磁懸浮分子泵的振動抑制(1)

　　2000 L 磁懸浮分子泵研制中，遇到復雜振動問題：轉(zhuǎn)子彎曲模態(tài)共振; 陀螺效應造成動力學失穩(wěn); 葉輪葉片導致轉(zhuǎn)子顫振; 成因復雜的機電耦合模態(tài)振動。它們同時出現(xiàn)，嚴重影響轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，給振動抑制帶來困難，需進行精細的控制器設計?？刂破髦?，對不同振動采用不同方法抑制：陀螺效應依靠交叉反饋控制; 彎曲共振、分子泵葉輪葉片顫振及機電耦合模態(tài)振動，依靠各種不同的控制器傳遞函數(shù)相位整形方法。試驗驗證了方法的有效性，分子泵平穩(wěn)升速到24000 r/ min，樣機達到了設計真空性能指標。

　　渦輪分子泵是獲取高真空的一個重要設備，被廣泛應用于高真空場合。相較于傳統(tǒng)滾珠及油膜軸承，電磁軸承作為一種新型軸承，因其非接觸、無摩擦、低功耗、維護成本低、動力學可控并可對轉(zhuǎn)子動不平衡進行主動控制等特殊優(yōu)點，在工業(yè)應用上前景廣闊。對真空設備而言，非接觸懸浮是很有吸引力的。電磁軸承應用于渦輪分子泵，可實現(xiàn)分子泵的無油、無磨損運行，運行安靜，振動極小，尤其適合半導體工業(yè)等超凈高真空應用場合。在此，將介紹2000 L 五自由度磁軸承渦輪分子泵樣機研究進展，重點關注磁懸浮分子泵試驗研究中遇到的各種復雜振動抑制問題。這些振動問題由各種因素所導致，包括泵轉(zhuǎn)子的彎曲模態(tài)振動，陀螺效應造成的轉(zhuǎn)子動力學失穩(wěn)，泵葉輪上葉片的顫振及一個由轉(zhuǎn)子與分子泵永磁電機共同導致的復雜振動模態(tài)。這些因素同時出現(xiàn)，并且均能對泵轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性造成破壞，必須在磁軸承控制器設計中同時解決，給控制器的設計帶來大的困難。

　　在分子泵轉(zhuǎn)子設計中，轉(zhuǎn)子一階彎曲模態(tài)頻率已經(jīng)盡量保持遠離轉(zhuǎn)子zui大工作轉(zhuǎn)動頻率即400 Hz,但其對轉(zhuǎn)子振動的影響依然不能忽略，尤其在高速運行時，陀螺效應造成一階彎曲振動反向渦動模態(tài)頻率下降明顯。通常認為傳統(tǒng)軸承支承的轉(zhuǎn)子，反向渦動很難被激發(fā)，但對電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，經(jīng)?？捎^察到反向渦動被激發(fā)出來。因此，在轉(zhuǎn)子工作于整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時，均應為彎曲模態(tài)振動提供足夠阻尼，避免一階彎曲正向或反向渦動被激發(fā)。事實上，如果電磁軸承振動控制不考慮彎曲模態(tài)的阻尼,轉(zhuǎn)子靜態(tài)懸浮時就會把轉(zhuǎn)子彎曲振動激發(fā)出來。

　　由于分子泵轉(zhuǎn)子芯軸上安裝有抽氣渦輪，其慣量比，即轉(zhuǎn)子極轉(zhuǎn)動慣量與赤道轉(zhuǎn)動慣量之比，較大，轉(zhuǎn)子陀螺效應明顯，陀螺力矩會對磁軸承轉(zhuǎn)子模態(tài)的穩(wěn)定性造成大的影響。除上邊所提到的對彎曲模態(tài)的影響，陀螺效應對轉(zhuǎn)子剛性模態(tài)的影響更加顯著。如果控制器中沒有采取相應的措施，當轉(zhuǎn)子遠未到達其zui大工作轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子章動( 轉(zhuǎn)子前向渦動剛體模態(tài)) 和進動( 轉(zhuǎn)子反向渦動剛體模態(tài)) 就會被激發(fā)，破壞轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。泵葉輪上的葉片，因其厚度不大，剛度偏低，單片葉片動力學模型類似懸臂梁，其一階彎曲頻率主要落在中頻段，即主要落在300~ 400 Hz 之間。轉(zhuǎn)子要到達其工作轉(zhuǎn)速，必須穿越這些模態(tài)頻率。如果沒有適當?shù)膽獙Υ胧?，當轉(zhuǎn)子同步頻率接近某個葉片模態(tài)頻率，對應的葉片模態(tài)振動會被轉(zhuǎn)子不平衡振動所激發(fā)。

　　在各種振動問題中，轉(zhuǎn)子與泵永磁電機的動力學耦合導致的振動模態(tài)是zui令人困惑的，也是zui難解決的。此振動模態(tài)在220 Hz 附近有固定的振動頻率，對其機理難以給出清晰解釋，但它確實與永磁電機狀態(tài)相關。在前期安裝了交流異步電機的測試泵上，沒有觀察到這樣的振動模態(tài)。在轉(zhuǎn)子靜態(tài)懸浮及電機低速運行時，該模態(tài)振動很難觀察到，而一旦轉(zhuǎn)速升到一定范圍，尤其當轉(zhuǎn)子章動頻率接近該模態(tài)的特征頻率，該模態(tài)會變得很危險，其穩(wěn)定性減小，zui終會破壞轉(zhuǎn)子的動力學穩(wěn)定。

　　為同時應對出現(xiàn)的這些振動問題，在控制器中使用了不同的針對性方法。陀螺效應導致的失穩(wěn)通過交叉反饋方法解決。彎曲模態(tài)、葉片顫振、220 Hz耦合模態(tài)等其它振動問題，均通過相位整形控制方法解決，但對應不同的問題，應用了不同的相位整形措施。

　　在文中，給出了這些振動抑制相關的試驗結(jié)果,轉(zhuǎn)子zui終能穩(wěn)定運行于其zui大工作轉(zhuǎn)速24000r/ min。zui后，給出了磁懸浮分子泵樣機所達到的基本真空性能指標。