- 頭條運動平臺上磁軸承-轉子系統的動力學建模2020-10-26 作者：姜豪、蘇振中、王東 | 來源： | 點擊率：導語海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室的研究人員姜豪、蘇振中、王東，在2019年第23期《電工技術學報》上撰文指出，磁軸承具有與轉子無物理接觸、支承特性可控等優點，有利于電機等旋轉機械的高速運轉和減振降噪。為實現磁軸承在運動平臺上的應用，該文考慮大幅度運動和電磁力等非線性因素，分析定子運動和載體運動的關系，運用拉格朗日方程推導任意傾斜角度下轉子的動力學方程，并利用定轉子位置計算磁軸承電磁力和重力載荷的大小，建立運動平臺上磁軸承-轉子系統的數學模型。最后對模型進行實驗驗證。
主動磁軸承（Active Magnetic Bearing, AMB）是在工業中得到實際應用的轉子振動主動控制元件之一。與機械軸承相比，磁軸承與轉子沒有物理接觸，不僅非常適用于高速旋轉場合，而且還可以通過控制系統實時調節磁軸承的支承特性，實現對振動的主動控制，有廣泛的工業應用前景。
隨著船舶綜合電力、汽車動力驅動等領域對旋轉機械高速運轉和減振降噪的高性能需求，磁軸承在運動平臺上的應用開始引起人們的關注。但是目前大多數針對磁軸承的研究和應用，都是以磁軸承系統安裝在靜止的基礎平臺上為前提，忽略了基礎運動對磁軸承動態特性的影響，限制了磁軸承的適用范圍。
少數學者圍繞運動平臺上磁軸承的動力學建模方法展開了研究。
- 有學者介紹了磁軸承在艦船高速異步發電機、潛艇風機和戰車武器系統等軍事領域中的應用，但均未涉及相應的動力學建模方法。
- 有學者建立了運動車輛上的磁軸承-轉子系統模型，并在六自由度運動平臺進行了實驗驗證，但沒有考慮轉子大幅度轉動帶來的非線性動力特性。
- 有學者采用受迫阻尼Mathieu方程建立磁軸承剛性轉子的運動方程，并通過仿真分析了磁軸承的穩定性，但其準確性缺乏實驗驗證。
- 有學者以車載磁懸浮飛輪為研究對象，利用ADAMS與Matlab軟件分析了載體在不同運動狀態下對飛輪電池動態性能的影響，但僅針對于載體的平動特征。
- 有學者考慮了磁懸浮慣性動量輪中的動框架效應，建立了框架轉動時的轉子動力學方程，卻忽略了轉動對磁軸承重力平衡載荷的影響。
以上方法對于運動載體上磁軸承-轉子動力學建模具有重要借鑒意義，但卻局限于特定的對象和運動特征，難以適用于大幅度運動平臺上的磁軸承系統。
因此，為了研究磁軸承在大幅度運動平臺上的動力學特性，海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室的研究人員姜豪、蘇振中、王東，在2019年第23期《電工技術學報》上撰文，以船舶傾斜搖擺環境下的磁軸承-轉子系統為研究對象，分析了載體運動對定子運動的影響，并運用拉格朗日方程推導了任意傾斜角度下轉子的非線性動力學方程，進一步考慮了定、轉子運動對磁軸承重力載荷和電磁力的影響，建立了運動平臺上磁軸承-轉子系統的數學模型。最后基于所構建的實驗平臺完成了模型的驗證。
主要結論如下：
1）對于大幅度運動平臺上的磁軸承-轉子系統，必須考慮轉子大角度轉動帶來的非線性動力學特性以及對磁軸承重力載荷分布的影響。
2）磁軸承本質是利用電磁力實現轉子相對于定子的穩定懸浮。載體運動會帶來定子位置的變化，引起定轉子間氣隙發生改變，影響電磁力的大小，干擾轉子的懸浮狀態。而磁軸承的動態響應速度有限，因此載體運動將使得轉子軸振位移增大，降低磁軸承系統的穩定性。
3）傾斜屬于靜態環境，主要會改變磁軸承的重力載荷分布，從而影響轉子的動態特性。搖擺屬于動態環境，不僅會使得磁軸承的重力平衡載荷跟隨時間發生周期性的變化，還會通過定子的牽連運動給磁軸承帶來動態變化的干擾力矩，導致系統響應中出現與船體搖擺直接相關的基頻或倍頻成分，磁軸承必須具備足夠的響應速度，不斷實時調整電磁力來克服重力和定子運動帶來的干擾。
圖2 磁軸承-轉子系統的工作原理
圖3 船舶運動示意圖
圖6 仿真模型
