文档介绍：由主动磁悬浮转子轴承系统中的铁损耗导致的不稳定性

高桥直彦
广岛实
三浦治雄
福岛康雄
日本茨城土浦市神立路 603 号日立工业有限公司,邮编:300-0013

摘要
虽然有很多论文论述了由于主动磁悬浮转子轴承(AMB)系统的控制器设计不
适当而引起的不稳定性,但很少有人了解铁损耗会影响它们的控制稳定性。由于
当速度固定时旋转坐标下的不平衡力矢量会保持其量值和相位,所以补偿不平衡
的力扰动的磁力也会在速度固定时保持不变。根据这一事实,转子的不均匀铁损
耗分布就会持续产生,从而导致热弯曲。本论文报告了热诱导不稳定振动并探讨
了产生这一现象的机制,我们发现这种不稳定性是由于不平衡的控制和铁损耗之
间的相互作用而引起的。我们引入了含有热动力的模型并推导出了不稳定性条件。
最后,我们探讨了如何防止这种热不稳定性。

关键词:不稳定振动、铁损耗、不平衡振动控制、热弯曲、主动磁悬浮轴承

简介
在最近几年里,我们通过增加涡轮的旋转速度开展了减小工业涡轮机尺寸或
改善工业涡轮机功效的研发,例如离心式压缩机。我们可以通过主动磁悬浮转子
轴承系统(AMB)增加旋转速度,使之超过几种不同的临界速度,因为磁悬浮轴承
可以通过改变轴承系数使不平衡振动降到最小。由于这一优势,高速涡轮机的 AMB
系统一直受到人们的青睐。
为了研究高速离心式压缩机,我们曾进行过旨在使用由磁悬浮轴承支撑的测
试装置以灵活的模式超越几种临界速度的测试。在进行这一试验时,我们观察到
振动明显增加了,我们认为这是与旋转速度同步的不均匀铁损耗分布所导致的转
子热变形引起的。考虑到由转子的热变形引起的振动,我们了解了由固定件和旋
转件之间的接触、油轴承的不均匀油膜温度等因素导致的振动[1][2]。
本论文报告了我们所经历的明显的振动增加,并阐明了振动的增加是由于铁
损耗和不平衡控制之间的相互作用而引起的。另外,我们引入了含有热动力的传
递函数模型并推导出了不稳定条件。最后,我们探讨了如何防止由热变形引起的
振动。

转子 AMB 系统的螺旋振动
试验装置
我们先来解释一下用于观察由热变形引起的转子振动增加的试验装置。图 1
显示了使用模拟盘的磁悬浮轴承试验装置,这种模拟盘代替了多级离心式压缩机
的涡轮。转子的重量为 621 公斤,轴承跨距为米,径向轴承的类型为异极型。
这些轴承的内径为 147 毫米,长度为 150 毫米,最大的额定载荷为 10,000 牛顿。
轴向轴承的圆盘直径为 320 毫米,它的最大额定载荷为 20,000 牛顿。功率放大器
的类型为 A 类,轴承缝隙的偏流磁通量密度约为特斯拉。
图 2 显示了AMB系统的配置。在这一系统中,我们根据控制定律对转子的径向
位移信号x1 和x2 进行运算处理。功率放大器对控制指令做出反应并驱动电磁铁。
F(s)是一个跟踪滤波器,用于提取与旋转速度同步的第一个前向分量。P(s)和T(s)
分别为平行模式下的悬浮控制块和锥形模式下的悬浮控制块,G1和G2是用于不平衡
振动控制的控制增益块,Ua、Va、Ub、和Vb是根据振动型的差异独立控制每个振动
模式的转换矩阵。
图 3 显示了G1(或G2)的