[發明專利]用于借助于主動磁軸承來補償轉子的低頻擾動力的方法、具有用于執行補償的補償控制電路的主動磁軸承以及磁軸承的使用

有效

• 申請號: 201480052671.0
• 申請日: 2014-07-07
• 公開（公告）號: CN105556145B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: N.瓦格納
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 李晨,宣力偉

本發明涉及一種用于補償在具有至少一個主動磁軸承的轉子（磁支撐轉子）中發生的低頻機械擾動振蕩的方法。此外，本發明涉及一種具有用于執行補償的補償控制回路的主動磁軸承。此外，指定了主動磁軸承的使用。

例如在渦輪壓縮機中使用主動磁軸承（AMB）。由于渦輪壓縮機的特殊特性和磁軸承的特殊特性，可能發生以下問題：根據渦輪壓縮機的空氣動力設計，在后者的指定操作范圍內，可由于空氣動力現象而在轉子上施加擾動力，導致不可接受的嚴重機械振蕩（具有高振蕩振幅的振蕩）。為了保護渦輪壓縮機免受損壞，渦輪壓縮機在有不可接受的嚴重機械振蕩的情況下被關斷。

與油潤滑軸承相比，磁軸承具有較低軸承硬度。相對低的軸承硬度有益于具有高振蕩振幅的機械振蕩的發生。這在具有低擾動頻率（激勵頻率）的擾動力的情況下特別適用。例如，已知流動現象“旋轉擴壓器失速”滿足上述條件，并且在具有磁軸承的渦輪壓縮機中，可以導致具有不允許的高振幅的機械振蕩。

本發明的目的是指示如何能夠抑制主動磁軸承中的不允許的高機械振蕩的發生。

為了達到該目的，本發明指定一種用于補償由于擾動力在轉子上的作用而在主動磁軸承的轉子中引起的至少一個低頻機械擾動振蕩的方法。該機械擾動振蕩具有小于100 Hz的擾動振蕩頻率。該方法包括以下方法步驟：

a）對導致擾動力分析結果的低頻機械擾動振蕩進行分析，

b）基于擾動力分析結果來確定補償力，以便在轉子中產生抵消機械擾動振蕩的機械補償力，以及

c）通過向轉子中引入補償力來在轉子中產生抵消機械擾動振蕩的機械補償振蕩，其中，方法步驟a）、b）和c）是借助于從磁軸承控制回路解耦以便控制主動磁軸承的主動磁軸承的至少一個補償控制回路而執行的

為了達到該目的，本發明還指定了一種主動磁軸承，其具有轉子、用于控制該主動磁軸承的至少一個磁軸承控制回路和用于補償至少一個低頻機械擾動振蕩的被從磁軸承控制回路解耦的至少一個補償控制回路。該機械擾動振蕩可以通過轉子上的擾動力的作用而在主動磁軸承的轉子中引起。在這里，機械擾動振蕩具有在轉子的旋轉頻率以下的擾動頻率。

借助于補償控制回路，減小了轉子（軸）中的擾動力所產生的機械擾動振蕩的振幅。在這里，可以部分地或實際上完全地消除機械擾動振蕩。

擾動頻率ω_x下的擾動振蕩的最大振幅A(ω_x)被減小至可允許限制值以下的值。

例如，擾動力是從外面作用的空氣動力擾動力。此類空氣動力擾動力在“強迫振蕩”的意義上是低頻外部擾動。空氣動力擾動力作用在轉子/軸承系統上并影響轉子中的機械擾動振蕩。為了補償此低頻擾動，提出了通過經由獨立于磁軸承控制回路的磁軸承的附加激活來向轉子施加補償力來抵消擾動力，具體地抵消擾動力并因此防止在轉子中發生更大的振蕩振幅。針對補償力的特定連接，使用適當的算法，其在量級、相角和頻率方面計算所述補償力，使得相關頻率范圍內的振蕩振幅被減小。

本發明的基本思想在于不使用磁軸承控制回路而是使用單獨補償控制回路以實現擾動振蕩的補償和阻尼。磁軸承控制回路和補償控制回路被相互解耦，即分離。作為此分離的結果，可以在沒有對磁軸承控制回路的特性產生不利影響的情況下減少擾動振蕩的補償的不利影響。

磁軸承控制回路和補償控制回路的分離或解耦意味著完全可以將磁軸承控制回路的現有元件、例如傳感器、放大器或致動器及其輸出變量用于補償控制回路。

磁軸承的特性在現有低頻擾動力的情況下對高（軸）振蕩的發生有決定性的貢獻。磁軸承的這些特性進而基本上由所使用的磁軸承控制回路的設計和硬件部件的動態特性確定。

在磁軸承控制回路的設計中，必須確保整個系統的總體可接受的性質。這就磁軸承的特性而言特別適用，特別是在范圍從約100 Hz至約1000 Hz的旋轉頻率內的磁軸承的軸承硬度，使得磁軸承控制回路的僅僅關于在從約1 Hz至約50 Hz的擾動頻率范圍內的最大軸承硬度的優化將是不方便的。

為了優化磁軸承控制回路的設計，常常使用所謂的濾波器模塊，目的是在相對窄的頻率范圍內提高或降低電控制回路信號的放大率。然而，由于作為在磁軸承控制回路中結合濾波器模塊的結果除信號的放大率或衰減之外還改變信號的相角，所以此類濾波器模塊僅僅關于實現整個系統的總體可接受性質而具有有限的可能用途。通過使用本發明，可以至少在一定程度上省去用于磁軸承控制回路的濾波器模塊的使用，以便優化磁軸承控制回路的設計。