一种电磁轴承转子系统的转子位移分析方法及装置制造方法及图纸

本公开提供了一种电磁轴承转子系统的转子位移分析方法及装置。一种电磁轴承转子系统的转子位移分析方法，包括：构建耦合模型，其中，耦合模型包括耦合的传感器模型、控制器模型、电磁轴承的电磁力计算模型和转子系统的有限元动力学模型，基于耦合模型确定转子系统的转子位移状态。实施本公开的技术方案可以提高转子位移分析精度。转子位移分析精度。转子位移分析精度。

【技术实现步骤摘要】
一种电磁轴承转子系统的转子位移分析方法及装置


[0001]本专利技术涉及转子系统领域，尤其涉及一种电磁轴承转子系统的转子位移分析方法及装置。

技术介绍

[0002]电磁轴承技术是一项新的支承技术，起源于20世纪60年代中期，利用电磁力使转轴稳定悬浮起来且轴心位置可由控制系统控制的一种新型轴承，是集机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机科学于一体的最具代表性的机电一体化产品。它具有无接触、摩擦小、无磨损、转速高、无需润滑和寿命长等优点，是一般轴承所无法比拟的。由于其独特的性能而受到国内外专家和诸多企业界人士的关注。电磁轴承目前在国内外已经开始进入工业应用阶段，从应用角度看，在高速旋转和相关高精度的应用场合电磁轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。
[0003]电磁轴承转子系统的建模技术是研究电磁轴承的关键技术之一，通过仿真模型对各种控制算法以及耦合特性进行分析，确认系统稳定后再进行试验调试可以显著缩短研制周期。目前针对电磁轴承转子系统建模方法多集中于刚性转子系统进行，而且电磁力建模时多采用线性化方法，而针对柔性转子系统，振动较大条件下，电磁力与电流和位移之间存在较强的非线性关系，导致转子位移分析不精确，进而导致仿真结果精度不足。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的至少一个技术问题，本公开提供了一种电磁轴承转子系统的转子位移分析方法及装置，提高转子位移分析精度。
[0005]本公开的一方面，提供了一种电磁轴承转子系统的转子位移分析方法，包括：
[0006]构建耦合模型，其中，所述耦合模型包括耦合的传感器模型、控制器模型、电磁轴承的电磁力计算模型和转子系统的有限元动力学模型；
[0007]基于所述耦合模型确定所述转子系统的转子位移状态。
[0008]可选的，所述构建耦合模型之前，所述方法还包括构建所述有限元动力学模型；
[0009]所述构建所述有限元动力学模型包括：
[0010]建立每个弹性轴段单元的运动微分方程；
[0011]将刚性圆盘、集中质量、轴承、不平衡质量以及外力作用点因素的影响添加到运动微分方程，以得到有限元动力学模型。
[0012]可选的，所述有限元动力学模型包括动力学方程：
[0013][0014]其中，M为转子系统的质量矩阵，D为转子系统的阻尼矩阵，K为转子系统的刚度矩阵，q为位移矢量，f为外力或外力矩。
[0015]可选的，所述有限元动力学模型包括转子系统状态方程：
[0016][0017]其中，A为系统矩阵，B为输入矩阵，f为外力或外力矩，y为系统位移输出，C为输出矩阵；
[0018][0019][0020]C＝[T
s O][0021]0表示0矩阵，I表示单位矩阵，M为转子系统的质量矩阵，K为转子系统的刚度矩阵，D为柔性转子系统的阻尼矩阵，T
s
是传感器模型位置矩阵。
[0022]可选的，所述电磁力计算模型的电磁力计算方程为：
[0023][0024]其中，k为系数，I为线圈电流，X为实时气隙。
[0025]可选的，所述电磁力计算模型的自由度方向电磁力方程为：
[0026][0027]其中，f
AMB
为自由度方向电磁力，k为系数，x表示转子位移，I1为偏置电流信号与控制信号相加后经功率放大器产生的线圈电流，I2为偏置电流信号与控制信号相减后经功率放大器产生的线圈电流。
[0028]可选的，所述传感器模型的传递函数为：
[0029][0030]其中，G
s
为传感器模型输出的电压信号，ks为传感器模型增益，τs为传感器模型带宽系数，τL为抗混叠滤波器截止频率系数，s为输入传感器模型的转子位移。
[0031]可选的，所述控制器模型的传递函数为：
[0032]G
c
＝P+I/s+Ds
[0033]其中，G
c
为控制电流信号，P为比例系数，I为积分系数，D为微分系数，S为参考信号与电压信号之差。
[0034]可选的，所述基于所述耦合模型确定所述转子系统的转子位移状态，包括：
[0035]获取第一时刻的参考数据，所述参考数据包括转子位移、参考信号、偏置电流信号和不平衡力；
[0036]利用所述传感器模型，根据所述转子位移得到电压信号；
[0037]利用所述控制器模型，根据所述参考信号与所述电压信号之间的差值得到控制信号；
[0038]根据所述偏置电流信号与所述控制信号之差以及所述偏置电流信号与所述控制信号之和，得到组合信号；
[0039]利用功率放大器，根据所述组合信号得到线圈电流；
[0040]利用所述电磁力计算模型，根据所述偏置电流信号、所述控制信号、所述线圈电流和所述转子位移得到电磁力；
[0041]根据所述电磁力和所述不平衡力的叠加，得到外力或外力矩；
[0042]利用所述有限元动力学模型，根据所述外力或外力矩得到第二时刻的转子位移，其中，所述第二时刻是所述第一时刻的下一时刻。
[0043]本公开的另一方面，提供了一种电磁轴承转子系统的转子位移分析装置，包括：
[0044]模型构建模块，用于构建耦合模型，其中，所述耦合模型包括耦合的传感器模型、控制器模型、电磁轴承的电磁力计算模型和转子系统的有限元动力学模型；
[0045]转子位移状态确定模块，用于基于所述耦合模型确定所述转子系统的转子位移状态。
[0046]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，采用耦合模型确定转子系统的转子位移状态响应，耦合模型中的有限元动力学模型能够对柔性转子进行有效分析，并且，考虑了非线性电磁力影响，由电磁力计算模型取代了传统线性化电磁力计算方法，因此可以使本实施方式的转子位移分析方法能够更加准确计算出转子系统的转子位移状态响应，提高转子位移分析精度。
附图说明
[0047]附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
[0048]图1示出了根据本公开示例性实施例的电磁轴承转子系统的转子位移分析方法的流程图；
[0049]图2示出了根据本公开示例性实施例的电磁轴承转子系统的转子位移分析方法的子流程图；
[0050]图3示出了根据本公开示例性实施例的八极径向电磁轴承单自由度差动驱动结构图；
[0051]图4示出了根据本公开示例性实施例的耦合模型示意图；
[0052]图5示出了根据本公开示例性实施例的电磁轴承转子系统的转子位移分析方法的另一流程图；
[0053]图6示出了根据本公开示例性实施例的电磁轴承转子系统的转子位移分析装置的示意框图。
具体实施方式
[0054]下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁轴承转子系统的转子位移分析方法，其特征在于，包括：构建耦合模型，其中，所述耦合模型包括耦合的传感器模型、控制器模型、电磁轴承的电磁力计算模型和转子系统的有限元动力学模型；基于所述耦合模型确定所述转子系统的转子位移状态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建耦合模型之前，所述方法还包括构建所述有限元动力学模型；所述构建所述有限元动力学模型包括：建立每个弹性轴段单元的运动微分方程；将刚性圆盘、集中质量、轴承、不平衡质量以及外力作用点因素的影响添加到运动微分方程，以得到有限元动力学模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元动力学模型包括动力学方程：其中，M为转子系统的质量矩阵，D为转子系统的阻尼矩阵，K为转子系统的刚度矩阵，q为位移矢量，f为外力或外力矩。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元动力学模型包括转子系统状态方程：其中，A为系统矩阵，B为输入矩阵，f为外力或外力矩，y为系统位移输出，C为输出矩阵；其中，A为系统矩阵，B为输入矩阵，f为外力或外力矩，y为系统位移输出，C为输出矩阵；C＝[T
s O]0表示0矩阵，I表示单位矩阵，M为转子系统的质量矩阵，K为转子系统的刚度矩阵，D为柔性转子系统的阻尼矩阵，T
s
是传感器模型位置矩阵。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁力计算模型的电磁力计算方程为：其中，k为系数，I为线圈电流，X为实时气隙。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁力计算模型的自由度方向电磁力方程为：其中，f
AMB
为自由度方向电磁力，k为系数，x表示转子位移，I1为偏置电流信号与控制信号相加后经功率放大器产生的线圈电流，I2为偏置电流信号与控制信号相减后经功...

【专利技术属性】
技术研发人员：张生光，张学宁，胡文颖，陈霞，
申请(专利权)人：中国航空发动机研究院，
类型：发明
国别省市：