高可靠性主动磁悬浮轴承的冗余支承重构关键技术研究

High-speed and accurate rotor system is the critical component in advanced manufacturing equipment and core defence equipment, but conventional mechanical bearings can't satisfy its supporting characteristics requirement because mechanical friction limits bearing performance improvement. Active magnetic bearings,with the advantages of no mechanical touch, no frays and dispensing with lubricate, high accuracy, controlled support characteristics and high speed only limited by rotor materials, is the excellent choice of high-speed and accurate rotor. Therefore current availability status of active magnetic bearings can't satisfy the requirement of high-tech equipment, such as aircraft engine. Redundancy design is an effective measure to improve availability.By reconfiguring redundant supporting, effective supporting forces are continuely generated to maintain bearing system operation while partial structural faults emerging. Considering current control theory and method of active magnetic bearings not enough to cope with complicated faults condition，this proposal carries on the research of faults characteristic recognition in Active magnetic bearings system, and redundant supporting reconfiguration standards and control strategy, which aims to understand the control mechanism in redundant supporting reconfiguration under complicated faults situation, and improve the service life and availability of active magnetic bearings to ensure security of applications in advanced manufacturing equipment and core defence equipment.

高速精密转子系统是先进制造装备与国防核心装备的关键部件，而常规机械轴承性能无法满足高速精密转子的支承性能需求，其原因是机械摩擦特性限制了机械轴承性能大幅提升。主动磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑、精度高、支承特性可控等特点，其转子速度理论上仅受限于转子材料，是高速精密转子系统的理想支承。但目前主动磁悬浮轴承的可靠性无法满足诸如航空发动机等高科技设备的要求。冗余性设计是提高可靠性的有效措施，在主动磁悬浮轴承部分结构故障后，通过在线重构冗余支承而继续提供有效支承力，维持轴承系统正常运行。现有的主动磁悬浮控制理论与方法不足以对应对复杂故障状况，为此，本项目研究主动磁悬浮轴承系统失效特征识别、基于失效特征的冗余支承重构准则与控制策略，旨在掌握适应复杂失效工况的冗余支承重构控制机理，提高主动磁悬浮轴承在复杂工况下的可靠性与使用寿命，保障主动磁悬浮轴承在先进制造装备或国防核心装备中的应用安全。

高速精密转子系统是先进制造装备与国防核心装备的核心环节，是提高装备整体性能的关键，常规机械轴承性能无法满足其支承需求。磁悬浮轴承具有无机械摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长、支承特性可控等突出优点，转子速度理论上仅受限于材料强度，因此是高速精密转子的理想支承。. 但在配备磁悬浮轴承的旋转机械上，已出现了轴承失效的情况，高速转子在磁悬浮轴承失效后跌落，产生大的载荷和剧烈的振动，给转子系统带来极大破坏。若磁悬浮轴承在局部部件故障时依然能容错运行，继续提供支承力而保持转子系统的稳定性，将是一种切实有效的提高轴承可靠性的方法。采用了以下思路：（1）磁悬浮轴承系统自身设计上必须具备冗余性，包括传感器冗余、支承结构的冗余等，可分别应对不同类型的功能部件故障。（2）主动磁悬浮系统能实时识别由不同故障引起的系统失效状态；（3）控制系统能执行对应的容错控制算法而提供有效支承。. 项目的主要研究内容为：（1）提出了基于数据融合的冗余传感器测量模型，讨论了因不理想的传感器安装，所导致的测量误差产生机理与补偿方法。（2）针对执行器故障，提出了失效特征识别方法；构造了布尔量序列，来描述整个冗余支承结构下的电磁线圈失效特征，设计了相应电流分配索引方法。（3）提出了针对失效特征的重构准则，将执行器失效划分为第一类失效、第二类失效及混合失效，并依照该准则构建了控制系统配置，建立了重构控制模型。（4）在电磁力模型与磁场分析的基础上，进行了磁悬浮冗余支承结构设计，研制了含冗余支承结构的磁悬浮轴承实验装置与控制系统软硬件，进行了实验验证。. 仿真与试验表明，针对本项目中设计的12极弱耦合冗余结构，若电流安全系数大于1.414，则能保持在一、二类失效状况下支承能力不降低；若电流安全系数大于1.732，则可保持在非连续磁极对的发生混合失效状况时，支承能力不降低；转子能在上述失效发生后恢复到平衡位置。. 本项目研究解决了磁悬浮支承失效状况的特征识别与表达、残存支承选择与新支承力形成等关键问题，提出了针对失效特征的重构准则及重构过程控制策略，揭示了复杂失效工况的冗余支承重构控制机理，建立了主动磁悬浮轴承冗余支承重构控制模型，研制了控制系统平台。本项目的研究工作能提高主动磁悬浮轴承在复杂工况下的可靠性与使用寿命，保障主动磁悬浮轴承在先进制造装备或国防核心装备中的应用安全。