电磁轴承-复杂柔性转子系统动力学建模及其振动主动控制

The active magnetic bearing(AMB) is a novel levitating technology for the rotor supporting, whose advantages are high speed operation with no friction and active control for rotor vibration. Otherwise, to meet the demand for the rotor with smaller size and lighter weight, the flexible rotors are designed. Presently, the dynamics research of the flexible rotor systems with AMB supporting is still in the preliminary stage. Especially, few researcher focused their attention on the AMB-complex flexible rotor systems in consider of the foundation excitation, which is the new content of the rotor dynamics. This research will study the following questions. ..1. To construct an advanced model for the foundation excitation-AMB-complex flexible rotor systems, which is the theory instruction and simulation tool for the active vibration control of the flexible rotor..2. With the active control, how to speed up the AMB-complex flexible rotor system to exceed its multi-order critical speeds? To meet the practice problems for the flexible rotor control, the control strategy will be proposed to refer the index of control performance to the cost function synthesizing the vibration of the multi- object nodes, in addition, considering the balance of the rotor vibration and the magnetic force demand..3. How to suppress the response for the AMB-flexible rotor system against the foundation excitation? ..This research tries to present the analysis theory for the dynamics of the foundation excitation-AMB-flexible rotor system and the active control method for complex flexible rotor vibration.

电磁轴承是一种新兴的转子磁悬浮支承技术，其优势是无摩擦高速运行和可实现转子振动主动控制。柔性转子是转子轻量化设计的需求。目前，对电磁轴承支承的柔性转子系统动力学研究还较为初步，特别是考虑基础激励因素的电磁轴承-复杂柔性转子系统的研究更是鲜有涉足，是转子动力学新的研究内容。本申请研究项目将探讨和解决如下问题：.1：构建较为完善的基础激励-电磁轴承-复杂柔性转子系统动力学建模理论，为柔性转子振动主动控制提供理论指导和仿真工具。.2：采用主动控制手段，使电磁轴承-复杂柔性转子系统转速超越多阶临界。针对柔性转子振动的实际问题，设计多目标节点振动的最优控制策略，以及兼顾转子振动和电磁力功率需求的多控制目标混合最优控制策略。.3：柔性转子系统基础激励响应的抑制问题。..本项研究旨在为基础激励-电磁轴承-复杂柔性转子系统动力学研究提供一套较为完整的理论体系，以及复杂柔性转子振动主动控制的具体实现方法。

电磁轴承是一种新兴的转子磁悬浮支承技术，其技术优势是能无摩擦无发热高速运行，可实现转子振动主动控制。柔性转子是转子轻量化设计的需求。对磁悬浮支承的柔性转子系统研究是转子动力学新的研究内容。本研究项目的主要科学贡献如下：..1：电磁轴承悬浮支承在柔性转子有限元模型中的表示；解决了电磁轴承施加电磁力和位移检测位置不一致的问题；分析了采用等效刚度和等效阻尼概念表示电磁轴承支承特性的描述局限性和适用范围；为识别电磁轴承-柔性转子系统的支承参数，通过有限元模型的自由度凝聚，减少模型未知数数量，最后提取出凝聚后转子模型的激励与响应关系；为了解决多频激励信号可能造成转子振动的峰值过大和电磁力饱和，采用了施罗德相谐序列，通过合理安排各频率成分的相位，不降低各频率成分的幅值，使叠加后的激励峰值最小化。..2：提出多目标节点振动加权的柔性转子振动主动控制方法，实现了多个节点振动，甚至转子整体振动，按权值实现振动抑制；同时，为了避免影响系数法求解出引起电磁力饱和的校正力计算结果，提出了兼顾转子振动和电磁力最大极限的控制方法。转子振动在可接受的范围内，适当减小对电磁力的需求，从而降低对电磁轴承的功率要求，为电磁轴承的低功耗提供了设计思路；另外，提出通过等效质径积递归搜索，提高在变转速条件下的转子振动控制性能；通过电磁轴承对刚度阻尼的调节，改变对柔性转子两个刚性临界和前两个弯曲临界转速的分布规律。..3：转子系统在基础激励下的动力学研究，循序渐进地从单自由度悬浮模型、多自由度刚性转子模型、柔性转子有限元模型，阐述了基础激励的模型表示和建模理论，讨论了平稳振动和非平稳振动两种基础激励形式，并针对平稳振动的基础激励提出了基于基础加速度信号作为参考信号的自适应滤波器的转子系统基础激励响应抑制方法，并分析了所需滤波器的阶数和滤波器自适应收敛的最佳权值。控制能够强制定转子间隙保持稳定，避免碰撞。