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磁悬浮分子泵的振动抑制
点击次数:433 发布时间:2017-05-10

磁悬浮分子泵的振动抑制(1)

  2000 L 磁悬浮分子泵研制中,遇到复杂振动问题:转子弯曲模态共振; 陀螺效应造成动力学失稳; 叶轮叶片导致转子颤振; 成因复杂的机电耦合模态振动。它们同时出现,严重影响转子稳定性,给振动抑制带来困难,需进行精细的控制器设计。控制器中,对不同振动采用不同方法抑制:陀螺效应依靠交叉反馈控制; 弯曲共振、分子泵叶轮叶片颤振及机电耦合模态振动,依靠各种不同的控制器传递函数相位整形方法。试验验证了方法的有效性,分子泵平稳升速到24000 r/ min,样机达到了设计真空性能指标。

  涡轮分子泵是获取高真空的一个重要设备,被广泛应用于高真空场合。相较于传统滚珠及油膜轴承,电磁轴承作为一种新型轴承,因其非接触、无摩擦、低功耗、维护成本低、动力学可控并可对转子动不平衡进行主动控制等特殊优点,在工业应用上前景广阔。对真空设备而言,非接触悬浮是很有吸引力的。电磁轴承应用于涡轮分子泵,可实现分子泵的无油、无磨损运行,运行安静,振动极小,尤其适合半导体工业等超净高真空应用场合。在此,将介绍2000 L 五自由度磁轴承涡轮分子泵样机研究进展,重点关注磁悬浮分子泵试验研究中遇到的各种复杂振动抑制问题。这些振动问题由各种因素所导致,包括泵转子的弯曲模态振动,陀螺效应造成的转子动力学失稳,泵叶轮上叶片的颤振及一个由转子与分子泵永磁电机共同导致的复杂振动模态。这些因素同时出现,并且均能对泵转子的稳定性造成破坏,必须在磁轴承控制器设计中同时解决,给控制器的设计带来大的困难。

  在分子泵转子设计中,转子一阶弯曲模态频率已经尽量保持远离转子zui大工作转动频率即400 Hz,但其对转子振动的影响依然不能忽略,尤其在高速运行时,陀螺效应造成一阶弯曲振动反向涡动模态频率下降明显。通常认为传统轴承支承的转子,反向涡动很难被激发,但对电磁轴承转子系统,经常可观察到反向涡动被激发出来。因此,在转子工作于整个转速范围内时,均应为弯曲模态振动提供足够阻尼,避免一阶弯曲正向或反向涡动被激发。事实上,如果电磁轴承振动控制不考虑弯曲模态的阻尼,转子静态悬浮时就会把转子弯曲振动激发出来。

  由于分子泵转子芯轴上安装有抽气涡轮,其惯量比,即转子极转动惯量与赤道转动惯量之比,较大,转子陀螺效应明显,陀螺力矩会对磁轴承转子模态的稳定性造成大的影响。除上边所提到的对弯曲模态的影响,陀螺效应对转子刚性模态的影响更加显著。如果控制器中没有采取相应的措施,当转子远未到达其zui大工作转速时,转子章动( 转子前向涡动刚体模态) 和进动( 转子反向涡动刚体模态) 就会被激发,破坏转子稳定性。泵叶轮上的叶片,因其厚度不大,刚度偏低,单片叶片动力学模型类似悬臂梁,其一阶弯曲频率主要落在中频段,即主要落在300~ 400 Hz 之间。转子要到达其工作转速,必须穿越这些模态频率。如果没有适当的应对措施,当转子同步频率接近某个叶片模态频率,对应的叶片模态振动会被转子不平衡振动所激发。

山西快乐十分  在各种振动问题中,转子与泵永磁电机的动力学耦合导致的振动模态是zui令人困惑的,也是zui难解决的。此振动模态在220 Hz 附近有固定的振动频率,对其机理难以给出清晰解释,但它确实与永磁电机状态相关。在前期安装了交流异步电机的测试泵上,没有观察到这样的振动模态。在转子静态悬浮及电机低速运行时,该模态振动很难观察到,而一旦转速升到一定范围,尤其当转子章动频率接近该模态的特征频率,该模态会变得很危险,其稳定性减小,zui终会破坏转子的动力学稳定。

  为同时应对出现的这些振动问题,在控制器中使用了不同的针对性方法。陀螺效应导致的失稳通过交叉反馈方法解决。弯曲模态、叶片颤振、220 Hz耦合模态等其它振动问题,均通过相位整形控制方法解决,但对应不同的问题,应用了不同的相位整形措施。

  在文中,给出了这些振动抑制相关的试验结果,转子zui终能稳定运行于其zui大工作转速24000r/ min。zui后,给出了磁悬浮分子泵样机所达到的基本真空性能指标。

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