径向磁轴承的控制方法

摘要

径向磁轴承的控制方法，属于磁轴承技术领域。为了解决现有抑制磁轴承冲击扰动性能差的问题。所述方法为采用粘弹性控制器的控制量对径向磁轴承进行控制；所述粘弹性控制器输出的控制量：u＝G(S)e＝Gc(S)e+GVCL(S)e，Gc(S)是现有主动控制器的传递函数，GVCL(S)是粘弹性控制律的传递函数；粘弹性控制律的传递函数GVCL(S)为：式中，Cj表示粘弹性控制律的阻尼系数，Kj表示粘弹性控制律的弹性系数，kj表示粘弹性控制律的扰动抑制系数，10≥kj>1，n表示粘弹性控制律的分支数量，且n≥1；式中，e是径向磁轴承的反馈误差信号。本发明提升了磁轴承转子的稳定性以及抑制破坏力较大的冲击扰动的性能。

权利要求

1.一种径向磁轴承的控制方法，其特征在于，所述方法为采用粘弹性控制器的控制量对径向磁轴承进行控制；

所述粘弹性控制器包括现有主动控制器与粘弹性控制律，所述粘弹性控制器的传递函数G(S)为：G(S)＝Gc(S)+GVCL(S)；

式中，Gc(S)是现有主动控制器的传递函数，GVCL(S)是粘弹性控制律的传递函数；

所述粘弹性控制律的传递函数GVCL(S)为：式中，Cj表示粘弹性控制律的阻尼系数，Kj表示粘弹性控制律的弹性系数，kj表示粘弹性控制律的扰动抑制系数，10≥kj>1，n表示粘弹性控制律的分支数量，且n≥1；

所述粘弹性控制器输出的控制量u为：

u＝G(S)e＝Gc(S)e+GVCL(S)e式中，e是径向磁轴承的反馈误差信号，Gc(S)e是现有主动控制器输出的控制量，GVCL(S)e是粘弹性控制律输出的控制量。

2.根据权利要求1所述的径向磁轴承的控制方法，其特征在于，所述现有主动控制器采用PD控制器实现，PD控制器的传递函数为：Gc(S)＝KP+KDS

式中，KP是PD控制器的比例系数，KD是PD控制器的微分系数；

粘弹性控制器的传递函数为：

粘弹性控制器输出的控制量u为：

3.根据权利要求1所述的径向磁轴承的控制方法，其特征在于，所述现有主动控制器采用PID控制器实现，现有PID控制器的传递函数为：式中，KP是现有PID控制器的比例系数，KD是现有PID控制器的微分系数，KI是现有PID控制器的积分系数；

粘弹性控制器的传递函数为：

所述粘弹性控制器输出的控制量u为：

4.根据权利要求1、2或3所述的径向磁轴承的控制方法，其特征在于，所述径向磁轴承为分块定子的大气隙径向磁轴承，所述分块定子的大气隙径向磁轴承包括n个定子和转子铁芯；n取大于或等于3的正整数；

n个定子沿圆周方向均匀分布在转子铁芯的周围，n个定子之间不构成闭合磁路；每个定子与转子铁芯之间存在径向气隙，且形成闭合磁路；

所述定子包括定子铁芯和多个电枢齿；

所述多个电枢齿沿轴向间隔固定在定子铁芯的内表面。

5.根据权利要求4所述的径向磁轴承的控制方法，其特征在于，所述轴承还包括定子支座，定子支座用于固定n个定子。

6.根据权利要求4所述的径向磁轴承的控制方法，其特征在于，定子支座采用不导磁的材料制成。

说明书

径向磁轴承的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种大气隙径向磁轴承，特别涉及一种分块定子的大气隙径向磁轴承，属于磁轴承技术领域。

背景技术

[0002] 大气隙径向磁轴承是值径向气隙宽度大于2毫米且小于10毫米的径向磁轴承。现有技术中的大气隙径向磁轴承的电枢齿均是绕转子的径向均匀分布，且电枢齿相互之间存在闭合磁路。由于径向磁轴承转子的外径较小，电枢齿较多时，各个电枢齿之间的间距较小，导致齿与齿之间的漏磁较大。

[0003] 而现有磁轴承防止冲击扰动的方法主要是机械保护轴承与弹性阻尼器相配合防止冲击扰动，该方法对转子和机械保护轴承的损害都比较大。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有大气隙径向磁悬浮轴承漏磁大及现有抑制磁轴承冲击扰动性能差的问题，本发明提供一种径向磁轴承的控制方法。

[0005] 本发明的径向磁轴承的控制方法，所述方法为采用粘弹性控制器的控制量对径向磁轴承进行控制；

[0006] 所述粘弹性控制器包括现有主动控制器与粘弹性控制律，所述粘弹性控制器的传递函数G(S)为：

[0007] G(S)＝Gc(S)+GVCL(S)；

[0008] 式中，Gc(S)是现有主动控制器的传递函数，GVCL(S)是粘弹性控制律的传递函数；

[0009] 所述粘弹性控制律的传递函数GVCL(S)为：

[0010]

[0011] 式中，Cj表示粘弹性控制律的阻尼系数，Kj表示粘弹性控制律的弹性系数，kj表示粘弹性控制律的扰动抑制系数，10≥kj>1，n表示粘弹性控制律的分支数量，且n≥1；

[0012] 所述粘弹性控制器输出的控制量u为：

[0013] u＝G(S)e＝Gc(S)e+GVCL(S)e

[0014] 式中，e是径向磁轴承的反馈误差信号，Gc(S)e是现有主动控制器输出的控制量，GVCL(S)e是粘弹性控制律输出的控制量。

[0015] 优选的是，所述现有主控制器采用PD控制器实现，PD控制器的传递函数为：

[0016] Gc(S)＝KP+KDS

[0017] 式中，KP是PD控制器的比例系数，KD是PD控制器的微分系数；

[0018] 粘弹性控制器的传递函数为：

[0019]

[0020] 粘弹性控制器输出的控制量u为：

[0021]

[0022] 优选的是，所述现有主动控制器采用PID控制器实现，现有PID控制器的传递函数为：

[0023]

[0024] 式中，KP是现有PID控制器的比例系数，KD是现有PID控制器的微分系数，KI是现有PID控制器的积分系数；

[0025] 粘弹性控制器的传递函数为：

[0026]

[0027] 所述粘弹性控制器输出的控制量u为：

[0028]

[0029] 优选的是，所述径向磁轴承为分块定子的大气隙径向磁轴承，所述分块定子的大气隙径向磁轴承包括n个定子和转子铁芯；n取大于或等于3的正整数；

[0030] n个定子沿圆周方向均匀分布在转子铁芯的周围，n个定子之间不构成闭合磁路；每个定子与转子铁芯之间存在径向气隙，且形成闭合磁路；

[0031] 所述定子包括定子铁芯和多个电枢齿；

[0032] 所述多个电枢齿沿轴向间隔固定在定子铁芯的内表面。

[0033] 优选的是，所述轴承还包括定子支座，定子支座用于固定n个定子。

[0034] 优选的是，定子支座采用不导磁的材料制成。

[0035] 本发明的有益效果在于，本发明的控制方法是在现有主动控制器的基础上，增加了粘弹性控制律产生的控制量，提升了大气隙磁轴承转子的稳定性以及抑制破坏力较大的冲击扰动的性能，同时也适用于常规气隙的磁轴承。本发明还提供了一种分块定子的大气隙径向磁轴承，将径向磁轴承定子剖分为多块相互独立的的定子，单块定子与转子铁芯构成闭合磁路，定子之间不构成闭合磁路，不存在磁耦合，减小了漏磁，且可在定子轴向增加电枢齿的数量，增加悬浮力；本发明适用于安装空间的外径受限，且轴向空间较大的应用环境。

附图说明

[0036] 图1为具体实施方式中径向磁轴承的控制方法的原理示意图。

[0037] 图2为四个定子的分块定子的大气隙径向磁悬浮轴承的结构示意图。

[0038] 图3为每个定子含有两个电枢齿的分块定子的大气隙径向磁悬浮轴承的剖面图。

[0039] 图4为每个定子含三个电枢齿的分块定子的大气隙径向磁悬浮轴承的剖面图。

[0040] 图5为三个定子的分块定子的大气隙径向磁悬浮轴承的结构示意图。

具体实施方式

[0041] 结合图1说明本实施方式的径向磁轴承的控制方法，本实施方式的控制方法为采用粘弹性控制器的控制量对径向磁轴承进行控制；

[0042] 所述粘弹性控制器包括现有主动控制器与粘弹性控制律，所述粘弹性控制器的传递函数G(S)为：

[0043] G(S)＝Gc(S)+GVCL(S)；

[0044] 式中，Gc(S)是现有主动控制器的传递函数，GVCL(S)是粘弹性控制律的传递函数；

[0045] 所述粘弹性控制律的传递函数GVCL(S)为：

[0046]

[0047] 式中，Cj表示粘弹性控制律的阻尼系数，Kj表示粘弹性控制律的弹性系数，kj表示粘弹性控制律的扰动抑制系数，10≥kj>1，n表示粘弹性控制律的分支数量，且n≥1；

[0048] 所述粘弹性控制器输出的控制量u为：

[0049] u＝G(S)e＝Gc(S)e+GVCL(S)e

[0050] 式中，e是径向磁轴承的反馈误差信号，Gc(S)e是现有主动控制器输出的控制量，GVCL(S)e是粘弹性控制律输出的控制量。

[0051] 本实施方式增加了粘弹性控制律产生的控制量，提升了大气隙磁轴承转子的稳定性以及抑制破坏力较大的冲击扰动的性能，采用本实施方式的主动粘弹性控制后，冲击扰动对转子和机械轴承的损害均会降低。

[0052] 优选实施例中，所述现有主控制器采用PD控制器实现，PD控制器的传递函数为：

[0053] Gc(S)＝KP+KDS

[0054] 式中，KP是PD控制器的比例系数，KD是PD控制器的微分系数；

[0055] 粘弹性控制器的传递函数为：

[0056]

[0057] 粘弹性控制器输出的控制量u为：

[0058]

[0059] 优选实施例中，所述现有主动控制器采用PID控制器实现，现有PID控制器的传递函数为：

[0060]

[0061] 式中，KP是现有PID控制器的比例系数，KD是现有PID控制器的微分系数，KI是现有PID控制器的积分系数；

[0062] 粘弹性控制器的传递函数为：

[0063]

[0064] 所述粘弹性控制器输出的控制量u为：

[0065]

[0066] 优选实施例中，本实施方式中径向磁轴承为分块定子的大气隙径向磁轴承，结合图2和图3说明本实施方式的分块定子的大气隙径向磁轴承，包括n个定子1和转子铁芯2；n取大于或等于3的正整数；

[0067] n个定子1沿圆周方向均匀分布在转子铁芯2的周围，n个定子1之间不构成闭合磁路；每个定子1与转子铁芯2之间存在径向气隙，且形成闭合磁路；

[0068] 所述定子1包括定子铁芯1-1和多个电枢齿1-2；

[0069] 所述多个电枢齿1-2沿轴向间隔固定在定子铁芯1-1的内表面。

[0070] 本实施方式中，本实施方式中电枢齿1-2上缠绕着径向力控制绕组，提供的偏置磁通、控制磁通。电枢齿1-2的作用是实现磁浮力，通过增加电枢齿的数量，增大悬浮力，实际应用中，可根据需要悬浮力的大小，设定电枢齿的数量。

[0071] 优选实施例中，所述轴承还包括定子支座3，定子支座3用于固定n个定子1。

[0072] 本实施方式的定子支座3采用不导磁的材料制成。

[0073] 本实施方式中定子铁芯1-1、电枢齿1-2、转子铁芯2均采用磁导率较高的材料制成。

[0074] 径向力控制绕组产生的偏置磁通、控制磁通，经过定子铁芯1-1与上端电枢齿1-2-1，再径向流经主动轴承的径向气隙，再轴向向下流经转子铁芯2，再径向流经主动轴承的径向气隙，再经过的下端电枢齿1-2-2与定子铁芯1-1形成回路。

[0075] 实施例1：如图1所示，本实施例中分块定子的大气隙径向磁轴承包括四个定子1和转子铁芯2；四个定子1沿圆周方向均匀分布在转子铁芯2的周围，四个定子1之间不构成闭合磁路；每个定子1与转子铁芯2之间存在径向气隙，且形成闭合磁路。

[0076] 如图2所示，本实施例中定子1包括轴向放置的两个电枢齿1-2和定子铁芯1-1，定子铁芯1-1和两个电枢齿1-2组成“弓形”结构。

[0077] 工作原理：径向力控制绕组产生的偏置磁通、控制磁通，经过定子铁芯1-1与上端电枢齿1-2-1，再径向流经主动轴承的径向气隙，再轴向向下流经转子铁芯2，再径向流经主动轴承的径向气隙，再经过的下端电枢齿1-2-2与定子铁芯1-1形成回路。

[0078] 当转子向一侧的电枢齿偏移时，一侧的电枢齿中控制绕组提供的偏置磁通、控制磁通进行矢量叠加后的总磁通量减少，对应另一侧的电枢齿中控制绕组提供的偏置磁通、控制磁通进行矢量叠加后的总磁通量增多，转子受到总磁通量较多一侧的电磁力的作用被吸引到平衡位置；

[0079] 采用本实施方式中的径向磁轴承的控制方法对实施例1的分块定子的大气隙径向磁轴承的转子进行控制，降低冲击扰动对转子和机械轴承的损害。

[0080] 实施例2：本实施例中分块定子的大气隙径向磁轴承包括四个定子1和转子铁芯2；四个定子1沿圆周方向均匀分布在转子铁芯2的周围，四个定子1之间不构成闭合磁路；每个定子1与转子铁芯2之间存在径向气隙，且形成闭合磁路。

[0081] 如图3所示，本实施例中定子1包括轴向放置的三个电枢齿1-2和定子铁芯1-1，定子铁芯1-1和三个电枢齿1-2组成“弓形”结构。

[0082] 工作原理：上端电枢齿1-2-1的径向力控制绕组产生的偏置磁通、控制磁通，经过定子铁芯1-1向下，再流向中端电枢齿1-2-3，再径向流经主动轴承的径向气隙，再轴向向上流经转子铁芯2，再径向流经主动轴承的径向气隙，再经过的上端电枢齿1-2-1与定子铁芯1-1形成回路。

[0083] 中端电枢齿1-2-3的径向力控制绕组产生的偏置磁通、控制磁通，经过定子铁芯1-1与中端电枢齿1-2-3，再径向流经主动轴承的径向气隙，再轴向向下流经转子铁芯2，再径向流经主动轴承的径向气隙，再经过的下端电枢齿1-2-2与定子铁芯1-1形成回路。

[0084] 当转子向一侧的电枢齿偏移时，一侧的电枢齿中控制绕组提供的偏置磁通、控制磁通进行矢量叠加后的总磁通量减少，对应另一侧的电枢齿中控制绕组提供的偏置磁通、控制磁通进行矢量叠加后的总磁通量增多，转子受到总磁通量较多一侧的电磁力的作用被吸引到平衡位置。

[0085] 采用本实施方式中的径向磁轴承的控制方法对实施例1的分块定子的大气隙径向磁轴承的转子进行控制，降低冲击扰动对转子和机械轴承的损害。

[0086] 实施例3：如图4所示，本实施例中分块定子的大气隙径向磁轴承包括三个定子1和转子铁芯2；三个定子1沿圆周方向均匀分布在转子铁芯2的周围，三个定子1之间不构成闭合磁路；每个定子1与转子铁芯2之间存在径向气隙，且形成闭合磁路。

[0087] 定子1的结构与实施例1相同。

[0088] 实施例4：如图4所示，本实施例中分块定子的大气隙径向磁轴承包括三个定子1和转子铁芯2；三个定子1沿圆周方向均匀分布在转子铁芯2的周围，三个定子1之间不构成闭合磁路；每个定子1与转子铁芯2之间存在径向气隙，且形成闭合磁路。

[0089] 定子1的结构与实施例2相同。

[0090] 采用本实施方式中的径向磁轴承的控制方法对实施例1的分块定子的大气隙径向磁轴承的转子进行控制，降低冲击扰动对转子和机械轴承的损害。