用于借助于主动磁轴承来补偿转子的低频扰动力的方法、具有用于执行补偿的补偿控制电路的主动磁轴承以及磁轴承的使用

摘要

本发明涉及一种用于补偿由于扰动力在转子上的作用而在主动磁轴承的转子中引起的至少一个低频机械扰动振荡的方法。该机械扰动振荡具有在转子的旋转频率以下的扰动振荡频率。该方法包括以下步骤：a）分析低频机械扰动振荡，b）确定用于在转子中产生抵消机械扰动振荡的机械补偿力的补偿力，以及c）向转子施加补偿力，其中，借助于被从磁轴承控制电路解耦的主动磁轴承的至少一个补偿控制电路来执行步骤a）、b）和c）。

说明书

本发明涉及一种用于补偿在具有至少一个主动磁轴承的转子（磁支撑转子）中发生的低频机械扰动振荡的方法。此外，本发明涉及一种具有用于执行补偿的补偿控制回路的主动磁轴承。此外，指定了主动磁轴承的使用。

例如在涡轮压缩机中使用主动磁轴承（AMB）。由于涡轮压缩机的特殊特性和磁轴承的特殊特性，可能发生以下问题：根据涡轮压缩机的空气动力设计，在后者的指定操作范围内，可由于空气动力现象而在转子上施加扰动力，导致不可接受的严重机械振荡（具有高振荡振幅的振荡）。为了保护涡轮压缩机免受损坏，涡轮压缩机在有不可接受的严重机械振荡的情况下被关断。

与油润滑轴承相比，磁轴承具有较低轴承硬度。相对低的轴承硬度有益于具有高振荡振幅的机械振荡的发生。这在具有低扰动频率（激励频率）的扰动力的情况下特别适用。例如，已知流动现象“旋转扩压器失速”满足上述条件，并且在具有磁轴承的涡轮压缩机中，可以导致具有不允许的高振幅的机械振荡。

本发明的目的是指示如何能够抑制主动磁轴承中的不允许的高机械振荡的发生。

为了达到该目的，本发明指定一种用于补偿由于扰动力在转子上的作用而在主动磁轴承的转子中引起的至少一个低频机械扰动振荡的方法。该机械扰动振荡具有小于100Hz的扰动振荡频率。该方法包括以下方法步骤：

a）对导致扰动力分析结果的低频机械扰动振荡进行分析，

b）基于扰动力分析结果来确定补偿力，以便在转子中产生抵消机械扰动振荡的机械补偿力，以及

c）通过向转子中引入补偿力来在转子中产生抵消机械扰动振荡的机械补偿振荡，其中，方法步骤a）、b）和c）是借助于从磁轴承控制回路解耦以便控制主动磁轴承的主动磁轴承的至少一个补偿控制回路而执行的

为了达到该目的，本发明还指定了一种主动磁轴承，其具有转子、用于控制该主动磁轴承的至少一个磁轴承控制回路和用于补偿至少一个低频机械扰动振荡的被从磁轴承控制回路解耦的至少一个补偿控制回路。该机械扰动振荡可以通过转子上的扰动力的作用而在主动磁轴承的转子中引起。在这里，机械扰动振荡具有在转子的旋转频率以下的扰动频率。

借助于补偿控制回路，减小了转子（轴）中的扰动力所产生的机械扰动振荡的振幅。在这里，可以部分地或实际上完全地消除机械扰动振荡。

扰动频率ω_x下的扰动振荡的最大振幅A(ω_x)被减小至可允许限制值以下的值。

例如，扰动力是从外面作用的空气动力扰动力。此类空气动力扰动力在“强迫振荡”的意义上是低频外部扰动。空气动力扰动力作用在转子/轴承系统上并影响转子中的机械扰动振荡。为了补偿此低频扰动，提出了通过经由独立于磁轴承控制回路的磁轴承的附加激活来向转子施加补偿力来抵消扰动力，具体地抵消扰动力并因此防止在转子中发生更大的振荡振幅。针对补偿力的特定连接，使用适当的算法，其在量级、相角和频率方面计算所述补偿力，使得相关频率范围内的振荡振幅被减小。

本发明的基本思想在于不使用磁轴承控制回路而是使用单独补偿控制回路以实现扰动振荡的补偿和阻尼。磁轴承控制回路和补偿控制回路被相互解耦，即分离。作为此分离的结果，可以在没有对磁轴承控制回路的特性产生不利影响的情况下减少扰动振荡的补偿的不利影响。

磁轴承控制回路和补偿控制回路的分离或解耦意味着完全可以将磁轴承控制回路的现有元件、例如传感器、放大器或致动器及其输出变量用于补偿控制回路。

磁轴承的特性在现有低频扰动力的情况下对高（轴）振荡的发生有决定性的贡献。磁轴承的这些特性进而基本上由所使用的磁轴承控制回路的设计和硬件部件的动态特性确定。

在磁轴承控制回路的设计中，必须确保整个系统的总体可接受的性质。这就磁轴承的特性而言特别适用，特别是在范围从约100Hz至约1000Hz的旋转频率内的磁轴承的轴承硬度，使得磁轴承控制回路的仅仅关于在从约1Hz至约50Hz的扰动频率范围内的最大轴承硬度的优化将是不方便的。

为了优化磁轴承控制回路的设计，常常使用所谓的滤波器模块，目的是在相对窄的频率范围内提高或降低电控制回路信号的放大率。然而，由于作为在磁轴承控制回路中结合滤波器模块的结果除信号的放大率或衰减之外还改变信号的相角，所以此类滤波器模块仅仅关于实现整个系统的总体可接受性质而具有有限的可能用途。通过使用本发明，可以至少在一定程度上省去用于磁轴承控制回路的滤波器模块的使用，以便优化磁轴承控制回路的设计。

推荐在磁轴承的操作期间以规则的时间间隔或者另外连续地重复或执行该方法。由于该方法的重复或连续执行，可确保在操作期间不发生具有磁轴承的转子的不期望的严重机械扰动振荡。根据特定细化，因此在磁轴承的操作阶段期间重复地执行方法步骤a）和b）。

原则上可以借助于公共算法来执行低频机械扰动振荡的分析、补偿力的确定及抵消机械扰动振荡的机械（或电磁）补偿力的产生和引入。然而，相互独立地执行这些单独方法步骤是有利的。根据特定细化，因此借助于不同算法来执行方法步骤a）、b）和/或c）。还可设想使用具有不同部分的算法来执行方法步骤a）、b）和/或c）。

根据另一细化，为了分析低频扰动振荡，执行转子的转子偏移的基于时间的信号的频率分析。特别地借助于FFT（快速傅立叶变换）来执行频率分析。

借助于该方法，低频扰动振荡被补偿或阻尼。在这里，原则上可以覆盖宽频谱。优选地针对来自从1Hz至50Hz的频率范围且特别是来自从1Hz至30Hz的频率范围且再次特别是来自从1Hz到20Hz的频率范围的频谱（频带）执行频率分析。特别是来自这些频率范围的扰动振荡可以导致非常高的不期望振荡振幅。通过使用本发明，减小了此类高振荡振幅。

为了分析扰动振荡，可以使用或执行扰动振荡的各种振荡参数和振荡参数的不同评估。根据特定细化，为了分析低频扰动振荡，执行扰动振荡的扰动振幅A_p的确定和所确定的扰动振幅A_p与预定限制振幅A_lim的比较。该振幅对应于例如转子的径向偏移。该径向偏移是例如几微米。

借助于所确定的扰动振幅A_p与预定限制振幅A_lim的相互比较，特别地确立扰动振幅A_p小于、等于还是大于预定限制振幅A_lim。例如通过形成扰动振幅A_p与预定限制振幅A_lim的比来执行比较。

针对其中扰动振幅A_p等于或大于预定限制振幅A_lim的情况，执行扰动振荡的相角φP的确定。使用所确定的相角φP和/或扰动振幅A_p以及扰动振荡的扰动频率ω_x作为用于补偿控制回路的输入变量。使用相角φP和/或扰动振幅A_p来确定补偿力和/或补偿振荡。

可以在许多技术领域中使用主动磁轴承，特别是在必须有灵敏部件的无振荡支撑的情况下。其示例是磁支撑涡轮机、风扇、冷冻机、真空泵和工具心轴。

特别地，在涡轮压缩机中使用主动磁轴承。根据本发明的另一方面，因此，制定了主动磁轴承在涡轮压缩机中的使用，其中，借助于主动磁轴承来支撑涡轮压缩机的转子。

下面将通过使用示例性实施例和附图来更详细地描述本发明。

附图示意性地示出了具有关联控制回路的主动磁轴承。

提供了涡轮压缩机的主动磁轴承1。主动磁轴承1具有转子11和用于控制主动磁轴承1的闭合磁轴承控制回路12。

旁边存在补偿控制回路14，其被从磁轴承控制回路12解耦，用于补偿可能由于扰动力103在转子11上的作用而在主动磁轴承1的转子11中引起的低频机械扰动振荡。机械扰动振荡具有在转子11的旋转频率以下的扰动频率。

磁轴承1是借助于定子（用电磁体13来指示）形成的。转子11借助于磁轴承1在没有在定子13中的接触的情况下被支撑（磁支撑转子）。无接触支撑的控制由磁轴承控制回路12执行。磁轴承控制回路12的部件特别地是检测转子11的位置变化的所谓位移传感器（位置传感器、行进传感器）121以及控制单元（控制器）122和信号放大器（功率放大器）123。

在磁轴承1的操作期间，各种力作用在转子11上。这些力特别地是重力101和电磁力102。根据图，重力101和电磁力102的方向彼此相反。

除重力101和电磁力102之外，外部低频扰动力103可以作用在转子11上。扰动力103是空气动力扰动力。此扰动力周期性地作用在转子11上，并且结果在转子11中引起机械低频扰动振荡。低频扰动振荡具有小于50Hz的扰动频率ω_x。

为了补偿由于扰动力103的作用而在主动磁轴承1的转子11中感生的低频扰动力振荡，执行以下方法步骤：

a）对导致扰动力分析结果的低频机械扰动振荡进行分析，

b）基于扰动力分析结果来确定补偿力104，以便在转子11中产生抵消机械扰动振荡的机械补偿力，以及

c）向转子11中引入补偿力104。

在这里，方法步骤a、b）和c）是借助于被从用于控制主动磁轴承1的磁轴承控制回路12解耦的主动磁轴承1的补偿控制回路14执行的。

针对本方法，使用两个算法或具有两个部分的一个算法：用部分1（参考标号141），实现方法的方法步骤a）。

这涉及到低频范围内的高偏移的检测。

为此，低频机械振荡的分析包括在较低频率ω（ω_min＜ω＜ω_max）范围内的频谱分析。例如，ω_min是1Hz且ω_max是50Hz。

为了分析低频扰动力振荡，执行转子偏移（例如20μm）的时基信号的频率分析。使用FFT以进行频率分析。

借助于频率分析，确定扰动振幅A_px。通过比较所确定的扰动振幅和预定限制振幅A_lim，确立扰动振幅A_px是小于、等于还是大于预定限制振幅A_lim。提出关于扰动振幅A_px是否大于可允许限制值A_lim的查询。

如果扰动振幅A_p大于可允许限制值A_lim，则执行以下方法步骤：

i）确定研究的频率范围内的转子偏移（扰动振幅的）的最大量值的相角和频率，

ii）将频率ω_x下的这些值A(ω_x)（振幅）和φ（ω_x）（相角）传递至算法部分2（参考标号142，参见下文）。

如果扰动振幅A_px小于可允许限制值A_lim，则不发起进一步动作。

在磁轴承1的操作期间重复地执行方法步骤i）和ii）（方法步骤的递归执行）。

根据算法部分2，使用一种将在频率范围ω_min＜ω＜ω_max内确定的最大振幅A(ω_x)减小至可允许限制值A_lim以下的方法。

为此，确定该目的所需要的补偿力104。为了确定补偿力104，确定同一频率ω_x（对应于扰动振荡频率）下的基于频率的磁力f_comp(ω_x)和相位φ_f(ω_x)。

这样确定的磁力被传递至补偿控制回路的操纵变量并连接到放大器123。最后，经由电磁体13，补偿力104被作为机械补偿振荡引入到转子11中。引入的机械补偿振荡方向与机械扰动振荡相反，并导致机械扰动振荡的阻尼。

在涡轮压缩机中使用用于补偿低频机械振荡的所述方法和所述主动磁轴承。