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：轉子彎曲模態共振; 陀螺效應造成動力學失穩; 葉輪葉片導致轉子顫振; 成因復雜的機電耦合模態振動。它們同時出現，嚴重影響轉子穩定性，給振動抑制帶來困難，需進行精細的控制器設計。控制器中，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振動，依靠各種不同的控制器傳遞函數相位整形方法。試驗驗證了方法的有效性，分子泵平穩升速到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子動不平衡進行主動控制等特殊優點，在工業應用上前景廣闊。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，包括泵轉子的彎曲模態振動，陀螺效應造成的轉子動力學失穩，泵葉輪上葉片的顫振及一個由轉子與分子泵永磁電機共同導致的復雜振動模態。這些因素同時出現，并且均能對泵轉子的穩定性造成破壞，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。

　　在分子泵轉子設計中，轉子一階彎曲模態頻率已經盡量保持遠離轉子zui大工作轉動頻率即400 Hz,但其對轉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頻率下降明顯。通常認為傳統軸承支承的轉子，反向渦動很難被激發，但對電磁軸承轉子系統，經常可觀察到反向渦動被激發出來。因此，在轉子工作于整個轉速范圍內時，均應為彎曲模態振動提供足夠阻尼，避免一階彎曲正向或反向渦動被激發。事實上，如果電磁軸承振動控制不考慮彎曲模態的阻尼,轉子靜態懸浮時就會把轉子彎曲振動激發出來。

　　由于分子泵轉子芯軸上安裝有抽氣渦輪，其慣量比，即轉子極轉動慣量與赤道轉動慣量之比，較大，轉子陀螺效應明顯，陀螺力矩會對磁軸承轉子模態的穩定性造成大的影響。除上邊所提到的對彎曲模態的影響，陀螺效應對轉子剛性模態的影響更加顯著。如果控制器中沒有采取相應的措施，當轉子遠未到達其zui大工作轉速時，轉子章動( 轉子前向渦動剛體模態) 和進動( 轉子反向渦動剛體模態) 就會被激發，破壞轉子穩定性。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。轉子要到達其工作轉速，必須穿越這些模態頻率。如果沒有適當的應對措施，當轉子同步頻率接近某個葉片模態頻率，對應的葉片模態振動會被轉子不平衡振動所激發。

　　在各種振動問題中，轉子與泵永磁電機的動力學耦合導致的振動模態是zui令人困惑的，也是zui難解決的。此振動模態在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。在轉子靜態懸浮及電機低速運行時，該模態振動很難觀察到，而一旦轉速升到一定范圍，尤其當轉子章動頻率接近該模態的特征頻率，該模態會變得很危險，其穩定性減小，zui終會破壞轉子的動力學穩定。

　　為同時應對出現的這些振動問題，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通過交叉反饋方法解決。彎曲模態、葉片顫振、220 Hz耦合模態等其它振動問題，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果,轉子zui終能穩定運行于其zui大工作轉速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。