径向永磁偏置磁悬浮轴承转子模态分析.pdf

究
径向永磁偏置磁悬浮轴承转子模态分析
口张海波口□杨昌茂口段建华
中国船舶重工集团第七一研究所上海200940
摘要:分析了某径向水磁偏辽磁悬浮轴承刚度阻尼持性,用有限元软件 ANSYS对轴承转子进行模态分析,得到
PD控制下轴示转子的前五阶固有頻率与模态振型,最后分祈了支承刚度对轴示转子国有频率的影响。所建立的有限元模
型为实际拉制系统的运行调试及结构设计提供了理论指学。
关键词:磁悬浮轴承固有频率振型支承刚度
中图分类号:TH133.3
文献标识码;A
文章编号:1000-4998(2011)03-0026-03
磁悬浮轴承是利用可控磁场力提供无轴承支承
使转子稳定悬浮于空间并且其动力学性能由控制系统
调整的一种高性能轴承,在电主轴、压缩机、飞轮储能、
人工心脏、风力发电等诸多领域具有广周的应用前景。
磁悬浮轴承优点之一是能保持转子无摩擦并且适应转
子高转速的要求,但是,要达到高转速的目的,就必须
要考虑转子过临界转速问题,因此,有必要对转子进行
▲图1径向水磁置磁悬浮轴承系统
模态分析,确定其动态特性。
本文研究的水磁偏置磁悬浮轴承对转轴的4个径
本文先分析某径向磁偏置磁悬浮轴承劇度阻尼向自由度进行主动控制,利用径向轴承的向心力实现
特性,计算转子等效刚度和等效阻尼值;再采用有限
轴承系统轴向的被动控制,物理样机如图1所示。
软件 ANSYS对转子进行模态分析,得到转子前五阶固
磁轴承1和磁轴承2具有完全相同的结构和控制
有率与模态振型;最后分析支承刚度对转子固有频参数。每个磁轴承控制转轴X、Y方向上的两自由度
率的影响。
左右磁轴承联合工作实现4自由度的悬浮。每个自由
1径向永磁偏置磁悬浮承原理
度上装配有一个非接触式的电涡流传感器、负责探测
该方向上转轴的位置变化信息。磁悬浮轴承转子由转
收稿日期:2010年11月
轴、定子铁芯、深沟球轴承组成,如图2所示。
6结论
(3] Daniel P. Raymer. Aircraft Design: A Conceptual Approuch.
Fourth Edition [M. ALAA Edueation Series, Washington:
本文对无人机的起飞重量进行了分类,并给出了
American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc. 2(6
无人机各分类部件重量估算公式,同时引人修正因子[4]飞机设计手册总编委会.飞机设计手册(第十册结构设计)
以便根据实际情况对分类重量计算结果进行修正,最
M.北京航空工业出版社,2002.
后利用建立的无人机起飞重量计算模型,并通过迭代[S].张志刚,党荣军,王和平,等.无人机起飞质址设计方法研究
法对无人机起飞重量进行了估算。算例表明,通过该方
J.飞机设计,2005,9(3):19-23
法计算的无人机起飞重量迭代收敛,反求出的各分类「6)世界无人机大全编写组.世界无人机大全[M].北京:航空
部件重量系数也在统计数据范围之内。该方法的应用
工业出版社,2004.
对无人机概念设计阶段起飞重量的估算及各分类部件[7李为吉现代飞机总体综合设计[MIヴ安:西北工.业大学出
重量分配们一定参考价值。
版社,2001
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(1):6-11
(编辑日月)
2620
机核制造49卷第59期
万方数据
同样对式(3)用s=ju进行替换后,则得到磁悬浮
轴承系统频率特性为:
X(o)
Q(jo)-mo+jd.o+k
综合式(2)和式(4)可知磁悬浮轴承等效刚度和
等效阻尼为:
▲图2径向水磁偏置磁悬浮轴承转子三维模型
k。= Reij(-mLo+K,Lap
2基于PD控制的径向永磁偏置磁悬浮轴承
:(K, R-MRO)-K,G(s)/(R+ jol)+mo(5)
刚度阻尼特性计算
d。=Im[j(-mlo+K、Lo)+(K,R-mRo2)
K, KAXG(s)/(R+JOL)/o
(6)
磁悬浮轴承应满足转子对其力学性能参数的要
径向水磁偏置磁悬浮轴承控制系统采用了PD控
求.即要求其具有足够的刚度和阻尼,以保证轴承系统制器,设比例系数和微分系数依次为K,、K:功放工作
有足够的稳定性。刚度和阻尼不仅与磁悬浮轴承本身在线性区域设其增益为K;系统采样频率远低于位移
结构参数有关,还与控制器的参数有着密切的联系2
传感器带宽,故可简化为一比例环节,设其比例系数为
磁悬浮轴承本身具有负则度和不稳定性,通过选K。:磁力轴承中位移刚度系数和电流刚度系数计算方
择合适的控制策略和参数,使控制器产生的正刚度和法为3
磁悬浮轴承所固有的负则度抵消并产生正刚度,控制
K,=F。HA/8
器产生的阻尼使轴承正刚度声生的转子振动得以衰
K =F,AN/go
8)
减。采用两个径向磁悬浮轴承控制径向的4个自由度,式中:F。为水磁体等效励磁磁动势为真空磁导卒
其控制系统单个自由度的原理框图见图3:图中:As)A为磁通有效面积;N为线圈匝数;为工作气隙。结
为位移设定值:Cs(s)、Cc(s)、Gs)分别为系统的传感器合式(5)、(6)可得径向水磁偏置磁悬浮轴承控制系统
环节、控制器环节和电压型功放环节传递函数;K、K.等效刚度和等效阻尼为:
数AR为该自由度线国电盛和电阻:ッ为AD转換イペKR-K。Kど-のiばと-KKなド。xメンの)
依次为磁力轴承控制系统电流度系数和位移刚度系
R+Lo
引人的增益;m为转子当量质量:(s)为十扰カ:X(s)为
L(KR-KKxK。KK、)+R(K、Lー KK..KK。
(10
转子偏移量。
R+Lo
根据现有控制参数和转子额定转速,由式(9
(10)计算求得径向水磁偏置磁悬浮轴承等效刚度k=
父+G(s)
G.(s)
ms"+ A
3.4×1Nm,等效阻尼d,=400Nsm。
G
3径向永磁偏置磁悬浮轴承转子模态分析:1
▲图3单自由度控制系统原理框图
3.1三建模
用 Inventor建立磁悬浮转子的三维模型,如图3
由图3可知,从干扰力到转子偏移量的传递函数所示,以sat格式保存,在 ANSYS软件中导入以,sat格
可表示为
式保存的转子系统模型。
2有限元模型建立和求解
9As)mIs+mRs'+K、Lsー KK.G-(s)Gp(S)G、(s)+K、R
)各部件粘接:转子系统中转轴和深沟球轴承材
式(1)中用s=jo进行替換,并令G(s)=Cs)GAs)Gs)则料为45号钢,定子为冷硅钢片,故对转子系统先
得到磁悬浮轴承系统频率特性为
glue粘接操作,便于