[发明专利]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

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100 Hz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100 Hz至约1000 Hz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1 Hz至约50 Hz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。