磁懸浮儲(chǔ)能飛輪振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究

薛曉川,王志強(qiáng)

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

磁懸浮儲(chǔ)能飛輪振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究

薛曉川,王志強(qiáng)

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

針對(duì)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)會(huì)影響轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和系統(tǒng)正常工作的問(wèn)題，對(duì)其擾動(dòng)原因進(jìn)行研究。通過(guò)建立含有轉(zhuǎn)子不平衡量的廣義干擾方程和磁懸浮飛輪動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)不平衡振動(dòng)中的同頻、倍頻及模態(tài)分量進(jìn)行理論分析。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于LabVIEW-DAQ的磁懸浮飛輪振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成對(duì)儲(chǔ)能飛輪振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理和顯示，實(shí)現(xiàn)了飛輪的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè),并對(duì)一臺(tái)300 kW儲(chǔ)能飛輪進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)儲(chǔ)能飛輪工作的強(qiáng)電環(huán)境引起的信號(hào)噪聲，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波閾值消噪處理。對(duì)消噪后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，獲取某一轉(zhuǎn)速下飛輪的振動(dòng)頻譜圖和不同轉(zhuǎn)速下飛輪振動(dòng)信號(hào)的三維瀑布圖。試驗(yàn)結(jié)果表明，該飛輪振動(dòng)頻譜中存在穩(wěn)定的飛輪旋轉(zhuǎn)頻率成分及其倍頻分量。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，具有一定的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

儲(chǔ)能飛輪； 磁懸??； 不平衡振動(dòng)； 頻率成分； 數(shù)據(jù)采集； 小波消噪； 頻域分析； 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0 引言

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新型儲(chǔ)能方式，以其高效、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的發(fā)展前景，并已在電網(wǎng)系統(tǒng)、軌道交通等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用[1]。其原理是通過(guò)飛輪升降速，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。相比機(jī)械軸承，磁軸承具有無(wú)摩擦、體積小、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)[2]，將磁軸承應(yīng)用于儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)是近幾年的研究熱點(diǎn)。

磁懸浮儲(chǔ)能飛輪工作時(shí)常伴有不平衡振動(dòng)，會(huì)影響其工作性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痫w輪失穩(wěn)。對(duì)振動(dòng)源進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)，已成為飛輪研究的重要問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]中的飛輪振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)小型反作用力飛輪的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，但不適用于大型儲(chǔ)能飛輪。文獻(xiàn)[5]采用廣義Lagrange-Maxwell方程，從機(jī)電耦合特性的角度，對(duì)磁懸浮飛輪系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，但缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文針對(duì)磁懸浮飛輪的不平衡振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)建立廣義干擾和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)振動(dòng)源中的同頻、倍頻和模態(tài)分量進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于LabVIEW-DAQ的飛輪振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以識(shí)別振動(dòng)源中的各個(gè)分量并進(jìn)行分析，為飛輪的故障診斷和狀態(tài)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 磁懸浮飛輪振動(dòng)特性分析

儲(chǔ)能飛輪作為復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)，其振動(dòng)原因較為復(fù)雜，但具有基本相同的表現(xiàn)形式。根據(jù)其頻域特征，可主要?jiǎng)澐譃橥l分量、倍頻分量和模態(tài)分量?，F(xiàn)通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型的方法，對(duì)引起磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子不平衡的各種分量進(jìn)行分析。

1.1 飛輪振動(dòng)中的同頻分量

磁懸浮飛輪正常工作時(shí)，振動(dòng)成分中存在同頻分量，其頻率等于飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，且振動(dòng)幅值較大。通過(guò)建立廣義干擾和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型的方法，對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)子廣義干擾示意圖如圖1所示。以飛輪質(zhì)心O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，Z軸為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸，X平面、Y平面過(guò)原點(diǎn)且與Z軸互相垂直。X軸、Y軸方向隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不斷變化。

圖1 轉(zhuǎn)子廣義干擾示意圖

轉(zhuǎn)子不平衡量是引起飛輪不平衡振動(dòng)的重要原因，這源于加工制造工藝的限制,可以通過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正來(lái)減小，但無(wú)法徹底消除。其表現(xiàn)形式為飛輪工作時(shí)旋轉(zhuǎn)主軸和慣性主軸不重合。磁懸浮飛輪的工作原理是將飛輪轉(zhuǎn)子懸浮于轉(zhuǎn)子的幾何軸，因此當(dāng)飛輪繞轉(zhuǎn)子幾何軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，飛輪的慣性主軸就會(huì)繞幾何軸轉(zhuǎn)動(dòng)[6]，產(chǎn)生慣性力和慣性力偶矩使轉(zhuǎn)子發(fā)生不平衡振動(dòng)?，F(xiàn)從廣義干擾的角度，對(duì)飛輪的不平衡振動(dòng)原因進(jìn)行分析。

根據(jù)不平衡的定義可知，不平衡量存在時(shí)的一種表現(xiàn)形式為力和力矩的廣義干擾作用于飛輪[7]。ω(t)為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率；F(t)為所有引起飛輪振動(dòng)的轉(zhuǎn)子慣性離心力的合力，即主矢；M(t)為慣性離心力矩的合力偶矩，即主矩；θ為初始相位差。F(t)和M(t)的方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，其頻率均等于飛輪的旋轉(zhuǎn)頻率。分別將F、M在X軸、Y軸上進(jìn)行分解，得：

(1)

(2)

將主矢和主矩的共同作用看作一種廣義干擾，在X軸、Y軸上進(jìn)行分解，分量為Ax(t)和Ay(t)。由于主矢和主矩的頻率均等于飛輪轉(zhuǎn)頻，故廣義干擾分量的頻率也與飛輪旋轉(zhuǎn)頻率相等。設(shè)其幅值分別為Ax0和Ay0，φ為干擾量相對(duì)于坐標(biāo)系的初始相位，則有：

(3)

在不考慮磁軸承控制的前提下，單獨(dú)分析引入轉(zhuǎn)子不平衡激勵(lì)帶來(lái)的影響。此時(shí)可將飛輪簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度的線性系統(tǒng)。廣義干擾Ax(t)、Ay(t)為系統(tǒng)的激勵(lì)源，可以看出在X方向和Y方向上，會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的同頻分量，表現(xiàn)為飛輪以等同于轉(zhuǎn)頻的頻率振動(dòng)。

此外，轉(zhuǎn)子的不平衡量還會(huì)激發(fā)磁軸承電流剛度力和位移剛度力中的同頻分量。在磁懸浮飛輪系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子的不平衡量會(huì)導(dǎo)致磁軸承中心平面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的偏移。磁懸浮飛輪動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

圖2 磁懸浮飛輪動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化圖

圖2中：外圓為徑向磁軸承，內(nèi)圓為飛輪轉(zhuǎn)子。

以磁軸承的幾何中心O′為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，X軸、Y軸的方向與位移傳感器的安裝方向一致。由于轉(zhuǎn)子不平衡量的存在，使得其幾何軸和慣性主軸不重合。轉(zhuǎn)子以ω(t)的轉(zhuǎn)速作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),O為轉(zhuǎn)子幾何中心，P為轉(zhuǎn)子質(zhì)心，ε為OP向量的模長(zhǎng)。以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸為M和N，且方向隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻變化。OP向量與M軸的夾角為θ′。t時(shí)刻M軸與X軸夾角為ω(t)t。X(t)和Y(t)為轉(zhuǎn)子的幾何中心相對(duì)于磁軸承幾何中心的位移分量，為磁軸承的控制量。X′(t)和Y′(t)為轉(zhuǎn)子的質(zhì)心相對(duì)于磁軸承幾何中心的位移分量。

由圖2中的幾何關(guān)系，得到如下方程組：

(4)

磁懸浮飛輪正常工作時(shí)的控制電流一般小于偏置電流，此時(shí)可得到磁懸浮飛輪徑向轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程，如式(5)所示。

(5)

式中：Fx、Fy分別為磁軸承在X和Y方向的控制力；μ為真空磁導(dǎo)率；n為線圈匝數(shù)；S為磁鐵的橫截面積；σ為磁鐵磁極偏角；iy為偏置電流；ix、iy分別為X和Y方

向的控制電流；X0、Y0分別為轉(zhuǎn)子在平衡位置時(shí)X方向和Y方向的位移。

當(dāng)轉(zhuǎn)子在平衡位置處的位移X=X0、Y=Y0時(shí)，可將方程組作線性化處理，分別對(duì)電流、位移求偏導(dǎo)，在X、Y趨于0的條件下作一階Taylor展開,得：

(6)

化簡(jiǎn)得：

(7)

實(shí)際控制時(shí)，控制電流為轉(zhuǎn)子位移的PID函數(shù)，因此,不平衡引入的擾動(dòng)會(huì)同時(shí)引入到位移項(xiàng)和電流項(xiàng)之中，代入式(6)可得:

(8)

由此可知，轉(zhuǎn)子的不平衡量在磁軸承控制的過(guò)程中引入同頻干擾。

1.2 飛輪振動(dòng)中的倍頻分量

在對(duì)飛輪進(jìn)行磁懸浮時(shí)，需根據(jù)位移傳感器的測(cè)量值對(duì)磁軸承的軸向和徑向位移進(jìn)行控制。飛輪倍頻干擾主要由傳感器諧波噪聲引起，最終表現(xiàn)為對(duì)磁軸承控制電流項(xiàng)的影響。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(9)

式中：λx、λy分別為位移傳感器引入的噪聲干擾；λx,i、λy,i分別為各次諧波對(duì)應(yīng)的干擾幅值；Ψx,i、Ψy,i分別為各次諧波干擾項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的初始相位。

將λx、λy代入式(8),可得：

(10)

由此可知，傳感器倍頻擾動(dòng)會(huì)在磁軸承轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)方程中引入倍頻分量。

1.3 飛輪振動(dòng)中的模態(tài)分量

除同頻、倍頻擾動(dòng)外，模態(tài)分量也是引起飛輪不平衡振動(dòng)、制約飛輪轉(zhuǎn)速的重要原因。這種由模態(tài)分量引起的飛輪擾動(dòng)被稱為結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)，它取決于飛輪系統(tǒng)的固有頻率。在飛輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，存在轉(zhuǎn)子固有頻率和飛輪旋轉(zhuǎn)頻率相等的情況，即引發(fā)共振[8]。系統(tǒng)中的共振頻率由質(zhì)量、剛度和衰減系數(shù)決定[9]。因此，為了避免因不平衡激勵(lì)引發(fā)的共振現(xiàn)象，應(yīng)使飛輪轉(zhuǎn)頻盡量遠(yuǎn)離飛輪的固有頻率。飛輪轉(zhuǎn)子的各階模態(tài)固有頻率可由有限元分析軟件計(jì)算得到。

2 飛輪振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了獲取某一時(shí)刻磁懸浮飛輪的振動(dòng)數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了一套飛輪振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集、處理、顯示和記錄。后期可通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波閾值去噪、快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)頻譜分析、三維瀑布圖分析的方法進(jìn)行驗(yàn)證，以識(shí)別飛輪不同狀態(tài)下的振動(dòng)對(duì)應(yīng)頻率，進(jìn)而判斷飛輪的運(yùn)行狀態(tài)。

總體設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)固連在飛輪殼體上的多個(gè)壓電式加速度計(jì)，獲取飛輪的振動(dòng)信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)通過(guò)恒流適配器，傳送到集成有數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)中。使用編寫的上位機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，處理和記錄。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 系統(tǒng)硬件

振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由工控機(jī)、NI PCI-6255數(shù)據(jù)采集卡、CT5200恒流適配器和CT-1050LC加速度計(jì)等模塊實(shí)現(xiàn)。硬件部分設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 硬件部分設(shè)計(jì)框圖

數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的PCI-6255數(shù)據(jù)采集卡，采用擁有較高的分辨率和敏感度的高度精M系列模塊。傳感器安裝位置如圖5所示。

圖5 傳感器安裝位置示意圖

測(cè)量敏感元件選用CT1050系列壓電式加速度傳感器。該傳感器基于壓電效應(yīng)原理，具有頻域?qū)?、靈敏度高、橫向靈敏度小等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試系統(tǒng)使用六個(gè)壓電式加速度傳感器與飛輪殼體固連。兩組互相正交、水平放置，測(cè)量飛輪徑向方向振動(dòng)；兩個(gè)傳感器豎直放置，測(cè)量輪體軸向方向振動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)軟件

LabVIEW虛擬儀器具有靈活性好、開發(fā)費(fèi)用低、周期短、人機(jī)交互性好的特點(diǎn)。本試驗(yàn)系統(tǒng)軟件部分采用圖形化編程軟件LabVIEW平臺(tái)中的DAQ數(shù)據(jù)采集功能[10]。其流程是：先設(shè)定數(shù)據(jù)采集的工作狀態(tài)，如通道數(shù)、采樣率、數(shù)據(jù)記錄文件路徑等；再運(yùn)行振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集程序，并將各個(gè)通道振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖實(shí)時(shí)顯示在主面板上。軟件部分設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖6 軟件部分設(shè)計(jì)框圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

利用試驗(yàn)室研制的一臺(tái)300 kW磁懸浮儲(chǔ)能飛輪進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。其主要技術(shù)指標(biāo)為：額定功率為300 kW，額定轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，整體質(zhì)量為855 kg，轉(zhuǎn)子直徑為314 mm，位移傳感器分辨率為2.6×10-3V/μm。

3.1 飛輪模態(tài)分析

首先分析振動(dòng)模態(tài)分量的影響。在實(shí)際飛輪系統(tǒng)中，當(dāng)飛輪工作頻率與其固有頻率相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮最大效能。使用ANSYS軟件對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元分析，可得到X方向一階、二階固有頻率為697.6 Hz和1 844.4 Hz，對(duì)應(yīng)振型分別為X方向一階、二階彎曲。由于儲(chǔ)能飛輪的額定轉(zhuǎn)速為30 000 r/min(轉(zhuǎn)頻為500 Hz)，低于轉(zhuǎn)子的一階彎曲模態(tài)頻率，因此可以將其視為剛性轉(zhuǎn)子，忽略擾動(dòng)中模態(tài)分量的影響。

3.2 小波閾值去噪

對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的飛輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。由于實(shí)測(cè)信號(hào)中不可避免地存在噪聲，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，可運(yùn)用小波變換的自適應(yīng)閾值方法對(duì)振動(dòng)原始信號(hào)進(jìn)行消噪處理，提取信號(hào)中的有用成分。具體實(shí)現(xiàn)手段是先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到小波變換系數(shù)計(jì)算閾值；舍去小于閾值的變換系數(shù)，對(duì)于大于閾值的變換系數(shù)，采用軟閾值方法進(jìn)行處理；作小波逆變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原，實(shí)現(xiàn)圖像去噪的目的[11]。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

①選取DB4和Sym4小波基對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行2層分解。

②計(jì)算相應(yīng)子空間的均值、中值和均方根，確定最優(yōu)閾值。

③對(duì)大于閾值的系數(shù)作軟閾值處理。

④小波包重構(gòu)信號(hào)恢復(fù)。

振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖如圖7所示。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，小波去噪效果明顯，驗(yàn)證了該方法的有效性和正確性。

圖7 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖

3.3 FFT頻譜分析

頻域特性是數(shù)字信號(hào)的基本特性。從頻域角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理，容易對(duì)信號(hào)的特性進(jìn)行深入了解[12]。振動(dòng)信號(hào)頻譜分析法是在通用信號(hào)處理理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是診斷工作的依據(jù)[13]。傅里葉變換是一種積分變換，它建立了信號(hào)時(shí)域與頻域聯(lián)系的紐帶。

借助MATLAB軟件對(duì)采集到的小波去噪后的信號(hào)進(jìn)行FFT處理，得到振動(dòng)信號(hào)的頻域圖。通過(guò)同一轉(zhuǎn)速下某傳感器測(cè)量飛輪振動(dòng)信號(hào)頻域圖，進(jìn)行頻域分析，可以得出各個(gè)頻率下對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值大小，識(shí)別對(duì)應(yīng)的特征頻率。將對(duì)應(yīng)的飛輪轉(zhuǎn)速、頻率、振幅繪制成三維瀑布圖，分析飛輪的振動(dòng)幅值大小及其對(duì)應(yīng)頻率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。在對(duì)徑向方向傳感器測(cè)量值進(jìn)行頻譜分析時(shí)，盡管X方向和Y方向的受力以及磁軸承的剛度及阻尼略有不同，但振動(dòng)的本質(zhì)規(guī)律相同。因此取X方向某一傳感器的測(cè)量結(jié)果作FFT并繪制頻譜圖。飛輪轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)的頻域波形圖如圖8所示。

不考慮信號(hào)頻譜中直流分量的影響，對(duì)磁懸浮飛輪的振動(dòng)頻率進(jìn)行分析。

圖8 振動(dòng)頻譜圖(4 500 r/min)

由圖8可以明顯地看出，系統(tǒng)的主振頻率為75.1 Hz，基本等于飛輪在4 500 r/min狀態(tài)時(shí)的同頻振動(dòng)頻率，誤差為0.13%，其振動(dòng)幅值達(dá)到了0.023 07g(g為重力加速度)。其振動(dòng)源是由轉(zhuǎn)子不平衡量引起的慣性離心力和力矩，以及磁軸承電流剛度力和位移剛度力中的同頻分量。這些因素的疊加會(huì)引起飛輪系統(tǒng)的同頻振動(dòng)。

同時(shí)，從圖8還可以看出，系統(tǒng)中存在倍頻振動(dòng)分量，即轉(zhuǎn)頻的高次諧波。其振動(dòng)幅值小于同頻分量，以二倍頻、三倍頻較為明顯。該倍頻振動(dòng)分量與磁軸承位移傳感器引入的諧波噪聲分量有關(guān)。信號(hào)在50 Hz左右處存在穩(wěn)定的分量，且幅值較大。該分量由工頻電信號(hào)干擾造成，實(shí)際分析時(shí)可略去。如需避免工頻干擾，可以采取使用抗電磁干擾的采集卡等措施，改善系統(tǒng)性能。

儲(chǔ)能飛輪徑向振動(dòng)信號(hào)在某轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的三維轉(zhuǎn)子降速瀑布圖如圖9所示。

圖9 三維轉(zhuǎn)子降速瀑布圖

在磁懸浮飛輪自由降速的過(guò)程中，忽略直流分量和工頻干擾的影響，系統(tǒng)的振動(dòng)主頻是飛輪的工作轉(zhuǎn)速頻率，且振動(dòng)幅值最大。采用提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)精度等方法減小此同頻振動(dòng)量。除此之外，還可以明顯地看出，系統(tǒng)中存在轉(zhuǎn)頻的倍頻成分，以2次、3次諧波為主。通過(guò)降低位移傳感器諧波噪聲，可減小倍頻分量對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)的額定工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子一階固有頻率，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。試驗(yàn)現(xiàn)象與之前的理論分析相吻合，同時(shí)也表明飛輪振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較好地完成實(shí)時(shí)采集、處理和監(jiān)測(cè)的預(yù)期功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以磁懸浮飛輪的不平衡振動(dòng)為研究對(duì)象，分析了飛輪振動(dòng)成分中的同頻、倍頻和模態(tài)分量。在廣義干擾方程和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，闡述了各種振動(dòng)分量的原因和影響因素。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種飛輪振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)飛輪的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、處理和顯示。后期對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波閾值消噪和頻譜分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，磁懸浮飛輪正常工作時(shí)，存在穩(wěn)定的同頻和倍頻振動(dòng)分量。驗(yàn)證了理論分析的合理性和本系統(tǒng)的可行性，為飛輪故障診斷和狀態(tài)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

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Study on the Vibration Condition Monitoring
for Magnetic Levitation Energy Storage Flywheel

XUE Xiaochuan,WANG Zhiqiang
(College of Instrument Science and Optoelectronic Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

In magnetic levitation energy storage flywheel system,the unbalanced vibration may influence the stability of the rotor and the normal operation of system;aiming at these problems,the reasons of the disturbance are studied.Through establishing the generalized disturbance equation containing unbalance quantity of rotor,and the dynamics equation of magnetic levitation flywheel,the theoretical analysis of the same frequency,double frequency and modal components in the unbalance vibration is carried out.A vibration condition monitoring system based on LabVIEW-DAQ for the magnetic levitation flywheel is designed and implemented.With this system,real-time acquisition,processing and display of the flywheel vibration signal can be completed,and the vibration condition monitoring of flywheel is implemented,and the experimental verification for a certain 300 kW energy storage flywheel is conducted.Aiming at the signal noise caused by the strong electric working environment of flywheel,the original signals are processed with wavelet threshold denosing,and the frequency domain syslysis is accomplished for the vibration signal after denoising,to obtain the vibration spectrum of the flywheel at a certain speed; and the three dimensional waterfall diagram of flywheel vibration signal under different speeds.The experimental results show that in the vibration spectrum of the flywheel,both the stable flywheel rotating frequency component and the double frequency component exist.The system is simple and versatile,so it has good market prospect and application value.

Energy storage flywheel; Magnetic levitation; Unbalance vibration; Frequency component; Data acquisition; Wavelet manic elimination; Frequency domain analysis; Condition monitoring

薛曉川(1993—)，男，在讀碩士研究生，主要從事電機(jī)伺服控制技術(shù)、集成電路設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理等方向的研究。 E-mail：sleepingriver@163.com。 王志強(qiáng)(通信作者)，男，博士，講師，主要從事先進(jìn)空間慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、交流永磁電機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)的研究。E-mail：wangzhiqiang@buaa.edu.cn。

TH825;TP806+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707022

修改稿收到日期：2017-01-31