多电航空发动机用磁悬浮双转子系统的耦合及支承特性匹配研究

Aero-engine is the heart of the aircraft, and it is important for national defense and economy. At present, the more electric aero-engine is an important development direction of the aero-engine, and the magnetic bearing is the key technology of the more electric aero-engine. Due to the restrictions on the size and weight of the aero-engine, the magnetic materials in magnetic bearing need to be used fully. At the same time, the system in aero-engine is a complicated dual-rotor system, the magnetic bearings not only need to resist the external load, but also need to resist the internal dynamic load that caused by the movement coupling between the dual-rotor system. The existing magnetic field distribution model and the magnetic bearing characteristics matching law cannot meet the requirements of magnetic suspension dual-rotor system. Therefore, this project will study in following issues: the structure design method of magnetic bearings based on the maximum utilization of the magnetic materials, the distribution law of magnetic field, the dynamic behavior characteristics of magnetic suspension dual-rotor system under nonlinear couplings, the bearing characteristics dynamic matching and control of magnetic suspension dual-rotor system. This project is aims to build the magnetic field distribution model of magnetic bearings under complex condition and the nonlinear coupling dynamic model of the magnetic suspension dual-rotor system, put forward the intelligent matching algorithm of the magnetic suspension dual-rotor system and solve the basic theory of magnetic suspension dual-rotor system used in aero-engine. This project can lay the theoretical foundation for the engineering application of magnetic bearings in aero-engine.

航空发动机是飞机的心脏，对国防和国民经济有重要意义。目前，多电航空发动机是航空发动机的一个重要发展方向，其中磁悬浮轴承技术是其发展的关键。由于航空发动机中尺寸和重量的限制，需要磁悬浮轴承能最大限度地利用磁性材料，同时，航空发动机的转子为一复杂的双转子系统，磁悬浮轴承不仅要抵抗外部载荷，还需要抵抗双转子系统内部运动耦合带来的负载，导致现有的磁悬浮轴承设计分析方法及支承特性匹配规律不能满足要求。为此，本项目拟通过对基于材料最大利用率的磁悬浮轴承结构设计方法及磁场分布规律、非线性耦合下的磁悬浮双转子系统动力学行为特征及磁悬浮双转子系统的支承特性动态匹配与控制展开研究，旨在建立复杂非线性下磁悬浮轴承的磁场分布模型及磁悬浮双转子系统的非线性耦合动力学模型，提出磁悬浮双转子系统的智能匹配算法，解决航空发动机用磁悬浮双转子系统的相关基础理论问题，为我国航空发动机中磁悬浮轴承的工程应用奠定理论基础。

航空发动机是飞机的心脏，对国防和国民经济有重要意义。目前，多电航空发动机是航空发动机的一个重要发展方向，其中磁悬浮轴承技术是其发展的关键。由于航空发动机中尺寸和重量的限制，磁悬浮轴承需工作于非线性区域以最大限度地利用磁性材料；同时，航空发动机的转子为一复杂的双转子系统，磁悬浮轴承不同于传统支承，其弹性支承的本质会导致系统的动力学特性与传统机械轴承支承的双转子系统存在较大区别。为此，本项目开展了考虑气隙磁场漏磁、磁性材料磁饱和及磁性材料磁导率非线性等情况下主动磁悬浮轴承承载力模型的研究，利用场路结合和磁场分割法建立了磁悬浮轴承气隙磁场的漏磁模型、磁饱和模型，并提出了考虑磁性材料非线性磁导率的修正方法，建立了非线性情况下主动磁悬浮轴承的承载力模型，并对模型的计算精度进行了验证，为非线性区域内工作的磁悬浮轴承的研究提供了理论依据；项目开展了基于Halbach阵列的永磁轴承承载力研究，利用标量磁位法和能量法结合的方法建立了永磁轴承的承载力模型，提出了基于最大承载能力的永磁轴承的设计方法，为永磁轴承在航空发动机中的应用提供了理论基础；项目开展了磁悬浮双转子系统动力学的研究，利用集总参数法建立了磁悬浮轴承支承下双转子系统的动力学模型，并研究了磁悬浮支承特性变化对双转子系统的临界转速及模态振型的影响规律，为磁悬浮轴承支承的双转子系统的可靠设计提供了理论依据；最后，项目设计了一套磁悬浮双转子系统试验平台，并开发了试验平台的控制系统，为理论研究提供试验验证。