主动磁悬浮转子过临界转速时的反向涡动研究

Active magnetic bearing has broad application prospects, with lots of advantages, such as friction-free, high rotation speed and damping rotor vibration, etc. The technology of active maglev rotor passing across critical rotation speeds is one cutting-edge topic and focus in the field of magnetic bearing. This project will focus on some basic science issues that the mechanism and control method of the backward whirl of active maglev rotor when passing across critical rotation speeds, and carry out the theory explorations and technological innovations. It will be studied that the bearing anisotropy characteristics of the active magnetic bearing (AMB), which caused by the mechanical structure errors and electromagnetic parameters differences. Then the improve method will be studied. The system dynamics model of the rotor levitated by AMBs with anisotropic bearing characteristics will be established based on the rotor mechanical analysis. Then the nutation characteristics of active maglev rotor when passing across the rigid and flexible critical rotation speeds will be studied by theory analysis, simulation and experiments. The dynamic characteristics model of the magnetic force on the rotor will be established through the magnetic field simulation of the active magnetic bearing to reveal the excitation force and mechanism of the backward whirl. Finally, study the methods to improve and control the backward whirl of active maglev rotor when passing across the critical rotation speeds. The results of this project will enrich the rotor dynamics theory, and perfect the technology of active maglev rotor passing across critical rotation speeds, therefore this project has important theory significance and application value.

主动磁力轴承具有无摩擦、转速高、能主动抑制转子振动等优点，具有广阔的应用前景。主动磁悬浮转子过临界转速技术是磁力轴承领域的前沿课题和研究热点。本申请项目重点针对主动磁悬浮转子过临界转速时反向涡动的机理和控制方法等基础性科学问题，开展理论探索与技术创新研究。研究机械加工装配误差及电磁参数差异等导致的磁力轴承支承特性的各向异性及其改善方法；基于转子的力学分析，建立支承特性各向异性的主动磁悬浮转子系统的动力学模型，采用理论仿真分析和实验相结合的方法，分别研究转子过刚性和挠性临界转速时的涡动特性；基于主动磁力轴承的磁场仿真研究，建立电磁力的动态特性，揭示主动磁悬浮转子过临界转速时反向涡动的激发力、作用方式及作用机理；研究主动磁悬浮转子过临界转速时反向涡动的控制方法以及改善措施。本项目的研究结果将丰富转子动力学的基础理论，进一步完善主动磁悬浮转子过临界转速技术，具有重要的理论意义和应用价值。

工业界对高速转子的需求越来越大，而电磁轴承是高速转子的理想支承轴承。为了尽可能提高转速，需要攻克主动磁悬浮转子过临界转速技术。但是由于各种原因，电磁轴承的支承特性容易呈现出各向异性的特征，转子过临界转速时可能激发反向涡动，因此必须研究支承各向异性下的转子过临界转速时的运动特性，以便更好的抑制转子的振动，顺利升速。.基于此，本项目综合应用理论分析、建模仿真和实验相结合的方法，主要研究了电磁轴承支承特性的各向异性及改善方法；探索了支承各向异性情况下，主动磁悬浮转子过临界转速时的涡动特性；研究了转子反向涡动的控制方法和改善措施。主要取得了以下研究成果：.1）电磁轴承的电控系统在各自由度上的增益差异，及保护轴承中心轴线和电磁轴承中心轴线的不对中，都可能导致电磁轴承支承特性的各向异性；.2）电磁轴承支承刚度的各向异性会导致转子临界转速在各自由度上的不一致，即转子在x和y径向自由度上的临界转速不相等； .3）转子反向涡动的转速区间位于x和y方向上的同一阶两个临界转速之间。在无阻尼情况下，当转子转速处于两个临界转速之间时将激发反向涡动。在欠阻尼情况下，是否会激发反向涡动，主要取决于x和y自由度上的阻尼比系数的乘积，该乘积存在一个临界值，并且此临界值随两个临界转速的比值（大比小）的增大近似线性增加。当乘积小于临界值时，会激发反向涡动，并且乘积越大，反向涡动的转速区间越小；当乘积大于临界值时，不会激发反向涡动，这也是消除反向涡动的方法。.本项目的研究成果进一步填补了转子过临界转速时涡动的基础理论知识，进一步完善了转子动力学的理论体系，具有重要的理论意义和学术价值；发展和完善了主动磁悬浮转子过临界转速控制技术，为主动磁悬浮转子系统的设计、装配、调试与运行等提供重要的参考，有助于提高主动磁悬浮转子的性能，促进工业化应用，具有较大的工程应用价值。