磁悬浮轴承莫顿效应机理及控制方法研究

Active magnetic bearings are usually applied in high speed and high power density field, therefore the rotor journal radial temperature distribution is asymmetric, resulting in thermal bending deformation of the rotor (Morton effect). Morton Effect will form a positive feedback disturbance, which not only decreases the performance of the active magnetic bearings system, but also causes the system to lose stability at high speeds, which will endanger the stable operation. This project focuses on the basic scientific issues such as the constitutive relation and transfer law of thermal unbalanced perturbation force induced by Morton Effect, the influence principles of the Morton Effect on the active magnetic bearings system, the controller design principles for Morton Effect and some other basic scientific problems. Tis project proposed to build the accurate system model considering electromagnetic fields, temperature fields, stress fields and other multi-physics fields using model updating and model confirmation method, to control the Morton Effect based on the composite hierarchical anti-disturbance control theory. As key technologies, the system stability analysis methods, performance prediction methods and anti-disturbance control methods et al. will be figure out to solve the unstable problem caused by the Morton Effect for active magnetic bearings. This research will provide theoretical and technical foundations for the design of active magnetic bearings system.

磁悬浮轴承通常用于转速高、功率密度大的场合，导致转子轴颈处在径向的温度呈非对称分布，致使转子发生热弯曲变形（即莫顿效应）。莫顿效应会形成一个正反馈的干扰，不仅降低了磁悬浮轴承系统的性能，而且在高速时常常引起系统失稳，危害机组的稳定运行。本项目重点研究莫顿效应诱发的热不平衡扰动力本构关系和传递规律、莫顿效应对磁悬浮轴承系统的影响机理、莫顿效应控制方法的设计原则等基础科学问题。本项目提出采用模型修正与确认方法，建立电磁场、温度场、应力场等多物理场耦合下磁悬浮轴承系统的精确模型；基于复合分层抗干扰控制理论，实现莫顿效应控制。突破考虑莫顿效应后磁悬浮轴承系统的稳定性分析方法、性能预测以及抗干扰控制等关键技术，解决莫顿效应诱发磁悬浮轴承的失稳难题。研究成果将为磁悬浮轴承系统设计提供理论和技术支撑。

莫顿效应引起的转子热弯曲会影响设备的稳定运行。本项目主要内容包括莫顿效应产生机理、热弯曲对于转子振动特性的影响、考虑热弯曲的磁悬浮系统建模、考虑热弯曲的磁悬浮转子动力学分析、复合分层抗干扰理论、莫顿效应控制器设计等方面。研究了莫顿效应的产生机理，基于Bertotti铁损分离模型，通过实验测得转子铁芯材料的铁损曲线，使用拟合算法得到各项损耗系数。结合温度场、电磁场以及应力场，通过有限元分析多种参数对温度梯度以及弯曲量的影响规律。提出一种迭代分析方法用于分析磁悬浮轴承系统中的热弯曲振动现象，仿真结果表明，转子轴颈温差取决于振动幅值和旋转频率，而振动相位与控制电流相位决定着轴颈温度最高点的位置。根据对流换热原理，将损耗作为转子轴颈处的热源进行热平衡计算，建立了温度场与电磁场耦合下的热弯曲扰动力解析模型，使用有限元仿真对解析模型进行了验证。建立了考虑热弯曲干扰的四自由度磁悬浮转子动力学模型，分析了热弯曲干扰对磁悬浮转子振动的影响。研究了复合分层抗干扰理论，将H∞控制器分别与干扰观测器和扩张状态观测器复合，设计两种复合分层抗干扰控制器。仿真与实验结果表明，与传统H∞控制器相比，复合分层抗干扰控制器对于不同频率的正弦干扰信号均有良好的控制效果。在复合分层抗干扰理论的基础上，针对莫顿效应引起的干扰特点设计了多维泰勒网控制器作为外层控制器；针对扩张状态观测器的局限性，在其干扰估计回路中加入广义积分器从而提高其抑制给定频率正弦干扰的能力，采用二阶广义积分锁频环保证广义积分器的谐振频率能够跟踪转子的旋转频率，提出了自适应广义积分扩张状态观测器作为内层观测器。仿真与实验结果表明设计的复合控制器能够很好的抑制热弯曲干扰引起的转子振动。