[發明專利]大阻尼磁懸浮高速旋轉系統裝置

有效

• 申請號: 200710130913.5
• 申請日: 2007-08-23
• 公開（公告）號: CN101169159A
• 公開（公告）日: 2008-04-30
• 發明（設計）人: 謝振宇;徐龍祥;黃佩珍
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04;H02N15/00
• 代理公司: 南京蘇高專利事務所
• 代理人: 闕如生

技術領域

本發明的大阻尼磁懸浮高速旋轉系統裝置，屬于磁懸浮技術領域。

背景技術

和傳統軸承相比，磁懸浮軸承與轉子無接觸，支承功耗小，使用壽命長；不需要潤滑和密封，可長期用于高低溫等特殊環境中；維護費用低、便于主動控制等等，因而被認為是支承技術的一次革命，是目前唯一投入實用的主動支承裝置。磁懸浮軸承主要用于剛性轉子系統，由于旋轉機械轉子高速、重載、細長發展的要求，現正逐步擴展到柔性轉子系統。

但是，國內外相關研究結果表明，將磁懸浮軸承運用于柔性轉子系統存在著較大的困難。主要原因是磁懸浮軸承的等效剛度及等效阻尼受控制參數穩定區域的限制，一般比動壓滑動軸承小2～3個數量級。在系統接近或越過彎曲臨界轉速時，因阻尼過小，轉子振幅過大，容易導致系統破壞。因此，針對柔性轉子系統的研究一直是該技術領域的熱點和難點。為了減小磁懸浮軸承轉子系統的振動，國內外許多文獻從兩方面進行了研究。一是采取同步振動抑制技術，二是運用現代控制理論或魯棒控制理論設計控制方案以提高支承阻尼。

但是，同步振動抑制技術難以解決實際柔性轉子系統的不平衡振動問題。這是由于轉子在亞臨界及超臨界狀態將產生彎曲變形，不平衡質量所引起的振動與轉子彎曲變形狀態有關，遠比剛性轉子系統復雜，因而目前同步振動抑制技術主要針對剛性轉子系統。

國內外一些研究結果表明，采用現代控制理論或魯棒控制理論設計合適的控制方案可以改善系統的動態性能，但目前尚不能做到大幅度提高系統在亞臨界及超臨界運行時的支承阻尼，而且研究對象多為實驗系統，實際應用不多。2000年軸承制造著名企業日本“光洋株式會社”研發中心研究人員Hirochika?Ueyama在瑞士舉辦的第7屆磁懸浮軸承國際會議上發文認為，“盡管一些公開文獻表明，采用現代控制理論(LQG、H_∞、μ理論等)能夠解決這個問題，但這仍然是一個具有挑戰性問題。為了避免這個問題，相關實際應用項目采用剛性轉子結構”(Hirochika?Ueyama，Helium?Cold?Compressor?with?Active?Magnetic?Bearings，Proc.of?the?7^th?Int.Symp.on?Magnetic?Bearings，Zurich，Switzerland，August?2000，1～6)。

發明內容

本發明的目的，在于將磁懸浮軸承運用于柔性轉子系統，即提供一種振動幅度小、穩定性強的大阻尼磁懸浮高速旋轉系統裝置。

這種大阻尼磁懸浮高速旋轉系統裝置，包括轉子組件、兩個徑向磁懸浮軸承組件、一個推力軸承組件和驅動電機，其特征在于：還包括只對轉子組件具有支承阻尼而無支承剛度的輔助磁懸浮支承組件。

一般磁懸浮軸承轉子系統主要由轉子組件、兩個徑向磁懸浮軸承組件、一個推力軸承組件和驅動電機組成。在合適控制參數作用下，磁軸承對轉子產生支承剛度與支承阻尼，決定了整個系統的動態性能。由于控制參數穩定區域有限，支承阻尼的選擇受到限制。

本發明裝置在一般磁懸浮軸承轉子系統的基礎上增加了輔助磁懸浮支承組件。通過增加該組件，提高系統的支承阻尼，降低轉子的振幅，提高系統的穩定性。和一般徑向磁懸浮軸承組件不同的是，輔助磁懸浮支承組件對轉子不提供支承剛度，僅提供可控附加阻尼，以避免對低轉速下轉子的剛體模態振動產生超靜定約束，為此設計了相應的控制器電路。

在由傳統軸承(滾動軸承、滑動軸承)支承的轉子系統中，有一些實際應用采用了多點支承方式，但各點支承均對轉子產生支承剛度與支承阻尼。為了減小支承對轉子的超靜定約束，通常采用提高加工精度或調整軸承中心高來實現。傳統軸承與轉子有接觸，摩擦阻力大；另外這種避免多點支承產生超靜定約束的方法使得機械結構復雜，調整效果不理想，影響軸承的使用壽命和系統性能。

在前述中提到，國內外對于磁懸浮柔性轉子系統，一是采取同步振動抑制技術，二是運用現代控制理論或魯棒控制理論設計控制方案以提高支承阻尼。由于轉子在亞臨界及超臨界狀態將產生彎曲變形，不平衡質量所引起的振動與轉子彎曲變形狀態有關，遠比剛性轉子系統復雜，因而目前同步振動抑制技術主要針對剛性轉子系統。運用現代控制理論或魯棒控制理論設計合適的控制方案可以改善系統的動態性能，但由于控制參數穩定區域仍然有限，目前尚不能做到大幅度提高系統在亞臨界及超臨界運行時的支承阻尼。