執(zhí)行器故障對磁力軸承性能影響的研究

胡春桃

(武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

摘要：針對具有冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁力軸承，運用Matlab對執(zhí)行器故障導(dǎo)致不同磁極失效情況下轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性進行了仿真分析。在不改變磁力軸承機械結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)磁力軸承系統(tǒng)的實際工作情況和穩(wěn)定性要求采取了增加線圈電流的措施，改善了磁力軸承的動態(tài)特性。研究結(jié)果為實施提高磁力軸承可靠性的補償策略提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磁力軸承；執(zhí)行器故障；動態(tài)特性

收稿日期:2015-03-09

作者簡介：胡春桃(1990—)，女，湖北枝江人，碩士研究生，研究方向：磁懸浮理論與應(yīng)用。

0引言

磁力軸承作為高速精密轉(zhuǎn)子的理想支承[1]，航空發(fā)動機[2]、潛艇風機、高性能數(shù)控機床[3]等高科技裝備對其性能和可靠性也提出了更高的要求。磁力軸承的執(zhí)行器由功率放大器和電磁鐵構(gòu)成，是電控系統(tǒng)的重要組成部分。針對執(zhí)行器故障，Maslen等在偏置電流線性化理論的基礎(chǔ)上提出了基于電流分配矩陣重構(gòu)的徑向磁力軸承執(zhí)行器容錯控制算法[4]，為磁力軸承系統(tǒng)執(zhí)行器故障研究提供了理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的研究集中在磁力軸承的冗余控制策略和磁力軸承能夠承受的極限失效磁極數(shù)等方面[5-6]，對失效磁極所處位置對磁力軸承動態(tài)特性影響的研究甚少。本文以冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁力軸承為對象，研究不同磁極失效對磁力軸承動態(tài)特性的影響。

1徑向磁力軸承冗余結(jié)構(gòu)

圖1為12極冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁力軸承[7]，每個磁極上纏繞匝數(shù)相同的線圈，并且每組線圈采用獨立控制。每個磁極對應(yīng)的功率放大器或線圈故障都會導(dǎo)致該磁極失效，從而對磁力軸承轉(zhuǎn)子的動態(tài)性能產(chǎn)生一定的影響。

圖1　12極冗余徑向磁力軸承

2執(zhí)行器故障分析

2.1執(zhí)行器故障的不同形式

在Matlab/Simulation中，對圖1所示的冗余磁力軸承進行執(zhí)行器失效的仿真分析。本研究采用PID控制，總的仿真時間設(shè)為t=0.12 s，在t=0.04 s時單個磁極失效，即對應(yīng)的功率放大器輸出變?yōu)?，在t=0.08 s時一個磁極對磁極失效，即失效磁極對所對應(yīng)的2個功率放大器輸出都變?yōu)?。不同磁極失效時轉(zhuǎn)子位移曲線如圖2、3所示，以轉(zhuǎn)子y軸最下端緊貼定子和x軸最左端緊貼定子分別計為兩個方向位移起點，轉(zhuǎn)子在平衡位置時氣隙為0.3 mm。

圖2　磁極1、磁極1和2失效轉(zhuǎn)子位移

圖3　磁極3、磁極3和4失效轉(zhuǎn)子位移

對比分析圖2和圖3中的轉(zhuǎn)子位移曲線，可知執(zhí)行器故障會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏離設(shè)定的平衡位置；不同磁極或磁極對失效對轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性影響不同，并且失效的磁極(磁極1)或磁極對(磁極1和2)越靠近x軸對x方向的位移影響越大，而對y方向的位移影響較?。皇У拇艠O(磁極3)或磁極對(磁極3和4)越靠近y軸對y方向的位移影響越大，因為磁極3和4對稱分布在y軸兩側(cè)，所以對x方向的位移幾乎沒有影響。

2.2執(zhí)行器故障的補償措施

執(zhí)行器故障表現(xiàn)為對應(yīng)線圈電流變小或沒有，從而使磁力軸承電磁力不足，根據(jù)電磁力與電流的平方成正比這一理論，可以考慮增加未失效線圈的電流來保證磁力軸承提供足夠的電磁力以支撐轉(zhuǎn)子，如在前述磁極1失效后增加磁極2上線圈電流來增加電磁力，從而控制轉(zhuǎn)子的平衡位置，轉(zhuǎn)子位移如圖4所示。

3結(jié)語

根據(jù)主動磁力軸承的工作原理，具有冗余結(jié)構(gòu)的徑向磁力軸承執(zhí)行器故障會導(dǎo)致對應(yīng)的磁極失效，使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)一定的振動，并經(jīng)過一定時間達到新的平衡狀態(tài)。在執(zhí)行器發(fā)生故障后，及時補償特定未失效線圈的電流可以使

圖4　磁極1失效補償后轉(zhuǎn)子位移

系統(tǒng)較快地實現(xiàn)重構(gòu)，并改善重構(gòu)過程中轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性。

研究表明，磁力軸承執(zhí)行器故障，失效磁極或磁極對所處位置不同對轉(zhuǎn)子的影響也會有所不同，失效磁極越靠近某坐標軸，對該坐標方向的轉(zhuǎn)子位移影響越明顯。這一影響可以通過增加特定線圈電流的方式來減弱甚至抵消，從而提高徑向磁力軸承系統(tǒng)工作的可靠性。

[參考文獻]

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