[发明专利]用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轴承的刚度测量装置，特别为一种盘状磁悬浮轴承的永磁刚度和开环电流刚度的测量装置。

背景技术

随着现代旋转机械转速的大幅度提高，支承对转子系统的稳定性、动态特性、旋转精度等的影响越来越大，在许多场合几乎支配着整个系统的稳定性。而对轴承的支承特性进行研究，无论轴承是应用何种原理与方法，归根结底都是对它的支承刚度和支承阻尼进行研究，只有符合一定标准的刚度才能使系统稳定运行。因此对磁悬浮轴承的刚度测量，是保证其正常稳定工作的必要步骤。

磁悬浮轴承沿某方向的刚度定义为：沿此方向的单位位移所需要的此方向力的增量。现有测量方法大致有如下两种：

(一)临界电流测量法

如附图1a、1b所示，转子3与保护轴承1中心重合时单边间隙为δ₀。未通电时转子静止状态如附图1b所示，转子在竖直方向上具有偏心位移y₀＝-δ₀。

设通入绕组电流为I_2m，将I_2m值由0开始增加，产生沿Y正向的可控磁悬浮力，通过安装在X轴与Y轴方向上的传感器，寻找使转子悬浮的临界值。此时转子的水平方向X合力为零，竖直方向Y的受力状态为：

F_c+F_e＝G；

式中：F_c为可控磁悬浮力；F_e为转子偏心引起的磁拉力；G为转子自重。且已知：

F_c＝K_cI_2m，F_e＝K_ey₀；

其中K_c和K_e为电流刚度和位移刚度。所以，

G＝K_cI_2m+K_ey₀；

改变转子偏心位移值(设由y₀变为y₁)和沿Y向的可控磁悬浮力(设绕组电流由I_2m变为I_2m1)，可得：

G＝K_cI_2m1+K_ey₁；

进而求出K_c和K_e。

(二)直接测量法

图2(a)为两磁环正对时轴向力的测定原理图。测定两磁环正对轴向间距变化的轴向力时，先把固定厚度的调整环6置于两永磁环5、8之间，并使两磁环紧密相吸，测出这时两磁环间的轴向间距l_z。然后如图所示施加拉力T，逐渐增加拉力T的值，直到上面的动磁环刚好被拉动时，即可认为此时的拉力T与轴向吸引力F_z相等。

测量径向力时，当偏心距较小时，动磁环5受到的径向力较小而轴向因此在静摩擦力的力很大，在静摩擦力的作用下，动磁环5可保持不动。这时保持调整环6和中间的隔板7与静磁环8位置不变，在偏心距相同的位置，分别向左和向右各拉一次动磁环，当上面的磁环刚好被拉动时的拉力分别记为T₁和T₂。在这两种情况下动磁环的拉力情况如图2(b)，用f_静表示动磁环受到的静摩擦力，向左刚好拉动磁环时，有：

F_x+T₁＝f_静；

向右刚好拉动磁环时，有

F_x+f_静＝T₂；

由上两式可得径向力的值：

F_x＝1/2(T₂-T₁)。

但是，当偏心距逐渐增大时，静摩擦力会由于轴向力的减小而减小，同时径向力也会增加。当径向力的值增大到大于静摩擦力的值时，即使不向左拉，上面的磁环也会向左移动。在这种情况下，如图2(c)所示，先施加一定的拉力使上面的磁环能保持不动，然后逐渐增大拉力，直到上面的磁环刚好向右移动时记下这时的拉力为T₂；然后又逐渐减小拉力，直到上面的磁环刚好向左移动时记下这时的拉力为T₂’。

当动磁环刚好向右移动时，有：