磁悬浮轴承转子热弯曲振动特性研究

作     者：董岳 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金超武;董继勇

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：磁悬浮轴承 铁损 转子温度分布 热弯曲振动 参数化分析 

摘      要：磁悬浮轴承转子系统在工作时可能会出现因转子轴颈铁损集中产生温差而引起的热弯曲振动现象,热弯曲振动又进一步影响轴颈铁损集中程度和温差,进而形成一个闭环反馈,引起转子振动幅值和相位的不断变化和波动,影响设备工作性能。此外,此类由于转子轴颈温差引起的热弯曲振动通常对工作条件较为敏感,目前尚未有统一的、普遍适用的分析方法和处置方案。本文针对磁悬浮轴承系统中由于轴颈温差引起的热弯曲振动现象,提出一种迭代分析方法,利用该方法在热弯曲振动特性和参数化分析方面展开研究,并通过实验验证该方法具有一定的正确性。首先,提出了一种磁悬浮转子热弯曲振动的迭代分析方法。建立了转子和轴承的有限元模型,通过电磁分析得到了转子在轴承间隙中涡动时的铁损分布,铁损分布再作为热源,采用间接耦合法,实现热-结构耦合计算,得到了转子的热弯曲振动。热弯曲振动再作为下一次电磁分析的条件,得到新的铁损分布和热弯曲振动。如此更新条件,反复迭代,得出热弯曲振动的变化,由此模拟热弯曲振动形成的闭环反馈。其次,以某型试验磁悬浮轴承转子系统为例,利用迭代分析方法计算了其在一定旋转频率范围内的热弯曲振动及变化情况,并分析了热弯曲振动特性。结果表明,转子轴颈温差主要取决于振动幅值和旋转频率,而振动相位与控制电流相位决定着轴颈温度最高点的位置,即热弯曲的方向,进而决定着振动变化的趋势。随后,从电控系统频率特性和转子自身频率特性两个方面分析了磁悬浮轴承转子热弯曲振动的影响机理。利用迭代分析方法,对该型试验磁悬浮转子系统中电控系统参数和转子结构参数进行了参数分析。结果表明,电控系统和转子自身的幅频特性决定着热弯曲的影响程度,而二者的相频特性决定着热弯曲振动的变化趋势。最后,通过设计实验装置和实验方案,分别验证了迭代分析方法中轴颈温度温差、热变形和热弯曲振动计算方法的正确性。实验结果表明,本文使用的计算方法可一定程度上正确反映电流、温差和振动三者之间的关系,进而证明了迭代分析方法具有一定的正确性。