用于在高速下平衡旋转机器的转子的平衡方法与流程

本发明涉及包括磁浮轴承(magnetic bearing)的旋转机器的领域，该磁浮轴承由于磁场而通过主动磁浮轴承来支撑旋转机器的转子的重量和负荷。

具体来说，本发明涉及一种用于平衡磁浮转子系统的平衡方法。

背景技术：

在磁浮轴承发生故障的情形中，例如磁浮轴承过载或如果电控制系统或电子控制系统发生故障的情形中，已知要在具有竖置转子装置或水平转子装置的旋转机器中提供轴向磁浮轴承和径向磁浮轴承，且提供支撑转子的辅助机械轴承。

需要准确地平衡旋转机器的转子。的确，如果没有准确地平衡转子，那么旋转机器将不会在不接触辅助轴承的情况下穿越临界转速。

还已知要在平衡设施上平衡旋转机器的转子。

在“刚性”转子的情形中，不会由于随速度增加的失衡力而存在转子变形。对于刚性转子，可以在低速下使用经典的平衡设施进行平衡。

此外，还可使用具有“柔性”结构的转子。在具有柔性结构的转子的情形中且根据转子结构，将会因随速度增加的失衡力而存在变形。在接近临界速度之上运行的柔性转子必须以接近这些临界速度的速度来旋转且被平衡，并且在高于这些临界速度运行的柔性转子必须以接近最终速度的速度来旋转且被平衡。

用于这种“临界”柔性转子的高速平衡设施是特别昂贵的，且需要许多次试运行并使用多个传感器。此外，如果转子未得到准确的平衡，那么在已知的平衡设施上非常高速地旋转的、具有大直径的转子可能是特别危险的。

最后，这样的平衡设施需要真空，这增加了平衡的成本。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种适于在转子被安装在旋转机器的内部时，无需使用特定的平衡设施而直接平衡高速的旋转机器的柔性转子的平衡方法。

本发明的特定目的是提供一种用于在高速下平衡旋转机器的转子的平衡方法，该旋转机器包括：定子；转子，该转子具有旋转轴且被至少两个径向磁浮轴承支撑在所述定子中；以及，固定至转子轴的储能筒。定子包括具有开口端的壳体和适于封闭该壳体的开口端的顶盖。

所述平衡方法包括：将转子放置在定子内部的步骤；进行至少一次第一运行，以便确定第一速度区间内的失衡的幅度和角位置的步骤；将第一套平衡质块放置在转子内部的、预定的第一平衡面上的步骤；进行至少一次第二运行，以便穿越临界速度并识别第二速度区间内的失衡的幅度和角位置的步骤；以及，将第二平衡质块放置在转子内部的、预定的第二平衡面上的步骤。

在一个实施方案中，进行至少一次第一运行的步骤包括：转动转子直至第一阈值的步骤；将径向磁浮轴承切换到同步力抑制模式(synchronous force rejection mode)的步骤；在同步力抑制模式下转动转子直至第二阈值的步骤；以及，根据从控制磁浮轴承的电子控制设备接收到的信息来识别在第一阈值和第二阈值之间的第二速度区间内的失衡的幅度和角位置的步骤。

对于“将径向磁浮轴承切换到同步力抑制模式”，应理解为：径向磁浮轴承按照转子无需力即可围绕其惯性轴转动的方式进行切换。

所述平衡方法还包括：移除顶盖、将第一平衡质块放置在转子内部抵靠转子的内部圆柱形表面的步骤，该第一平衡质块被布置在通过转子模型给出的、预定的第一平衡面上；以及，通过顶盖封闭定子壳体的上部的步骤。

进行至少一次第一运行的步骤包括：转动转子直至第一阈值的步骤；将径向磁浮轴承切换到同步力抑制模式的步骤；在同步力抑制模式下转动转子直至第二阈值的步骤；启动径向磁浮轴承的主动共振阻尼模式的步骤；在主动共振阻尼模式下转动转子直至第三阈值的步骤；将径向磁浮轴承切换到同步力抑制模式的步骤；在同步力抑制模式下转动转子直至第四阈值的步骤；以及，根据从控制磁浮轴承的电子控制设备接收到的信息来识别在第三阈值和第四阈值之间的第四速度区间R4内的失衡的幅度和角速度的步骤。

对于“将径向磁浮轴承切换到主动共振阻尼模式”，应理解为：径向磁浮轴承按照转子借助由径向磁浮轴承产生的力来转动的方式进行切换。

所述平衡方法还包括以下步骤：移除顶盖、将第二平衡质块放置在转子内部抵靠转子的内部圆柱形表面，第二平衡质块被布置在通过柔性转子模式确定的、预定的第二平衡面上。

在一个实施方案中，各平衡质块均由在同一平衡面上位于转子的内部圆周上相对位置处的两个单独质块构成。

在一个实施方案中，各平衡质块均具有环形形状。

在一个实施方案中，平衡质块由金属材料制成。

在一个实施方案中，平衡质块通过粘接方式被固定在转子的内表面上。

在一个实施方案中，平衡质块由磁性材料制成。

第一阈值例如介于80Hz到120Hz之间，例如100Hz；第二阈值例如介于150Hz到200Hz之间，例如160Hz；第三阈值例如介于250Hz到350Hz之间，例如300Hz；以及，第四阈值例如介于500Hz到1000Hz之间，例如750Hz。

在一个实施方案中，转子包括上轴和下轴。

第一运行例如被设置成对转子的上轴进行平衡且第二运行例如被设置成对转子的下轴进行平衡。

作为实例，两个平衡面分别与转子的上、下轴相关。

附图说明

经由研究通过非限制性实施例给出的且通过所附附图阐释的具体实施方案的详细描述，将更好地理解本发明及其优势，在附图中：

-图1是具有(适于通过根据本发明的平衡方法进行平衡的)转子的旋转机器的轴向半剖视图；

-图2显示了图1的转子的坎贝尔图(Campbell diagram)，该图中示出了以Hz计的频率与以rpm计的速度；

-图3阐释了根据本发明的平衡方法的流程图；

-图4显示了转子坐标中的几何轴(geometrical axis)偏摆(runout)的矢量轨迹图；以及

-图5显示了以μm计的几何轴偏摆作为以Hz计的转子转速的函数的示意图。

具体实施方式

旋转机器10如图1中所示。所述旋转机器10，例如，可以是用于储能的高速飞轮，抑或是具有竖置转子装置(rotor arrangement)的任何高速旋转机器。

旋转机器10包括定子12和转子14，转子14具有围绕垂直轴线X-X旋转的上轴16和下轴18。储能筒20以柔性方式被固定于转子14的轴16、18。

储能筒20适于在真空中非常高速地旋转，诸如高达50000rpm。

转子14的上轴16和下轴18由主动磁浮轴承系统和轴向驱动器26相对于定子12旋转支撑，其中，主动磁浮轴承系统包括两个径向磁浮轴承22、24，分别为上径向磁浮轴承22和下径向磁浮轴承24；轴向驱动器26被固定于定子12且被设置成在转子14的上轴16上产生轴向吸引力。

两个径向磁浮轴承22、24可以是相同的且被布置在转子14的相对端处。两个径向磁浮轴承22、24包括多个传感器(未显示)且受到适于接收来自传感器的信息的电子控制单元(未显示)的控制。

转子14的上轴16和下轴18进一步通过上径向触地轴承(touch down bearing)28以及下径向和轴向触地轴承30、32相对于定子12旋转支撑。触地轴承，例如，是在磁浮轴承出现故障的情形下适于支撑转子的机械辅助轴承。

各径向磁浮轴承22、24均包括由铁磁性材料制成的、安装在转子轴16、18的外部圆柱形表面16a、18a上的环形电枢22a、24a和固定于定子12的定子电枢22b、24b。定子电枢22b、24b，按常规方式，各自包括具有铁磁体(ferromagnetic body)和一个或多个环形线圈的定子磁路，且被设置成面朝转子电枢22a、24a，以便限定径向间隙。附图中未显示定子电枢的细节。借助主动磁浮轴承系统，转子14在定子12内以没有机械接触的方式转动。

如图1中所示的，各转子轴16、18均是中空的，且在一个端处被设置有在径向上朝定子12突出的轴肩16b、18b。

定子12包括围绕转子14的壳体34，转子14由储能筒20、上轴16以及下轴18形成。如图1中所示的，壳体34包括容纳转子14下轴18的下部34a和容纳转子14上轴16的上部34b。下部34a设置有下开口34c，适于容纳用于下径向触地轴承30和下轴向触地轴承32的下支撑件(lower holder)36。上部34b在轴向上是开口的，以便将转子轴16、18以及储能筒20安装在定子12内。定子还包括顶盖38，该顶盖38适于在轴向上封闭定子12的上部34b的开口端34d。顶盖38设置有上开口38a，适于容纳用于上径向触地轴承28的上支撑件40。顶盖38、上支撑件40以及下支撑件36被可移除地安装在壳体12上。

如所示的，轴向驱动器26被固定于壳体的上部34b且被设置成在转子14的上轴16的轴肩16b上产生轴向吸引力。

上磁浮轴承22、轴向驱动器26以及上支撑件40被固定于顶盖38，使得在移除顶盖38之后，转子14可以很容易被拉出。

如所示的，电机/发电机42的定子被固定于壳体34的下部34a，面向转子14的下轴18。

转子14的上轴和下轴16、18由磁性钢制成。储能筒20可以由碳纤维或金属材料(例如钢)制成。

储能筒20柔性连接至轴肩16b、18b。由于储能筒20与转子轴16、18之间柔性连接，轴弯曲频率(shaft bending frequency)和临界转速都低，这降低了穿越临界转速所需的磁浮轴承功率。

图2中显示的坎贝尔图示意旋转机器10的转子14的共振频率F与转速S。一种模式下固有频率(natural frequency)的演变是作为转子转速的函数被绘制出来的。

如图2所示，旋转机器以额定运行转速S_n运行，所述额定运行转速S_n高于上、下轴弯曲模式频率B_m1、B_m2，低于但接近储能筒弯曲模式频率B_m3。上、下轴弯曲模式频率B_m1、B_m2约为180Hz，而旋转机器的最大运行转速S_n，比方说，可以是750Hz。储能筒的弯曲模式频率B_m3约为1000Hz。

当旋转机器的运行转速线O_S穿越上、下轴弯曲模式频率B_m1、B_m2时(介于180Hz到10800rpm之间的区域)，临界转速S₁、S₂被穿越。一旦穿越临界速度S₁、S₂，旋转机器10的运行则无需再穿越任何其它临界速度了。然而，在高速下，当速度接近储能筒的弯曲模式时，轴的偏摆会再次增加。此偏摆的增加，例如，可以由轴与筒之间不完美连接引起。这样的偏摆增加可以通过将平衡质块放置在靠近轴附着区域的预定平衡面处而得以最小化。

因而，为了以低的偏摆和振动水平穿越转子轴的临界速度，对此类旋转机器进行准确平衡是必不可少的。为了使旋转机器以接近筒的弯曲模式频率B_m3的运行额定速度S_n转动，对此类旋转机器进行准确平衡也是必不可少的。

将参考在图3中所示的流程图和在图4和5中所示的图来描述根据本发明的平衡方法。

在第一步骤50中，(包括轴16、18和储能筒20的)转子14通过定子壳体34的上部34b的孔被放置在旋转机器10的内部。以非限制性的方式，转子14可提前在低速下在常见的平衡设施中被预先平衡。根据本发明的平衡方法的目的在于识别和补偿在柔性的转子结构的不同位置处的可能的失衡，该失衡可能仅在高速旋转时才能被识别。

在第二步骤51中，进行转子的一次第一运行。

第一运行包括步骤52：转动悬浮在磁浮轴承22、24上的转子，直至第一阈值F₁，例如100Hz。在例如介于0Hz到100Hz之间的第一速度区间R₁中，磁浮轴承22、24控制转子轴围绕旋转轴X-X的转动。

第一运行还包括步骤53：将径向磁浮轴承切换到同步力抑制模式，转子因而不需要力就能围绕其惯性轴(inertia axis)转动，直至第二阈值F₂，例如160Hz。介于例如F₁＝100Hz到F₂＝160Hz之间的第二速度区间R₂中，磁浮轴承22、24是工作的，但不会产生任何同步力，因而转子围绕其惯性轴转动。

作为典型的示例，偏摆矢量轨迹(runout vector trajectory)在转子坐标中的速度区间R₂内由图4中的曲线1显示。图5显示了相应的偏摆幅度演变。在速度区间R₂中，偏摆轨迹在F₁和F₂之间是一条直线。失衡引起速度区间R₂内偏摆的增加，失衡的角位置(angular location)和幅度(amplitude)可以由图4中的曲线1得出。曲线1显示了失衡转子的偏摆行为。图4和5显示了上或下径向轴承的典型的偏摆演变。然而，所描述的失衡识别方法与上轴承或下轴承大致是相同的。

在步骤54中，通过使用从控制磁浮轴承的电子控制设备接收到的信息，来识别引起第二速度区间R₂和第三速度区间R₃内的偏摆增加的失衡的幅度和角位置。

在步骤55中，移除顶盖38并将平衡质块放置在转子轴内部。

一组上平衡质块72、74被放置在转子的上轴16的内部抵靠转子的上轴16的内部圆柱形表面16c。上平衡质块72、74根据转子的类型被布置在预定的上平衡面82、84上。以类似的方式，一套下平衡质块76、78被放置在转子的下轴18的内部抵靠转子的下轴18的内部圆柱形表面18c。下平衡质块根据转子的类型而被布置在预定的下平衡面84、86上。

如图1中所示，存在与上轴16相关的两个预定的上平衡面82、84。然而，平衡面的数目和位置根据所使用的转子类型在制图(cartography)中被预先确定。第一预定的上平衡面82在径向上位于上磁浮轴承22之间。位于第一预定的上平衡面82上的第一上平衡质块72允许补偿位于上轴16末端处的失衡。第二预定的上平衡面84在径向上位于上轴16的轴肩16b之间。位于第二预定的上平衡面84上的第二上平衡质块74允许补偿上转子轴16和储能筒20之间的失衡以及最终的同心度误差(concentricity error)。

在上和下平衡质块72、74、76和78已经被放置在转子内部之后，定子壳体的上部被顶盖38封闭，且转子的第二运行可以在步骤56处进行。

第二运行包括步骤57：悬浮在磁浮轴承22、24上的转子转动直至第一阈值F₁，例如100Hz。在例如介于0Hz到100Hz之间的第一速度区间R₁中，磁浮轴承22、24控制转子轴围绕旋转轴X-X的转动。

第二运行还包括步骤58：将主动磁浮轴承切换到同步力抑制模式，因而转子围绕其惯性轴转动直至第二阈值F₂，例如160Hz。在例如介于100Hz到160Hz之间的第二速度区间R₂中，磁浮轴承是工作的，但不会产生任何同步力，且转子围绕其惯性轴转动。

在步骤59，磁浮轴承22、24以主动同步阻尼模式(active synchronous damping mode)运行，以便穿越所述的临界速度。转子14在主动同步阻尼模式下转动直至第三阈值F₃，例如300Hz。在例如介于160Hz到300Hz之间的第三速度区间R₃中，磁浮轴承控制转子轴围绕旋转轴X-X的转动且提供转子的主动阻尼模式。

在步骤60，在高于F₃时，磁浮轴承22、24从主动同步阻尼模式切换到同步力抑制模式，转子因而围绕其惯性轴转动，直至第四阈值F₄，例如750Hz。在例如介于300Hz到750Hz之间的第四速度区间R₄内，磁浮轴承是工作的，但不会产生任何同步力，转子无需力来围绕其惯性轴转动。

在转子坐标中，失衡受到补偿的典型偏摆矢量轨迹如图4和5中的曲线2所示。曲线2显示了失衡受到补偿的偏摆行为。

在步骤61中，通过使用从控制磁浮轴承的电子控制设备接收到的信息来识别引起第四速度区间R₄内的偏摆增加的失衡的幅度和角位置。如果需要的话，可以通过将质块放置在平衡面84、86处来补偿失衡。

在步骤62，如果需要的话，引起速度区间R₄内的偏摆增加的失衡可以被补偿。移除顶盖38且将平衡质块74、76放置在转子轴内部。

如图1所示，与下轴18相关的有两个预先确定的下平衡面86、88，与上轴16相关的有两个预先确定上平衡面82、84。然而上、下平衡面的数目和位置在制图中根据所使用的转子类型来确定。

各平衡质块72、74、76和78均可以由位于转子轴的内部圆周上的一个或多个单独质块构成，例如两个质块被布置在同一平衡面上的相对位置处。各平衡质块72、74、76和78均可以具有例如平行六面体形状，且重量例如可为若干克(g)，诸如2g。作为一种选择，各平衡质块72、74、76和78均可以具有环形形状。平衡质块72、74、76和78由金属材料制成且通过任意方法(例如粘接)被固定在转子轴的内表面16c、18c上。平衡质块72、74、76和78可以是由磁性钢制成的磁体。在平衡质块72、74、76和78是磁体的情形中，不需要固定装置(例如胶)。此外，当转动转子轴时，离心力将平衡质块72、74、76和78压靠着转子轴16、18的内表面16c、18c。

平衡质块可使用合适的工具从定子的顶部引入。

第一阈值F1，比方说，介于80Hz到120Hz之间，例如100Hz。第二阈值F2，比方说，介于150Hz到200Hz之间，例如160Hz。第三阈值F3，比方说，介于250Hz到350Hz之间，例如300Hz；第四阈值F4，比方说，介于600Hz到1000Hz之间，例如750Hz。

平衡方法被描述为包括第一运行和第二运行。然而，平衡方法可以包括多次第一运行和多次第二运行，以便使转子几乎达到完美的平衡。

本发明所述的平衡方法使用转子坐标中给出的、由磁浮轴承产生的转子失衡信息。所需平衡质块的数量及其在转子内部的放置位置则是根据柔性转子结构的模型计算得出的。

借助本发明，可直接在旋转机器内部平衡转子。上述平衡方法能够通过利用转子坐标中给出的、由磁浮轴承产生的信息来确定转子失衡的准确位置，并通过简单打开定子并将平衡质块放置在转子内部来校正失衡。

因而，不需要使用昂贵的、在真空条件下的高速平衡设施，且不需要为了进行平衡或在平衡期间取出转子。

根据本发明的平衡方法允许快速且准确地进行平衡，且减少平衡时间并降低成本。