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(fù)雜振動問題：轉(zhuǎn)子彎曲模態(tài)共振; 陀螺效應(yīng)造成動力學(xué)失穩(wěn); 葉輪葉片導(dǎo)致轉(zhuǎn)子顫振; 成因復(fù)雜的機(jī)電耦合模態(tài)振動。它們同時出現(xiàn)，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，給振動抑制帶來困難，需進(jìn)行精細(xì)的控制器設(shè)計。控制器中，對不同振動采用不同方法抑制：陀螺效應(yīng)依靠交叉反饋控制; 彎曲共振、分子泵葉輪葉片顫振及機(jī)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(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性，分子泵平穩(wěn)升速到24000 r/ min，樣機(jī)達(dá)到了設(shè)計真空性能指標(biāo)。

　　渦輪分子泵是獲取高真空的一個重要設(shè)備，被廣泛應(yīng)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(hù)成本低、動力學(xué)可控并可對轉(zhuǎn)子動不平衡進(jìn)行主動控制等特殊優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用上前景廣闊。對真空設(shè)備而言，非接觸懸浮是很有吸引力的。電磁軸承應(yīng)用于渦輪分子泵，可實(shí)現(xiàn)分子泵的無油、無磨損運(yùn)行，運(yùn)行安靜，振動極小，尤其適合半導(dǎo)體工業(yè)等超凈高真空應(yīng)用場合。在此，將介紹2000 L 五自由度磁軸承渦輪分子泵樣機(jī)研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注磁懸浮分子泵試驗(yàn)研究中遇到的各種復(fù)雜振動抑制問題。這些振動問題由各種因素所導(dǎo)致，包括泵轉(zhuǎn)子的彎曲模態(tài)振動，陀螺效應(yīng)造成的轉(zhuǎn)子動力學(xué)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(jī)共同導(dǎo)致的復(fù)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(shè)計中同時解決，給控制器的設(shè)計帶來大的困難。

　　在分子泵轉(zhuǎn)子設(shè)計中，轉(zhuǎn)子一階彎曲模態(tài)頻率已經(jīng)盡量保持遠(yuǎn)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(yùn)行時，陀螺效應(yīng)造成一階彎曲振動反向渦動模態(tài)頻率下降明顯。通常認(rèn)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)常可觀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(yīng)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(shí)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的措施，當(dāng)轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)未到達(dá)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(jìn)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(xué)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(dá)其工作轉(zhuǎn)速，必須穿越這些模態(tài)頻率。如果沒有適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施，當(dāng)轉(zhuǎn)子同步頻率接近某個葉片模態(tài)頻率，對應(yīng)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(jī)的動力學(xué)耦合導(dǎo)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(jī)理難以給出清晰解釋，但它確實(shí)與永磁電機(jī)狀態(tài)相關(guān)。在前期安裝了交流異步電機(jī)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(jī)低速運(yùn)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(dāng)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(xué)穩(wěn)定。

　　為同時應(yīng)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(yīng)導(dǎo)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(yīng)不同的問題，應(yīng)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(guān)的試驗(yàn)結(jié)果,轉(zhuǎn)子zui終能穩(wěn)定運(yùn)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(jī)所達(dá)到的基本真空性能指標(biāo)。