高速磁悬浮柔性转子系统新型高阻尼磁轴承优化设计方法研究

Magnetic bearing possesses many advantages against the classical bearings, including no contact, no wear, low noise, active control, etc. These advantages make magnetic bearing one of the best options to support the high speed flexible rotors. However, because of the eddy current effects in the magnetic bearings caused by high rotational speed, as well as the intensive vibration when rotor passes through critical speed domain, some new problems arise in the analysis and design of magnetic bearing. This project proposes for the first time to investigate the optimization design method of magnetic bearing in the high-speed flexible rotor system. Firstly, the characteristic of the high-speed magnetic levitated flexible rotor system and its requirements to magnetic bearings are analyzed. A novel high-damping magnetic bearing is proposed. Based on the analysis of the magnetic circuit and eddy current effects, a dynamic effective magnetic circuit model is developed. The design restrictions are imposed which includes the simultaneous consideration of the magnetic bearing, rotor-dynamics and the characteristics of the controller. The magnetic bearing is optimized by the method of genetic algorithm. Finally, an experimental setup is developed, and the corresponding experimental validations are carried out. This work solves the key technical problem in designing high-speed magnetic levitated flexible rotor system， which is the necessary theoretical basis for its application in the blowers, compressors, and attitude control actuators with high speed motor.

磁悬浮轴承由于无接触、无磨损、低噪音、可主动振动控制等优点，成为高速柔性转子旋转机械理想的支承方式。然而，磁轴承在高转速时产生的涡流效应，以及柔性转子穿越模态时产生剧烈的共振问题，给磁悬浮轴承的分析与设计技术带来了新的难题。本项目针对高速柔性转子系统的磁轴承优化设计方法展开研究。首先分析了高速磁悬浮柔性转子系统的特点及其对磁轴承的要求，提出一种新型的高阻尼磁轴承结构；在分析磁路和涡流效应的建立上，建立动态电磁解析模型；综合电磁特性、控制系统特性、柔性转子动力学特性提出相应的约束条件；采用遗传算法对磁轴承系统进行优化设计；最后，建立磁悬浮柔性转子实验平台，进行相应的实验验证。本项目的研究解决高速磁悬浮柔性转子旋转机械设计技术中的关键问题，为磁轴承在基于高速电机的鼓风机、压缩机、航天器姿控系统等领域的应用提供必要的理论基础。

磁悬浮轴承由于无接触、无磨损、低噪音、可主动振动控制等优点，成为高速柔性转子旋转机械理想的支承方式。然而，磁轴承在高转速时产生的涡流效应，以及柔性转子穿越模态时产生剧烈的共振问题，给磁悬浮轴承的分析与设计技术带来了新的难题。本项目提出一种双绕组径向主动磁轴承结构方案和基于动态电磁模型的优化设计方法。其具体内容包括以下几个方面：. 1.针对高速柔性转子过一阶临界转速时共振大，要求磁轴承在高速条件下具有足够阻尼能力抑制振动的问题，提出了一种双绕组径向主动磁轴承结构方案和基于动态电磁模型的优化设计方法。通过将偏置线圈与控制线圈分离，减小了控制回路的电感，提高了磁轴承的高频动态性能。. 2.针对铁心涡流效应引起的磁轴承动态性能下降的问题，建立了高速磁轴承动态分析模型。通过对径向磁轴承叠片铁心中的涡流效应分析，建立了包含涡流效应的等效动态磁路模型。在分析磁路和涡流效应的基础上，建立了一种高速磁轴承动态分析方法，针对该结构在高速下的动态性能进行了分析研究。. 3.针对磁轴承在穿越临界转速时的共振状态进行了动态磁路分析与计算，结合控制系统性能、柔性转子动力学特性提出了相应的约束条件。将遗传算法应用于双绕组径向磁轴承的优化设计中，以阻尼力最大为优化目标对整个磁轴承的设计进行了优化设计。. 4.搭建实验平台，该结构成功应用于315kW，20000 r/min柔性转子磁悬浮电机中，并通过实验验证了提出的分析模型和设计方法的有效性。本项目的研究解决高速磁悬浮柔性转子旋转机械设计技术中的关键问题，为磁轴承在基于高速电机的分子泵、鼓风机、压缩机等领域的应用提供必要的理论基础。