主動(dòng)磁懸浮軸承監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

任正義， 李乃安

（1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，哈爾濱 150001；2.哈電集團(tuán)哈爾濱電站閥門有限公司，哈爾濱150060）

主動(dòng)磁懸浮軸承監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

任正義1， 李乃安2

（1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，哈爾濱 150001；2.哈電集團(tuán)哈爾濱電站閥門有限公司，哈爾濱150060）

文中以10kW·h飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的主動(dòng)磁懸浮軸承為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了主動(dòng)磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、位移、軸心軌跡等數(shù)據(jù)的采集與保存。監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地觀察轉(zhuǎn)子振動(dòng)，準(zhǔn)確分析轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性，防止因?yàn)檎穹^大而引起轉(zhuǎn)子碰撞軸承。

主動(dòng)磁懸浮軸承；LabVIEW；轉(zhuǎn)子振動(dòng)

0 引 言

主動(dòng)磁懸浮軸承是磁軸承的一種，是綜合了機(jī)械設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、電磁設(shè)計(jì)、復(fù)合材料、控制工程的機(jī)電一體化產(chǎn)品[1-2]。與普通接觸式軸承相比，其具有轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)、耐磨損和無需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，被稱為未來最有潛力的軸承。

如圖1為10 kW·h飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)物圖，該系統(tǒng)可避免風(fēng)阻對(duì)能量的損耗。主動(dòng)磁懸浮軸承必須工作在真空密閉空間內(nèi)，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)人員無法直接觀察轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)

姿態(tài)。此外10 kW·h飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子重量為650 kg，最高轉(zhuǎn)速高達(dá)16 000 r/min，所以從安全角度出發(fā)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。監(jiān)控系統(tǒng)不僅要求可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息，而且在必要時(shí)緊急關(guān)斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

1 單自由度數(shù)學(xué)模型

圖1 10kW·h飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)物

主動(dòng)磁懸浮軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子懸浮在磁場(chǎng)中，使軸承定子和轉(zhuǎn)子之間無任何直接的物理接觸。主動(dòng)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)主要包括控制器、功率放大器、位移傳感器、軸承的定子和轉(zhuǎn)子，如圖2所示[3]。由圖2可知，控制器輸出的矯正信號(hào)經(jīng)過功率放大器變成電流，以差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生電磁吸力，強(qiáng)迫轉(zhuǎn)子恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)位置。

當(dāng)外界干擾使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向下的偏移量y時(shí)，這時(shí)轉(zhuǎn)子與上電磁鐵之間的氣隙為y0+y，與下電磁鐵之間的氣隙為y0-y。為了抵消外部干擾，控制器輸出的矯正信號(hào)經(jīng)過功率放大器產(chǎn)生流過上電磁鐵的電流i0+iy，下電磁鐵線圈的電流i0-iy。

則上磁極產(chǎn)生的電磁力為

下磁極產(chǎn)生的電磁力為

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；N為單個(gè)磁極線圈總匝數(shù)；A0為磁極橫截面積；α為磁極間夾角，α=22.5°；y0為磁軸承的徑向氣隙；y為轉(zhuǎn)子偏離平衡位置距離；i0為軸向偏磁電流；iy為軸向控制電流。

得到y(tǒng)方向的電磁合力

相對(duì)應(yīng)偏磁電流而言，控制電流要小的多，即i>>iy。當(dāng)iy、y在（i0、y0）很小的鄰域內(nèi)變化時(shí)，其非線性項(xiàng)可以忽略不計(jì)，即

式中：ky為位移剛度系數(shù)，前面的負(fù)號(hào)表明位移與力的變化相反，即位移減小力必然增大；ki為電流剛度系數(shù)，它反映主動(dòng)磁懸浮軸承電流變化與電磁力之間的關(guān)系[4-5]。

圖2 單自由度自主動(dòng)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由電渦流位移傳感器、激光位移傳感器、PXI機(jī)箱、PXI-3980、PXI-2020數(shù)據(jù)采集卡、PC 機(jī)和測(cè)試軟件組成，如圖3所示。

2.1 PIX硬件平臺(tái)搭建

PXI主機(jī)型號(hào)選擇PXI-3980，其兼容PXI-硬件規(guī)范Rev.2.2，最大吞吐量 132 MB/s，兩個(gè)2kM以太網(wǎng)端口，外觀如圖4所示。PXI-3980具體信息見表1。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

圖4 PXI-3980

表1 PXI-3980信息

轉(zhuǎn)速監(jiān)控實(shí)現(xiàn)的途徑是在軸向一端加裝一個(gè)帶有凹槽的圓盤，通過激光位移傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤，傳感器產(chǎn)生方波，通過測(cè)量方波的頻率可以間接測(cè)量出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速測(cè)試原理示意圖

激光位移器選擇德國SICK公司的OD2激光位移傳感器，如圖6所示，響應(yīng)時(shí)間為1 ms，測(cè)量頻率最高可達(dá)2 kHz，最高測(cè)量轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000 r/min。

圖6 激光位移傳感器

表2 電渦流位移傳感器信息

圖7 電渦流位移傳感器標(biāo)定曲線

電渦流位移傳感器的具體信息見表2。實(shí)際標(biāo)定曲線如圖7所示。

2.2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是利用LabVIEW進(jìn)行編寫，LabVIEW編程類似于C語言，但是C語言采用的都是文本編輯模式，而LabVIEW編程采用的是圖形，產(chǎn)生的程序是具有標(biāo)志性的框圖[5]。本監(jiān)控系統(tǒng)的LabVIEW程序，包括數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、濾波處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存和顯示面板的設(shè)計(jì)。

電壓信號(hào)從控制箱引出，收到共地、噪聲、電磁等干擾，為了得到理想的電壓、電流信號(hào)，需在LabVIEW程序中添加濾波環(huán)節(jié)，經(jīng)過濾波后的信號(hào)會(huì)得到清晰顯示特性的曲線,如圖8所示。這里濾波器類型的選擇低通濾波，階數(shù)設(shè)置為2階，采樣頻率設(shè)置為3000 Hz，低通截止頻率設(shè)置為100 Hz。需要注意的是低通截止頻率不能設(shè)置太低，否則會(huì)與轉(zhuǎn)子同頻轉(zhuǎn)動(dòng)混淆，將有用的波形濾掉，造成失真。

圖8 濾波器濾波前與濾波后對(duì)比

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的主要目的之一就是分析轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以對(duì)數(shù)據(jù)分析模塊的編程是最重要的模塊。如果該部分設(shè)計(jì)合理，我們就不僅可以觀察到轉(zhuǎn)子振動(dòng)的強(qiáng)弱，還可以直觀地觀察轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具體程序框圖如圖9所示。

圖9 部分?jǐn)?shù)據(jù)分析模塊程序設(shè)計(jì)圖

數(shù)據(jù)保存是通過建立寫入文件量來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存的，在程序框圖中先通過DAQ助手采集信號(hào)，經(jīng)過濾波處理等運(yùn)算，將信號(hào)引入寫入文件[7]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)是為驗(yàn)證飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)軸承轉(zhuǎn)子的監(jiān)控能力。分別選擇觀察轉(zhuǎn)速2020 r/min和5320 r/min時(shí)，軸承轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。10 kW·h飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用立式主動(dòng)磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，相對(duì)于徑向，在軸向上振動(dòng)較小，因此重點(diǎn)研究軸承轉(zhuǎn)子徑向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

如圖10所示，轉(zhuǎn)子在2020 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)曲線，通過觀察發(fā)現(xiàn)，軸承轉(zhuǎn)子在x方向幅值要大于y方向的幅值，說明y方向振動(dòng)更為劇烈。

圖10 軸承轉(zhuǎn)子徑向2020 r/m向in時(shí)振動(dòng)位移曲線

如圖11，觀察轉(zhuǎn)子2020 r/min時(shí)的軸心軌跡，軸心軌跡出現(xiàn)長(zhǎng)短軸不相等的橢圓，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于轉(zhuǎn)子在2020 r/min時(shí)固有頻率對(duì)其產(chǎn)生影響，造成了轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定振動(dòng)。但是通過觀察轉(zhuǎn)子的軸心軌跡發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸心軌跡重復(fù)性良好，所以轉(zhuǎn)子在2020 r/min時(shí)雖然產(chǎn)生不穩(wěn)定振動(dòng)，但是還是可以作穩(wěn)定的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，控制狀態(tài)良好。

圖11 2020 r/min軸心軌跡圖

如圖12、圖13所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到5320 r/min時(shí)，與2020 r/min比較，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅度明顯小于2020 r/min時(shí)。如圖可以看出x、y方向上下主動(dòng)磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移波形對(duì)應(yīng)相似。與2020 r/min時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡相比，此時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的幅值要更小一些，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)增強(qiáng)，轉(zhuǎn)子自動(dòng)定心作用使得轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定。

圖12 軸承轉(zhuǎn)子徑向5320 r/min時(shí)振動(dòng)位移曲線

圖13 5320 r/min軸心軌跡圖

通過觀察2020 r/min和5320 r/min時(shí)的振動(dòng)位移曲線和軸心軌跡可以發(fā)現(xiàn)，上軸承的振動(dòng)幅值始終要小于下軸承的振動(dòng)。因此可以判斷轉(zhuǎn)子一直是在做錐動(dòng)，而推力盤的安裝位置更加靠近軸的上端的原因。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了適用于10 kW·h飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中主動(dòng)磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，準(zhǔn)確顯示轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的位移曲線。通過保存的數(shù)據(jù)為后續(xù)研究轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)提供了數(shù)據(jù)支持。

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Design and Verification of Monitoring System for Active Magnetic Bearings

REN Zhengyi1,LI Naian2
（1.National Experimental TeachingDemonstration Center,Harbin EngineeringUniversity,Harbin 150001,China;2.Harbin Power Plant Valve Co.,Ltd.,Harbin Electric Corporation,Harbin 150060,China）

In this paper,the active magnetic bearings of 10kW·h flywheel energy storage system is studied,and the active magnetic bearing monitoring system is designed.The monitoring system collects and stores the data of the rotor's displacement,amplitude frequency characteristics and axis orbit,in order to provide the data of experiment for the further study of the active magnetic bearing rotor.In addition,the monitoring system can effectively observe the rotor vibration,and accurately analyze the vibration characteristics of the rotor in the speed,prevent the rotor from colliding bearings.

active magnetic bearings;LabVIEW;rotor vibration

TH 133.7

A

1002－2333（2018）01－0011－04

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013AA050802）

（編輯立 明）

任正義（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械慣性儲(chǔ)能技術(shù)；

李乃安（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)閼T性儲(chǔ)能裝置。

任正義,renzhengyi@hrbeu.edu.cn。

2017-04-17