主动磁悬浮轴承监控系统设计及验证

任正义， 李乃安

（1.哈尔滨工程大学工程训练国家级实验教学示范中心，哈尔滨 150001；2.哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司，哈尔滨150060）

主动磁悬浮轴承监控系统设计及验证

任正义1， 李乃安2

（1.哈尔滨工程大学工程训练国家级实验教学示范中心，哈尔滨 150001；2.哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司，哈尔滨150060）

文中以10kW·h飞轮储能系统的主动磁悬浮轴承为研究对象，设计了主动磁悬浮轴承转子运动监控系统，实现了对轴承转子运动的实时监控，转子的转速、位移、轴心轨迹等数据的采集与保存。监控系统可以有效地观察转子振动，准确分析转子在不同转速时转子振动特性，防止因为振幅过大而引起转子碰撞轴承。

主动磁悬浮轴承；LabVIEW；转子振动

0 引 言

主动磁悬浮轴承是磁轴承的一种，是综合了机械设计、转子动力学、电磁设计、复合材料、控制工程的机电一体化产品[1-2]。与普通接触式轴承相比，其具有转速高、寿命长、耐磨损和无需润滑的优点，被称为未来最有潜力的轴承。

如图1为10 kW·h飞轮储能系统实物图，该系统可避免风阻对能量的损耗。主动磁悬浮轴承必须工作在真空密闭空间内，这导致实验人员无法直接观察转子的运动

姿态。此外10 kW·h飞轮储能系统的转子重量为650 kg，最高转速高达16 000 r/min，所以从安全角度出发，远程监控系统是非常必要的。监控系统不仅要求可以远程实时准确检测转子振动信息，而且在必要时紧急关断电机驱动器。

1 单自由度数学模型

图1 10kW·h飞轮储能系统实物

主动磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮在磁场中，使轴承定子和转子之间无任何直接的物理接触。主动磁悬浮轴承控制系统主要包括控制器、功率放大器、位移传感器、轴承的定子和转子，如图2所示[3]。由图2可知，控制器输出的矫正信号经过功率放大器变成电流，以差动方式驱动电磁铁产生电磁吸力，强迫转子恢复到稳态位置。

当外界干扰使转子产生向下的偏移量y时，这时转子与上电磁铁之间的气隙为y0+y，与下电磁铁之间的气隙为y0-y。为了抵消外部干扰，控制器输出的矫正信号经过功率放大器产生流过上电磁铁的电流i0+iy，下电磁铁线圈的电流i0-iy。

则上磁极产生的电磁力为

下磁极产生的电磁力为

式中：μ0为真空磁导率；N为单个磁极线圈总匝数；A0为磁极横截面积；α为磁极间夹角，α=22.5°；y0为磁轴承的径向气隙；y为转子偏离平衡位置距离；i0为轴向偏磁电流；iy为轴向控制电流。

得到y方向的电磁合力

相对应偏磁电流而言，控制电流要小的多，即i>>iy。当iy、y在（i0、y0）很小的邻域内变化时，其非线性项可以忽略不计，即

式中：ky为位移刚度系数，前面的负号表明位移与力的变化相反，即位移减小力必然增大；ki为电流刚度系数，它反映主动磁悬浮轴承电流变化与电磁力之间的关系[4-5]。

图2 单自由度自主动磁悬浮轴承控制系统

2 系统的设计

整个监控系统由电涡流位移传感器、激光位移传感器、PXI机箱、PXI-3980、PXI-2020数据采集卡、PC 机和测试软件组成，如图3所示。

2.1 PIX硬件平台搭建

PXI主机型号选择PXI-3980，其兼容PXI-硬件规范Rev.2.2，最大吞吐量 132 MB/s，两个2kM以太网端口，外观如图4所示。PXI-3980具体信息见表1。

图3 监控系统构架

图4 PXI-3980

表1 PXI-3980信息

转速监控实现的途径是在轴向一端加装一个带有凹槽的圆盘，通过激光位移传感器检测转动的圆盘，传感器产生方波，通过测量方波的频率可以间接测量出转子转动的频率，如图5所示。

图5 转速测试原理示意图

激光位移器选择德国SICK公司的OD2激光位移传感器，如图6所示，响应时间为1 ms，测量频率最高可达2 kHz，最高测量转速可达10 000 r/min。

图6 激光位移传感器

表2 电涡流位移传感器信息

图7 电涡流位移传感器标定曲线

电涡流位移传感器的具体信息见表2。实际标定曲线如图7所示。

2.2 LabVIEW程序设计

该系统应用程序设计是利用LabVIEW进行编写，LabVIEW编程类似于C语言，但是C语言采用的都是文本编辑模式，而LabVIEW编程采用的是图形，产生的程序是具有标志性的框图[5]。本监控系统的LabVIEW程序，包括数据信号的采集、滤波处理、数据分析、数据保存和显示面板的设计。

电压信号从控制箱引出，收到共地、噪声、电磁等干扰，为了得到理想的电压、电流信号，需在LabVIEW程序中添加滤波环节，经过滤波后的信号会得到清晰显示特性的曲线,如图8所示。这里滤波器类型的选择低通滤波，阶数设置为2阶，采样频率设置为3000 Hz，低通截止频率设置为100 Hz。需要注意的是低通截止频率不能设置太低，否则会与转子同频转动混淆，将有用的波形滤掉，造成失真。

图8 滤波器滤波前与滤波后对比

本系统的设计的主要目的之一就是分析转子的运动状态，所以对数据分析模块的编程是最重要的模块。如果该部分设计合理，我们就不仅可以观察到转子振动的强弱，还可以直观地观察转子运动状态，具体程序框图如图9所示。

图9 部分数据分析模块程序设计图

数据保存是通过建立写入文件量来实现数据保存的，在程序框图中先通过DAQ助手采集信号，经过滤波处理等运算，将信号引入写入文件[7]。

3 实验验证

实验是为验证飞轮储能系统在运转过程中，监控系统对轴承转子的监控能力。分别选择观察转速2020 r/min和5320 r/min时，轴承转子的振动。10 kW·h飞轮储能系统采用立式主动磁悬浮轴承结构，相对于径向，在轴向上振动较小，因此重点研究轴承转子径向运动姿态。

如图10所示，转子在2020 r/min时转子振动曲线，通过观察发现，轴承转子在x方向幅值要大于y方向的幅值，说明y方向振动更为剧烈。

图10 轴承转子径向2020 r/m向in时振动位移曲线

如图11，观察转子2020 r/min时的轴心轨迹，轴心轨迹出现长短轴不相等的椭圆，出现这种情况的原因可能是由于转子在2020 r/min时固有频率对其产生影响，造成了转子的不稳定振动。但是通过观察转子的轴心轨迹发现转子轴心轨迹重复性良好，所以转子在2020 r/min时虽然产生不稳定振动，但是还是可以作稳定的涡动运动，控制状态良好。

图11 2020 r/min轴心轨迹图

如图12、图13所示，转子转速上升到5320 r/min时，与2020 r/min比较，转子的振动幅度明显小于2020 r/min时。如图可以看出x、y方向上下主动磁悬浮轴承转子振动位移波形对应相似。与2020 r/min时的运动轨迹相比，此时运动轨迹的幅值要更小一些，运动更加平稳，这是因为随着转速增加，转子的陀螺效应增强，转子自动定心作用使得转子运转更加稳定。

图12 轴承转子径向5320 r/min时振动位移曲线

图13 5320 r/min轴心轨迹图

通过观察2020 r/min和5320 r/min时的振动位移曲线和轴心轨迹可以发现，上轴承的振动幅值始终要小于下轴承的振动。因此可以判断转子一直是在做锥动，而推力盘的安装位置更加靠近轴的上端的原因。

4 结论

本文设计了适用于10 kW·h飞轮储能系统中主动磁悬浮轴承转子的监控系统，实验结果验证监控系统可以实现远程实时监控转子的运动状态，准确显示转子运动的位移曲线。通过保存的数据为后续研究转子动力学提供了数据支持。

[1] 蒋启龙,连级三.电磁轴承及其应用研究综述[J].重庆大学学报(自然科学版),2004(7):146-151.

[2] 李乃安,陈宁,任正义,等.适应于飞轮储能系统的主动磁悬浮轴承专家控制方法研究[J].机械工程师,2016(12):30-41.

[3] 刘静娜.飞轮储能系统磁悬浮轴承-转子动力学特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2014.

[4] BAUOMY H S.Stability Analysis of a Rotor-AMB System with Time Varying Stiffness[J].Journal of the Franklin In-stitute,2012,9(5):87-90.

[5] 雷振山.LABVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用[M].北京:中国铁道出版社,2012:78-86.

[6] REN Zhengyi,LIU Jingna,LI Qingfen,et al.Finite Element Analysis of Composite Flywheel with Two-layer Pre-stressed RotorStructure[J].KeyEngineeringMaterials,2012(488/489):134-137.

[7] 曲庆军,尹力明,龙志强,等.基于Labview的磁悬浮天平的计算机监控和检测系统[J].仪器仪表与分析监测,1998(3):17-19.

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

国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2013AA050802）

（编辑立 明）

任正义（1962—），男，教授，博士生导师，研究方向为机械惯性储能技术；

李乃安（1990—），男，硕士研究生，研究方向为惯性储能装置。

任正义,renzhengyi@hrbeu.edu.cn。

2017-04-17