一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统

本发明涉及磁悬浮电机，具体涉及一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统。

背景技术：

1、相比传统的机械轴承，磁轴承在苛刻环境下具有更低的维护成本和更长的寿命，并可以对流体机械进行主动减振。但磁轴承本体通常由导磁铁心材料加工而成，直接工作在流体介质（包含气体和液体等）中，磁轴承定、转子铁心会发生腐蚀等现象，导致材料特性发生变化且产生颗粒杂质，直接影响磁轴承系统运行的可靠性。

2、尽管可以采用金属屏蔽套提高磁轴承的抗腐蚀能力。然而，对于船用环境，流体机械在倾斜摇摆环境下，会使得磁轴承的支承载荷和工作磁密发生周期性的变化，加剧磁轴承的涡流效应，在恒定的偏置电流控制方法下，金属屏蔽层会产生较大的涡流损耗，这会严重降低流体机械的运行效率，增大设备温升，十分不利于流体机械设备的长期运行。

3、美国发明专利us20080218008a1公开了一种腐蚀性环境中使用的电磁轴承的转子和定子组件，转子轴组件，其包括由铁磁材料形成的转子轴，设置在所述转子轴上的多个转子叠片，以及形成在所述转子轴的选定暴露表面上的阻挡层，转子叠片及其组合；和定子组件与转子轴组件间隔开，该定子组件包括围绕转子轴的多个电磁线圈。但是，该技术方案采用环氧树脂或氧化物涂层对磁轴承进行屏蔽，主要用于阻挡腐蚀性气体，长期工作在液态介质中该涂层容易脱落，防腐能力较为有限，且没有考虑涂层对磁轴承损耗等性能的影响。

4、因此，从磁轴承本体结构和控制算法设计研究出发，提高磁轴承的耐腐蚀能力和状态监测能力，减小磁轴承损耗，对于拓展磁轴承在流体机械的应用具有重要意义。

5、有鉴于此，有必要设计一种改进的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明以研究适用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统为目的，对传统磁轴承的结构和控制算法进行改进，提供一种耐腐蚀能力强、损耗低、可靠性高的屏蔽磁轴承系统。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其包括屏蔽磁轴承本体、控制器、电流传感器、功率放大器；所述屏蔽磁轴承本体包含径向屏蔽磁轴承和轴向屏蔽磁轴承，前述两者共同对流体机械进行五自由度悬浮；

3、所述屏蔽磁轴承系统采用多层复合屏蔽结构对定子、转子进行多层屏蔽；所述屏蔽磁轴承本体由定子、用于对所述定子多层密封屏蔽的定子屏蔽层、转子、用于对所述转子多层密封屏蔽的转子屏蔽层组成。

4、作为本发明的进一步改进，所述定子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层；

5、所述转子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层。

6、作为本发明的进一步改进，所述定子过盈配合安装在轴承座上，对定子线圈进行整体灌胶后，定子表面通过焊接和/或涂层方式形成定子屏蔽层；所述定子可单独屏蔽，或者，所述定子与电机共同屏蔽；

7、所述转子过盈配合安装在转轴上，在转子表面通过焊接和/或涂层方式形成转子屏蔽层。

8、作为本发明的进一步改进，所述控制器包括主悬浮控制模块、参数辨识模块和变偏置电流控制模块。

9、作为本发明的进一步改进，所述参数辨识模块包含控制电流计算单元、支承载荷辨识单元和姿态角辨识单元；所述控制电流计算单元根据电流传感器6测量的线圈电流计算控制电流，采用支承载荷辨识单元获取磁轴承的支承载荷，姿态角辨识单元利用载荷比和质心距离得到设备的姿态角度。

10、作为本发明的进一步改进，所述变偏置电流控制模块包含支承载荷比较单元、偏置电流调节单元、损耗查询单元和损耗比较单元；所述支承载荷比较单元接收参数辨识模块的支承载荷信号后，根据载荷变化阈值判断是否调整偏置电流，根据调节后的偏置电流，通过损耗查询单元分析损耗变化是否超出给定损耗变化阈值，最终产生偏置电流信号，与控制电流信号共同驱动功率放大器7产生线圈电流，使得所述屏蔽磁轴承本体产生悬浮力。

11、作为本发明的进一步改进，所述轴向屏蔽磁轴承采用不同结构设置的e型轴向磁轴承定子和u型轴向磁轴承定子，通过e型轴向磁轴承定子和u型轴向磁轴承定子不同的定子磁极面积，在轴向差动方向上产生不同大小的电磁力，用以克服流体机械的不对称轴流力。

12、作为本发明的进一步改进，所述屏蔽磁轴承系统的定子屏蔽层、转子屏蔽层的厚度均为0.2~2mm；所述屏蔽磁轴承系统的工作介质为液体、气体中的一种。

13、作为本发明的进一步改进，所述屏蔽磁轴承系统还包括位移传感器；所述位移传感器为防水电涡流式位移传感器、防水电感式位移传感器中的一种。

14、作为本发明的进一步改进，所述屏蔽磁轴承系统还包括倾角传感器；所述倾角传感器为电容式倾角传感器、谐振式倾角传感器、光电式倾角传感器中的一种。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明提供的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，采用不同材料对定、转子进行多层复合屏蔽，不仅具有较强的抗腐蚀能力，还可以减小金属屏蔽层带来的损耗。

17、2、本发明提供的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，在屏蔽磁轴承系统的控制器上增设参数辨识模块，可以利用磁轴承自身的传感器信息，辨识磁轴承的支承载荷和姿态角度，提高了磁轴承的状态监测能力和可靠性。

18、3、本发明提供的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，在屏蔽磁轴承系统的控制器增设变偏置电流控制模块，可以根据磁轴承的支承载荷状态，自适应调节偏置电流，减小磁轴承的损耗。

19、4、本发明提供的用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，屏蔽磁轴承系统的轴向屏蔽磁轴承采用不同结构的两端定子结构（e型轴向磁轴承定子和u型轴向磁轴承定子），可以产生不同大小的电磁力，减小轴向磁轴承的轴向长度，提高系统的集成度。

技术特征：

1.一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述屏蔽磁轴承系统（20）包括屏蔽磁轴承本体、控制器（23）、电流传感器（26）、功率放大器（27）；所述屏蔽磁轴承本体包含径向屏蔽磁轴承（21）和轴向屏蔽磁轴承（22），前述两者共同对流体机械进行五自由度悬浮；

2.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述定子屏蔽层为采用陶瓷材料涂层、无机材料涂层、金属材料中多种组合而成的复合屏蔽层；

3.根据权利要求2所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述定子过盈配合安装在轴承座上，对定子线圈进行整体灌胶后，定子表面通过焊接和/或涂层方式形成定子屏蔽层；所述定子单独屏蔽，或者，所述定子与电机共同屏蔽；

4.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述控制器（23）包括主悬浮控制模块（231）、参数辨识模块（232）和变偏置电流控制模块（233）。

5.根据权利要求4所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述参数辨识模块（232）包含控制电流计算单元、支承载荷辨识单元和姿态角辨识单元；

6.根据权利要求5所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述变偏置电流控制模块（233）包含支承载荷比较单元、偏置电流调节单元、损耗查询单元和损耗比较单元；

7.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述轴向屏蔽磁轴承（22）采用不同结构设置的e型轴向磁轴承定子（221）和u型轴向磁轴承定子（223），通过e型轴向磁轴承定子（221）和u型轴向磁轴承定子（223）不同的定子磁极面积，在轴向差动方向上产生不同大小的电磁力，用以克服流体机械的不对称轴流力。

8.根据权利要求2所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述屏蔽磁轴承系统（20）的定子屏蔽层、转子屏蔽层的厚度均为0.2~2mm；所述屏蔽磁轴承系统（20）的工作介质为液体、气体中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述屏蔽磁轴承系统（20）还包括位移传感器（24）；所述位移传感器（24）为防水电涡流式位移传感器、防水电感式位移传感器中的一种。

10.根据权利要求1所述的一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统，其特征在于：所述屏蔽磁轴承系统（20）还包括倾角传感器（28）；所述倾角传感器（28）为电容式倾角传感器、谐振式倾角传感器、光电式倾角传感器中的一种。

技术总结
本发明提供了一种用于船用流体机械的屏蔽磁轴承系统。该屏蔽磁轴承系统由屏蔽磁轴承本体、控制器、位移传感器、电流传感器、功率放大器、保护轴承、倾角传感器等部件组成。屏蔽磁轴承本体由定子、转子、定子屏蔽层、转子屏蔽层组成，通过屏蔽层形成密封腔体对定、转子进行保护。通过增设参数辨识模块和变偏置电流控制模块，提高了磁轴承的状态监测能力和可靠性，并且减小磁轴承的损耗。本发明对传统磁轴承的结构和控制算法进行改进，提供了一种耐腐蚀能力强、损耗低、可靠性高的屏蔽磁轴承系统。

技术研发人员：苏振中,姜豪,魏应三,姜亚鹏,刘奇,李志,程功,田呈环
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24