[發明專利]一種適用于立式電磁軸承轉子跌落恢復的控制方法

有效

• 申請號: 201811067431.4
• 申請日: 2018-09-13
• 公開（公告）號: CN109139691B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 趙宇蘭;車東光;楊其國;石玉文;董愛華
• 申請（專利權）人: 哈爾濱電氣股份有限公司
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 李曉敏

1.一種適用于立式電磁軸承轉子跌落恢復的控制方法，其特征在于，它包括以下步驟：

步驟一、傳感器實時將信號傳輸給控制器(12)；

步驟二、控制器(12)將信號進行處理，并與上位機實時進行數據信息交流傳輸；

步驟三、控制器(12)通過控制算法生成不同的控制信號并輸出；所述控制器(12)根據電磁軸承懸浮指令與反饋的轉子(1)位移信號求解懸浮力，計算電磁軸承的線圈電流指令，并比較電磁軸承的線圈電流指令與反饋線圈電流，通過控制算法輸出電磁軸承線圈電流控制量；

所述控制算法為PID控制算法，所述PID控制算法中，轉子(1)采用剛體模型，電磁軸承為線性模型f_m＝K_i*i_c+k_s*s，

其中，f_m為輸入電流函數，K_i為電流剛度，i_c為控制電流，k_s為某一方向位移剛度，s為某一方向的位移；

所述PID控制算法包括電磁力計算模塊、轉子動力學分析計算模塊和跌落碰摩計算模塊，所述電磁力計算模塊、跌落碰摩計算模塊和轉子動力學分析計算模塊的計算方式分別為：

1)電磁力計算模塊

基于公式：

其中，K_s為位移剛度，K_i為電流剛度；x_a、y_a、x_b、y_b、z為位移傳感器X、Y、Z方向的轉子(1)徑向與軸向位移信號，分別表示轉子(1)上、下兩位移傳感器界面的轉子(1)徑向位移與轉子(1)軸向位移，通過坐標變換矩陣，最終可表示為轉子(1)五個方向的自由度；i_xa、i_ya、i_xb、i_yb、i_z分別表示對應轉子(1)五個自由度的五路電磁軸承線圈控制電流信號，F_xa、F_ya、F_xb、F_yb、F_z分別表示相對應的電磁力；

2)轉子動力學分析計算模塊

在豎直轉子動力學計算模塊中加入碰撞力計算模塊：

其中，x、y、z分別表示轉子(1)質心X、Y、Z方向位移，θ_x與θ_y表示轉子(1)質心繞X與Y方向旋轉角度；與表示轉子(1)質心繞X與Y方向旋轉角速度，與表示轉子(1)質心繞X與Y方向旋轉角加速度；mg為轉子(1)重力，I_T為轉子(1)極轉動慣量，F_m表示電磁力，F_c表示碰撞力，f表示轉子(1)所受離心力，下標x、y、z分別表示X、Y、Z方向，下標a與b分別表示轉子(1)上、下兩端，s_a、s_b分別表示上、下電磁軸承與轉子(1)質心的距離，l_a、l_b分別表示上、下輔助軸承與質心的距離，I_P是轉子圍繞轉子自身轉動軸的轉動慣量，是轉子圍繞自身轉動軸的轉動角速度；

3)跌落碰撞計算模塊

對于立式電磁軸承：

轉子(1)與輔助軸承的徑向碰撞屬于線撞類型，軸向碰撞屬于面碰撞類型，滾動摩擦發生于轉子(1)與輔助軸承內圈的切向速度在數值上完全相等之時；

基于赫茲接觸公式：

其中，F為碰撞力，δ為碰撞嵌入深度，為δ為對時間的一次微分量，K為接觸剛度，C為碰撞阻尼，e為碰撞接觸系數，其數值依據碰撞類型進行選取，對于點接觸碰撞，e＝3/2；對于線接觸碰撞，e＝10/9；對于面接觸碰撞，e＝1；根據以上計算得到各類型碰撞力；

軸向摩擦力矩：

其中，T_z為軸向摩擦力矩，μ_z為軸向碰撞面摩擦系數，F_c,z為軸向碰撞力，R_b1、R_b2分別表示輔助軸承內外圈半徑；

步驟四、所述不同的控制信號分別經過功率放大器(11)生成電磁軸承中線圈所需的控制電流，所述控制電流傳輸至電磁軸承；所述電磁軸承包括軸向電磁軸承(2)、上徑向電磁軸承(3)和下徑向電磁軸承(4)；所述電磁軸承控制轉子(1)五個方向的自由度；所述軸向電磁軸承(2)控制轉子(1)軸向自由度，即Z方向的位移，轉子(1)軸向旋轉由電機(7)控制；X、Y、Z上徑向電磁軸承(3)和下徑向電磁軸承(4)控制轉子(1)徑向自由度，即X、Y方向平移與旋轉；

步驟五、所述電磁軸承根據不同的控制電流輸出相對應的電磁力，進而控制轉子(1)位置。