磁力轴承-转子-基础系统的耦合动力学分析

研究了基础运动对磁力轴承转子系统动力学特性的影响,结合转子运动方程和系统控制器的电学微分方程,分析了陀螺效应、传感器与磁轴承非共点安装对系统动力学性能的影响,建立了磁悬浮轴承-转子-基础系统的机电耦合动力学模型,应用所建模型对5自由度磁悬浮转子系统进行了动力学性能分析。结果表明,基础的支承刚度对转子的摆动频率及临界转速影响显著,该模型适用于5自由度磁悬浮轴承-转子-基础系统的动力学性能研究。     

磁悬浮轴承-转子-基础系统的耦合动力学模型

建立了磁悬浮轴承-转子-基础系统完整的机电耦合动力学模型.除了人们通常考虑的陀螺效应、控制系统的电学微分方程、传感器与磁轴承非共点安装对系统性能的耦合影响外,着重考虑和增加了基础横向振动对系统动态特性的影响,该模型可用于五自由度磁悬浮轴承-转子-基础系统的机电耦合动力学生能研究.     

推力磁轴承的力学特性及其对径向磁轴承的影响

讨论了计入推力盘静态倾斜影响后的推力磁轴承的力学特性,导出了其静、动特性的系数公式,并结合某涡轮膨胀机的推力磁轴承进行了实例计算。结果表明,推力盘的静态倾斜对推力磁轴承的力学特性产生显著影响,并改变径向磁轴承的静负荷分配,使得推力磁轴承与径向磁轴承之间产生强烈的耦合作用。该结果可用于5自由度磁悬浮轴承－转子系统的机电耦合动力学研究。     

三支承磁悬浮轴承的不对中特性

应用多个磁悬浮轴承支承的转子系统,由于机械加工以及安装等方面的误差会导致各个磁悬浮轴承之间有一定的不对中量。提出了将转子偏离磁轴承中心悬浮,以减小各个支承悬浮位置的不对中量;结合单自由度磁轴承控制原理,分析了转子悬浮位置偏离中心对磁轴承悬浮性能的影响;从理论和试验两个方面对比研究了3个不对中磁悬浮轴承支承的转子悬浮在磁轴承中心和偏离中心后磁轴承的控制电流和抗扰动性能。研究结果表明一定程度的偏离磁轴承中心悬浮能够提高磁悬浮轴承系统的稳定性。     

基于α阶逆系统的两自由度主被动磁悬浮转子解耦控制

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)磁轴承两径向平动自由度之间存在较强耦合的问题,提出采用α阶逆系统方法对主被动磁轴承系统进行解耦控制。首先,根据主被动磁轴承的结构特点,建立了主被动磁悬浮转子径向通道平动力模型以及动力学模型;利用上述模型分析了两径向自由度之间的耦合特性,并对系统进行可逆性分析,得到了原磁轴承系统的α阶逆系统模型。然后,将原系统与α阶逆系统组合得到二阶积分线性系统,利用最优控制器实现闭环控制。最后,对本文方法进行了仿真及实验。结果表明,当x向有40μm位移阶跃和18μm幅值的正弦干扰时,利用本文方法可将y向位移跳动控制在PID控制方法的13.6%和17.9%,实现了主被动磁悬浮转子两径向平动通道之间的解耦控制。     

磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承的变工作点线性化自适应控制方法

为提高磁悬浮控制力矩陀螺框架高速时的磁悬浮转子系统稳定性,研究磁轴承的电磁力-线圈电流/转子位移非线性的线性化及其控制方法.分析框架转动时的磁轴承工作点变化规律,提出磁轴承力-电流/位移特性基于框架转速的变工作点大范围线性化方法,根据线性化得到的线性变参数模型设计增益调节与前馈控制相结合的控制律,按照框架转速的大小对磁轴承位移刚度的变化进行自适应补偿,在磁悬浮转子稳定前提下使框架转速由6.25(°)/S提高到9.5(°)/S.该方法能有效补偿框架运动时的磁轴承力非线性,大幅提高框架转速较高时的磁悬浮转子系统稳定性.     

重复控制在磁悬浮高速转子振动抑制中的应用

针对高速磁悬浮电机磁轴承的不平衡振动问题,分析了磁悬浮电机转子不平衡振动的周期性特性,建立了磁轴承不平衡力模型,提出了一种用于抑制高速磁悬浮电机磁轴承不平衡振动的插入式重复控制器,对闭环系统的稳定性、稳态性能和干扰抑制能力进行了分析,并进行了仿真和实验验证。在4kW磁轴承电机上进行的实验结果表明,该重复控制器有效地抑制了转子的不平衡振动,在10kr/min的转速下,转子x,y向位移峰峰值分别减小了33%和37%,转频处转子x,y向位移振动峰值分别减小了42.1%和45.4%,有效提高了磁悬浮轴承的控制精度和稳定性。     

飞轮材料对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响

为了解磁悬浮轴承转子系统动态特性,进而对其结构进行优化设计,建立了磁悬浮轴承转子系统的动力学模型,假设磁轴承是具有一定刚度的弹簧模型,以7075铝合金材料飞轮为突破口,利用ANSYS Workbench进行转子系统的模态分析,得到了转子的固有频率和振型;并针对不同飞轮材料对转子系统固有频率的影响规律进行对比研究,得出7075铝合金作为飞轮材料优于其他3种合金材料的结论,为转子系统的结构设计和优化提供了重要参考。     

新型同位阻尼磁轴承模型及其特性研究

针对以往磁轴承转子系统的振动抑制能力不足的问题,对新型同位电磁阻尼和单自由度磁轴承转子系统进行了研究,提出了一种同位电磁阻尼并应用到抑制磁悬浮转子的振动中。基于以往阻尼力模型重新推导了同位阻尼力数学模型,考虑了线圈电流变化对阻尼力模型的影响,并利用磁矢位计算使阻尼力模型更加精准,分析了同位阻尼力在转子上的分布情况及与电流和位移的关系。将同位阻尼与单自由度磁轴承相结合,建立了新型同位阻尼磁轴承模型,利用该磁轴承模型对同位阻尼抑制转子振动能力进行了分析。仿真结果表明,新型磁轴承模型中的同位阻尼能够将转子最大振动位移偏差从无阻尼时的1.65×10-5m减小到2×10-6m,明显地减小了转子系统的位移偏差,能够达到增强磁轴承转子系统抑制振动能力的目的。     

基于惯性运动自适应前馈的磁轴承基座扰动抑制

为抑制主动磁轴承中基座的运动造成转子的振动增大,设计并实现了一种基于惯性运动的前馈控制方法。首先,针对基座运动状态下的磁轴承系统,建立了基座运动的五自由度磁轴承转子动力学模型,然后,分析了在基座进行小幅度复杂运动时转子受扰动力的动力学,提出了一种基于自适应算法的惯性前馈方法。最后,采用搭建的实验平台对不同扰动下开启前馈控制前后转子的响应进行了实验研究。实验结果表明：自适应前馈控制器使能后,磁轴承转子的位移减少了80%以上。设计的自适应前馈控制方法能够有效抑制磁悬浮系统基座扰动对转子振动的影响,大幅提高了磁轴承转子的运行精度,且设计的系统仅需增加一个小体积的惯性微机电测量单元,满足实际工程应用需求。     

磁悬浮硬盘转子机电耦合动力学分析

为研究磁悬浮硬盘转子的动力学特性,建立了一种基于状态空间的统一的动力学模型,同时将磁力轴承为弹簧阻尼支承系统建立简化的转子动力学模型,通过两种模型的计算结果分析,机、电、磁、控制相互耦合的作用,对磁悬浮硬盘转子系统的特征值有较大的影响。     

强非线性条件下的磁轴承高速电动机

为解决磁轴承高速电动机转子中,永磁电动机磁偏拉力与转子残余不平衡导致的磁轴承电磁力非线性问题,实现转子高速稳定运行,采用全局线性化方法对电磁力进行线性化;同时,改进控制器的设计,使用增益调度方法实现转子平稳通过刚性临界转速,并通过有效降低控制器在转子工作频率附近的增益,使转子在高速下能近似围绕质量中心转动,避免电磁力的饱和。最终实现了强非线性条件下磁轴承电动机的高速稳定运行。     

STUDY ON THE COUPLED ELECTROMECHANICAL DYNAMICS OF ROTOR SYSTEM EQUIPPED WITH MAGNETIC BEARINGS

The influences of thrust magnetic bearing and journal tilt on dynamic characteristics of rotor system are studied mainly. The outcome shows that the influences of coupling effects of thrust magnetic bearing and tilt of journal on critical rotational speeds of system are very large, and the stability of system reduces greatly. That shows it is important that the influence of coupling effects of thrust and radial magnetic bearings due to the rotor tilting must be considered in the study of rotor-magnetic bearings system dynamic characteristics, and also shows it is important that the rotor is mounted and debugged in ideal alignment of magnetic bearings.     

磁力轴承刚度的实验测量方法

在磁力轴承研究中关于磁力轴承刚度存在两种不同的定义,从转子受力分析和控制系统传递函数角度看,这两种刚度定义之间存在差异。针对两种不同的刚度定义分别给出了其测量方法,并设计了磁力轴承刚度测量的实验系统。该实验系统可以实现磁悬浮转子静态悬浮、刚性旋转和柔性旋转工作状态下的刚度测量。     

基于轴向电机泵的被动永磁轴承设计与力学分析

随着现代先进制造业的高速发展,对于轴承的要求越来越高,传统轴承很难满足这些要求。将磁悬浮技术引入泵的转子系统上,用被动永磁轴承替代传统的机械轴承,基于磁路设计原理计算出轴承尺寸,并通过等效磁荷法分析永磁轴承的承载力及轴向力。     

不同轴承支撑下碰摩转子系统的动力学特性

研究了不同类型轴承支撑下的转子碰摩故障振动特征。首先,采用了计及回转效应、剪切效应及横向扭转的梁单元建立了实验装置转子的有限元分析模型;然后,通过二维计算流体力学方法得到不同类型轴承的动力学参数;最后,在此基础上,结合非线性动力学理论,分析比较了转子在圆柱轴承、可倾瓦轴承等5种轴承支撑下的碰摩非线性动力学行为。研究结果表明：在椭圆轴承、五瓦轴承和四瓦可倾瓦轴承支撑下,系统主要表现为同频周期运动;而对于圆柱轴承和四油叶轴承支撑,系统会出现较复杂的运动。本研究工作是对之前转子碰摩非线性动力学研究的扩展,所得计算结果可为大型高速旋转机械系统动态设计制造和碰摩故障的诊断和控制提供理论参考。     

磁悬浮转子系统耦合特性测试方法及测试台的设计

磁悬浮转子系统中，根据磁力轴承工作原理，径向磁力轴承内存在力耦合、磁耦合；径向磁力轴承之间存在力耦合、力矩耦合。这些耦合现象对磁悬浮转子系统的结构设计、系统建模和控制系统的设计都有影响。在对磁悬浮转子系统耦合特性研究的基础上，提出了磁悬浮转子系统耦合特性测试的实验方法。并且提出了相应测试实验台的设计方案。     

磁力轴承转子系统的力耦合和力矩耦合分析

为减轻或消除磁力轴承转子系统中存在的力耦合和力矩耦合,针对八极径向磁力轴承,在不考虑时间因数的情况下,以转子与定子的偏心为变量,分析和计算了电磁力的分布,推导了径向磁力轴承沿周向任意点处电磁力的表达式,提出了磁力轴承转子系统力耦合和力矩耦合概念,并推导出交叉耦合系数计算公式。计算结果表明：力耦合和力矩耦合总是存在的,结构设计无法解决,只有采用控制补偿的方法才能减少或消除这两种耦合。     

基于ROMAX的球轴承转子系统动态性能分析

滚动轴承转子系统在旋转机械系统中得到广泛应用,其动态性能对旋转机械有着重要的影响。基于Romax软件建立球轴承转子系统的动力学分析模型,通过算例分析了工况参数和结构参数对球轴承转子系统动态特性的影响规律,并通过实验结果验证了Romax对轴承性能预测的准确性。研究发现球轴承的接触角、内外圈沟曲率系数与安装位置对轴承的刚度、寿命与转子系统临界转速等动态性能有较大影响。工程中需要选择合适的结构与工况参数以满足转子系统的性能要求。