浮轴承的能量损失。

[0004] 磁悬浮轴承各自由度电磁铁一般采用差动结构，即转子各自由度两端各有一个电磁铁。常见的有偏置电流控制方式是两端电磁铁所产生的磁场为偏置磁场与控制磁场的叠加，偏置磁场由偏置电流产生，控制磁场由控制电流产生。当转子出现偏移时，偏置磁场保持不变，在控制器作用下，控制电流发生变化，使两边磁场的磁感应强度出现合适的差值，产生所需电磁力。

[0005] 而零偏置电流控制方式则不同，当转子在某自由度处于指定位置时，两端电磁铁中的电流为零；当转子在某自由度有偏移时，仅对应单端电磁铁有控制电流。由于取消了偏置电流，气隙中的磁感应强度明显减小，因此功率放大器损耗、涡流和磁滞损耗均大大降低。但该方式使得磁悬浮轴承的支承刚度和阻尼大幅降低，并且系统的非线性明显增加，因此未被广泛采用。

发明内容

[0006] 本发明目的是提供一种结构简单，使用操作方便，系统稳定性高，并能够降低长时间运行过程中磁悬浮轴承的损耗的磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置及控制方法。

[0007] 一种磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置，包括横向依次布置在基座上的轴向电涡流传感器、第一径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承、高频电机、第二径向磁悬浮轴承组件以及被悬浮和被驱动的转子；径向电涡流传感器集成在径向磁悬浮轴承组件内，各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器分别与数字控制器的信号输入端连接，数字控制器的信号输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与第一径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承组件连接，变频电源与高频电机连接；在数字控制器中设定一个振动门限值和不同的偏置电流值；数字控制器将各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器输入的振动信号与振动门限值进行比较；当振动信号小于振动门限值时，数字控制器将低偏置电流值输出给功率放大器，使得第一径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承组件采用低偏置电流控制方式工作；当振动信号高于振动门限值时，数字控制器将高偏置电流值输出给功率放大器，使得第一径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承组件采用有偏置电流控制方式工作。

[0008] 基于本发明的磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置的控制方法，包括如下步骤：

[0009] 第一步：根据理论分析和试验模态分析的结果，在数字控制器中设定一个振动门限值，该振动门限值用于区分系统是否在临界转速附近运行；

[0010] 第二步：根据理论分析和试验模态分析的结果，在数字控制器中设定不同的偏置电流值，其中所选定的低偏置电流用于满足系统在相应转速区间平稳运行的需要；

[0011] 第三步：各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器检测转子各自由度的振动，并将振动信号送入数字控制器；

[0012] 第四步：数字控制器将第三步得到的振动信号与第一步设定振动门限值进行比较；当振动信号小于振动门限值时，将低偏置电流值输出，并通过功率放大器转换为低偏置电流，使得第一径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承组件采用低偏置电流控制方式工作，以降低磁悬浮轴承的损耗；当振动信号高于振动门限值时，将高偏置电流值输出，并通过功率放大器转换为高偏置电流，使得第一径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承组件采用有偏置电流控制方式工作，以保证系统安全稳定运行。

[0013] 本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：当系统越过第一阶临界转速时，因转子振动较大，超过了振动门限值，因此磁悬浮轴承采用有偏置电流控制方式，以保证系统安全稳定运行；而当系统远离该阶临界转速运行时，因转子振动较小，磁悬浮轴承采用低偏置电流控制方式，达到了减小电磁铁线圈电流，降低功率放大器损耗、涡流和磁滞损耗的目的。当系统在工作转速（一般远离各阶临界转速）长时间运行时，这一控制策略的效果尤为显著，并且结构简单，使用操作方便，系统稳定性高。

附图说明

[0014] 图1是本发明的一种结构示意图。

[0015] 图2是采用有偏置电流控制方式（偏置电流为2.5A）和变偏置电流控制策略（偏置电流为2.5A或2A）时第一径向磁悬浮轴承处转子的振幅曲线。

[0016] 图3是采用变偏置电流控制策略（偏置电流为2.5A或2A）时第一径向磁悬浮轴承上线圈内的电流波形。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

[0018] 如图1所示，一种磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置，包括横向依次布置在基座3上的轴向电涡流传感器1、第一径向磁悬浮轴承组件2、轴向磁悬浮轴承4、高频电机5、第二径向磁悬浮轴承组件7以及被悬浮和被驱动的转子6；径向电涡流传感器集成在径向磁悬浮轴承组件内，各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器1分别与数字控制器的信号输入端连接，数字控制器的信号输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与第一径向磁悬浮轴承组件2、轴向磁悬浮轴承4、第二径向磁悬浮轴承组件7连接，变频电源与高频电机5连接；在数字控制器中设定一个振动门限值和不同的偏置电流值；数字控制器将各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器1输入的振动信号与振动门限值进行比较；当振动信号小于振动门限值时，数字控制器将低偏置电流值输出给功率放大器，使得第一径向磁悬浮轴承组件2、轴向磁悬浮轴承4、第二径向磁悬浮轴承组件7采用低偏置电流控制方式工作；当振动信号高于振动门限值时，数字控制器将高偏置电流值输出给功率放大器，使得第一径向磁悬浮轴承组件2、轴向磁悬浮轴承4、第二径向磁悬浮轴承组件7采用有偏置电流控制方式工作。

[0019] 基于本发明的磁悬浮轴承柔性转子的变偏置电流控制装置的控制方法，包括如下步骤：

[0020] 第一步：根据理论分析和试验模态分析的结果，在数字控制器中设定一个振动门限值，该振动门限值用于区分系统是否在临界转速附近运行；

[0021] 第二步：根据理论分析和试验模态分析的结果，在数字控制器中设定不同的偏置电流值，其中所选定的低偏置电流用于满足系统在相应转速区间平稳运行的需要；

[0022] 第三步：各径向电涡流传感器和轴向电涡流传感器1检测转子各自由度的振动，并将振动信号送入数字控制器；

[0023] 第四步：数字控制器将第三步得到的振动信号与第一步设定振动门限值进行比较；当振动信号小于振动门限值时，将低偏置电流值输出，并通过功率放大器转换为低偏置电流，使得第一径向磁悬浮轴承组件2、轴向磁悬浮轴承4、第二径向磁悬浮轴承组件7采用低偏置电流控制方式工作，以降低磁悬浮轴承的损耗；当振动信号高于振动门限值时，将高偏置电流值输出，并通过功率放大器转换为高偏置电流，使得第一径向磁悬浮轴承组件2、轴向磁悬浮轴承4、第二径向磁悬浮轴承组件7采用有偏置电流控制方式工作，以保证系统安全稳定运行。

[0024] 图1为系统的机械装置。根据理论分析和试验模态分析的结果，系统的第一阶临界转速约为3000r/min，设定磁悬浮轴承控制器比例系数kp=0.5，积分系数ki=0.8，微分系数kd=0.5，两种偏置电流分别为2.5A和2A，振动门限值为12μm。

[0025] 转子在磁悬浮轴承的作用下稳定悬浮，并通过高频电机带动，由0rpm稳定运行至10000rpm左右。采用HP35670频谱分析仪采集第一径向磁悬浮轴承处转子的振动如图2所示。图2中曲线1是磁悬浮轴承采用有偏置电流控制方式（偏置电流为2.5A）时的振幅曲线，曲线2是磁悬浮轴承采用变偏置电流控制策略（偏置电流为2.5A或2A）时的振幅曲线。
采用HP35670频谱分析仪采集变偏置电流控制策略（偏置电流为2.5A或2A）下第一径向磁悬浮轴承上线圈内的电流波形如图3所示。

[0026] 由图2可见，当磁悬浮轴承采用有偏置电流控制方式（偏置电流为2.5A）时，转子可平稳越过第一阶临界转速，转子最高振幅为19μm，对应转速为2970r/min，振幅超出12μm的转速区间大致在2520r/min～3240r/min左右。当磁悬浮轴承采用变偏置电流控制策略（偏置电流为2.5A或2A）时，转子最高振幅为19.7μm，对应转速为2940r/min。

[0027] 由图3可见，变偏置电流控制策略（偏置电流为2.5A或2A）下第一径向磁悬浮轴承上线圈内的电流变化范围大致为1.8A～3.4A。在2520r/min～3240r/min转速区间内有明显的电流跳动，其平均电流为3A（因为重力的影响，该平均电流大于偏置电流2.5A），其峰值电流为3.4A。在其余转速区间，其平均电流为2.4A（因为重力的影响，该平均电流大于偏置电流2A），其峰值电流为2.96A。

[0028] 由上述分析可以看出，当系统越过第一阶临界转速时，因转子振动较大，超过了振动门限值，因此磁悬浮轴承采用有偏置电流控制方式（偏置电流为2.5A），以保证系统安全稳定运行；而当系统远离该阶临界转速运行时，因转子振动较小，磁悬浮轴承采用低偏置电流控制方式（偏置电流为2A），达到了减小电磁铁线圈电流，降低功率放大器损耗、涡流和磁滞损耗的目的。当系统在工作转速（一般远离各阶临界转速）长时间运行时，这一控制策略的效果尤为显著。