基于ANSYS的磁悬浮轴承转子系统的动力学特性研究
磁悬浮轴承转子系统动态特性的实验研究
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航
空
动
力
学
报
第 19 卷
图 2 转子离散化模型
F ig. 2 D ispersed m odel of the ro to r
图 3 系统传递函数框图
F ig. 3 T ran sfer function of system
表 1 各等效圆盘的质量、 极转动惯量及直径转动惯量
0103945 012469 423173 016847 117978 489158 127193 961013 1893141 611896 141432 11938 541892 646149 013353 010166
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第 1 期
谢振宇等: 磁悬浮轴承转子系统动态特性的实验研究
31
因此可采用激振实验方法, 将实际系统作为未被 完全认识的 “灰箱” , 通过对它进行激振, 分析输入 输出数据, 较准确地获得固有频率、 阻尼及振型等 [5 ] 系统的动态性能参数 , 为系统的现场运行提供 指导。 本文以某磁悬浮系统为对象, 通过激振实验 及系统的实际运行, 分析了系统的动态特性。
[1 ～ 3]
磁悬浮系统的设计是多电或全电航空发动机 的关键技术之一[ 1 ]。 鉴于航空发动机的特殊性, 在 系统实际运行前, 需要预知其动态特性, 包括临界 转速的位置、 刚度阻尼的调整对转子振动的影响 等, 以合理确定升速过程, 并采取措施避免转子在 临界转速附近运行。 由于实际系统的非线性、 磁路存在漏磁、 模型 简化时的误差等因素, 难以用分析的方法完善地 建立系统的数学模型并分析系统的固有特性[ 4, 5 ]。
(必看)ANSYS转子动力学计算讨论
关于ansys做转子动力学问题若干思考（百思论坛）最近想学习一下ansys做转子动力学分析,看了点资料,有点自己感想还有一些别的网友的建议,个人认为比较不错的贴了出来一转子动力学插件:转子动力学插件演示版我已经用了基本上图形可以出来,由于版本原因例程和实际的对应有点问题,如果要有时间我可以把我做的过程,贴出来.难点:坎贝尔图我有些不太了解1 2 5 10频率还有一些刚度考虑的随转速在变化,有函数关系例子上提到了用matrix27模拟刚度,而它只用了刚度阻尼单元,好像没有考虑刚度x y 的交叉项,另外因为是演示版,节点有所限制总的来说不错!将来的要做的工作:滑动轴承模拟滚动轴承模拟挤压油膜阻尼器密封转定件接触(碰摩)电磁场耦合自润滑轴承(石墨)有感:各位学习ansys的高手,有没有兴趣自己开发上面单元,这是很有用的工作,我很感兴趣,但有碍于自己知识水平有限,尤其理论水平,有心无力,如果有对此感兴趣的希望一起研究研究;另外对于ansys做转子的动力学的书籍市场上几乎没有,呵呵希望能组织一些人力把这本书完成功在当代利在千秋提示:1 根据本人自己瞎琢磨,以及看论坛的各位高手的留言觉得做模态分析临界转速计算一般用实体单元的少由于不能考虑陀螺力矩shaft:可以采用beam系列模拟pipe系列也行这些能考虑陀螺力矩叶轮叶片:采用mass21模拟,计算转动惯量,质量通过实常数设置刚度阻尼陀螺质量矩阵:都可以采用matrix27模拟,当然也有用弹簧阻尼单元做的, 问题有过考虑油膜的非线性怎么模拟?2. 网友1:目前轴承计算,采用将刚度和阻尼的8个系数,以施加力和力矩的方式解决> 这个我没搞懂,如果那位给个例子3Q网友2: Pip16能考虑陀螺力矩的影响,实体单元没有角自由度因此不能考虑陀螺力矩的影响,如果你的转子没有类似大圆盘的部分或者大的转动部分在轴的接近轴向中心,或者转速不高,就不用考虑陀螺力矩的影响,可以先采用pipe16做一下看随着转速提高,陀螺力矩对固有频率的影响.网友3:可用于陀螺矩阵下列单元可用: Mass21\beam4\pipe16\beam188\beam189上面三个网友的解释,转自:simwe3 实体单元solid45我用过计算临界转速,其他的甚么都对称,计算出来的水平和竖直方向的固有频率差很多,不知道甚么原因,和用pipe16模拟的差很多,我觉得约束形式对临界转速影响很大,对于实体单元来说模拟轴承本身就不容易,所以个人倾向于用pipe16模拟轴,计算精度也不差,我做过实验一阶临界转速和实际转子系统几乎不差多少,二阶由于实验很难观察到所以这个没有对比,但是可以采用捶击法测出转子的各阶固有频率进行对比,这个我也大概试过,二阶还是差点!在simwe上的一篇文章计算转子的临界转速！！！! 计算临界转速/PREP7MP,EX,1,2.1e11MP,NUXY,1,0.3Mp,DENS,1,7850ET,1,COMBIN14ET,2,SOLID45R,1,0.1, , ,*afun,deg ! 设置角度为（度默认为弧度）r1=0.025/2r2=0.240/2l=0.025CYL4,0,0,0,0,r1,20VEXT,all, , ,0,0,l,,,,CSYS,1VGEN,18,all, , , ,20, , ,0CSYS,0VGEN,25,all, , , , ,l, ,0ASEL,NONECYL4,0,0,r1,0,r2,20VEXT,all, , ,0,0,l,,,,CSYS,1VGEN,18,all, , , ,20, , ,0VSEL,S,LOC,X,r1,r2VGEN, ,all, , , , ,10*l, , ,1ALLSEL,ALLNUMMRG,ALL, , , ,LOWNUMCMP,ALLLSEL,S,LOC,X,0,r1LSEL,A,LOC,X,r2LESIZE,all, , ,1, , , , ,0LSEL,INVELESIZE,all,l, , , , , , ,0MSHAPE,0,3DMSHKEY,1VSEL, , , ,allVSWEEP,allCM,rotor,VOLUCM,Erotor,ELEMsaveVSEL,S,LOC,Z,10*l,11*l!*/GODK,P51X, , , ,0,ALL, , , , , ,OMEGA,0,0,0,1CMOMEGA,EROTOR,100,0,0,,,, , , ,0另外希望大家推荐几个不错的论坛,我现在偶尔上上simwe,最近在刚结构注册了一个帐号好像7天以后才可以发言,现在还在等.大家要是看到有ansys做转子方面的文章论坛还有不错的帖子,希望大家跟贴我想学习一下呵呵谢谢大家!ansys10.0已将考虑了陀螺力矩,加上了这部分功能,可惜我为了装转子动力学插件,现在版本改回了8.1,希望用过10.0这个功能的可以讨论一下,那里不明白,那里懂了!如果有对这方面感兴趣的网友,看看这个帖子相当不错/vi ... 2407&highlight=simwe上的一个帖子【讨论】做转子动力学时：如何获得转子临界转速。
磁悬浮支承转子系统动力学特性的实验研究
摘要 ： 电磁 轴 承 作 为 一 种 新 颖 的 高 性 能 支 承 部 件 ． 有 传 统 轴 承 无 可 比 拟 的 许 多 优 点 ． 具 电磁 轴 承 进 入 应 用 基 础 研 究 阶 段 后 ， 有 许 多 实 际 问 题 需 要 解 决 ． 中 之 一 就 是 在 高 速 旋 转 机 器 中 应 用 时 的 转 子 动 力 学 及 其 稳 定 性 问 题 ． 文 还 其 此
Ｖ Ｏ１ ８． ＮＯ． ． ３
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文章 编 号 ： ０ ７ ２ ６１ ２ ０ ０ — ２ － ６ １ ０ — ８ （ ０ ２） ３ ０ １ ０ ３
磁 悬 浮 支 承 转 子 系统 动 力 学 特 性 的 实 验 研 究
朱礼 进 ， 汪 希 平 ， 王 文 ， 张 直 明 ， 万金 贵
维普资讯
第 ８卷 第 ３期
２０ Ｏ ２年 ６月
上 海 大 学 学 报 （ 然 科 学 版） 自
Ｊ Ｕ Ｎ ｌ Ｏ Ｈ Ｎ Ｈ Ｉ Ｅ Ｓ＇ Ｎ Ｔ ＲＡ＝ Ｉ Ｏ Ｒ Ａ Ｆ Ｓ Ａ Ｇ ＡＩ ＵＮ Ｖ Ｒ Ｉ Ｙ ｔ Ａ Ｕ － — Ｉ 、 垦
Ｚ ＨＵ — ｎ Ｉｉ ｉ ｇ．Ｗ ＡＮ（ ｊ ； — ｉｇ，Ｗ ＡＮＧ ｅ －Ｘｉｐ ｎ Ｗ ｎ，Ｚ ＨＡＮＧ ｉｍｉ Ｚｈ— ｎ，Ｗ ＡＮ ｉ — ｕ Ｊｎ ｇ ｉ
（ｃ Ｓ ｈｏｏ ｅ ｈａ ｃ ｌａ Ｅｌｃ ｒ ｃ Ｅｎｇ ｎｅ ｒｎｇ ａ ｕｔ ｍ ａｔｏｎ，Ｓｈａ ｌｏｆＭ ｃ ｎｉａ ｎｄ ｅ ｔ ｏｎｉ ｉ ｅ ｉ ｎｄ Ａ ｏ ｉ ｎｇｈａ ｎ ｖ ｒ ｉｙ． Ｓｈａ ｈａｉ２０ ｉＵ ｉ ｅ ｓｔ ｎｇ ００７ ２， Ｃｈｉａ） ｎ
基于ANSYS的磁悬浮轴承转子系统的动力学特性研究
产品设计与应用基于ANS YS的磁悬浮轴承转子系统的动力学特性研究万金贵1,汪希平2,高琪1,张飞1(1.上海第二工业大学实验实训中心,上海201209;2.上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)摘要:针对一个实际应用的磁悬浮支承柔性转子系统,进行多组参数条件下的有限元模态分析,分别得到系统的前8阶临界转速与模态振型。
将有限元计算结果与试验结果进行对比分析,验证了有限元分析的正确性。
通过对该磁悬浮转子系统的有限元分析表明:/轴承主导型0的低阶临界转速及振动模态是由轴承控制器各控制通道决定的;而/转子主导型0的高阶临界转速及振动模态符合传统的轴承转子系统动力学特性普遍规律。
关键词:转子系统;磁悬浮轴承;ANSYS;动力学特性;临界转速;模态振型中图分类号:T H133.3;O241.82文献标志码:A文章编号:1000-3762(2010)06-0001-05 R esearch on Dyna m ic Character istics of R otor Syste m Suppor tedby AM B B ased on ANS YS M oda l Ana lysisWAN Ji n-gui1,WANG X i-p i n g2,G AO Q i1,Z HANG Fe i1(1.P racti ca l Center,Shangha i Second P olytechn i c University,Shanghai201209,China;2.School ofM echatron i cs Engi neer i ng and Auto m atio n,Shangha iUn i versity,Shangha i200072,Ch i na)Abstr ac t:The fi n ite e l em ent m o da l analysis of the practical flex i ble rotor system supported by A MB is ca rried out ac2 cordi ng to diff e rent gro ups of para m eters.The first8-order cr iti ca l speeds and m ode shapes are sol ved respecti ve ly.The correctness of t he calculati on resu lts is tested and ver ifi ed by t he exper i m ents.The calculati on resu lts are d iscussed and t he dyna m ic characteristi cs of t he rotor syste m supported byA M B are su mmed up.That i s,the"bear i ng-do m i na2 ted"lo w-order critical speeds and vi brati on m odes are dec i ded by the A MB control channe,l and the"rot or-do m i na2 ted"hi gh-order cr iti ca l speeds and vibratio n m odes a re i n li ne with t he universa l la w of dy na m ics character i sti cs of t he conventi ona l beari ng rotor syste m.K ey word s:rotor syste m;ac ti ve m agne ti c beari ng;ANS YS;dy na m ic character i stics;critica l speed;m o de shape主动磁悬浮轴承(acti v e magnetic bearing, A MB)是利用电磁铁产生可控电磁力将转子悬浮支承的一种新型轴承,由于具有一系列独特的优点而引起人们的广泛关注[1]。
磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析
磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析磁悬浮轴承是一种利用磁场悬浮和控制转子运动的先进轴承技术。
它具有无接触、无摩擦、无磨损、低振动、低噪音、高精度、高速度等优点，被广泛应用于高速、精密、超高速旋转机械设备中，如风力发电机组、离心压缩机、离心泵等。
磁悬浮轴承的关键部件是磁轴承和控制器。
在磁悬浮轴承的转子系统中，振动问题是一个重要的研究课题。
振动会影响磁悬浮轴承的稳定性和性能，甚至引起系统故障，因此对磁悬浮轴承-转子系统进行理论与试验模态分析，对于优化设计和提高系统性能具有重要意义。
磁悬浮轴承-转子系统的理论模态分析是通过计算和仿真分析系统的固有频率、振型和模态阻尼等参数，来了解系统结构的振动特性。
而试验模态分析则是通过实验测试和数据处理方法来获取系统的振动响应，并进一步识别系统的振动模态。
综合理论和试验模态分析可以全面了解磁悬浮轴承-转子系统的振动特性，为系统设计优化和性能改进提供有效的依据。
磁悬浮轴承-转子系统的理论模态分析可以采用有限元分析方法。
有限元分析是一种通过离散化系统结构并建立数学模型，通过数值计算方法求解系统的振动特性的工程分析方法。
通过有限元分析可以计算系统的固有频率、振型和模态阻尼等参数，为系统的动态特性提供定量的分析结果。
通过对磁悬浮轴承-转子系统进行有限元分析，可以全面了解系统的动态响应特性，并为系统的振动控制和优化设计提供理论依据。
在进行磁悬浮轴承-转子系统的理论模态分析时，需要建立系统的有限元模型。
首先需要对系统的结构进行几何建模，并对系统的材料特性、约束条件和加载条件进行设定。
然后需要对系统的有限元网格进行划分，并建立系统的质点、弹簧、阻尼和集中质量等动力学模型。
接下来通过有限元软件进行系统的振动分析，计算系统的固有频率、振型和模态阻尼等参数，得到系统的模态分析结果。
另外，磁悬浮轴承-转子系统的试验模态分析通常采用模态测试方法。
在进行模态测试时，通常需要采用加速度传感器、振动传感器和激励器等设备来对系统进行激励和响应测试。
基于ANSYS的电机转子的动力学分析
现代工业上旋转机械单机容量在不断增大，而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。
高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。
本文使用ansys研究了电机转子动力学问题，得出ansys可以计算转子动力学问题。
1 引言转子动力学的研究，最早可追溯到十九世纪六十年代。
一个多世纪以来，随着大工业的发展，转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中，在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。
因而，转子动力学有着极强的工程应用背景，其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。
由于材质的不均匀，制造、加工及安装误差等，转子系统不可避免的存在着质量偏心，同时转子在工作过程中还可能产生热变形以及磨损和介质的姑附等现象，这些因素或多或少都会导致转子不平衡的增大从而使转子的不平衡振动增大。
由过大的不平衡量引起的转子系统的振动是十分有害的，它使机械的效率降低、载荷增加，使一些零部件易于磨损、疲劳而缩短寿命，较大的振动还会恶化操作人员的劳动环境，甚至会导致发生机毁人亡的严重事故。
消除或者减小转子系统的振动首先考虑是对转子进行平衡。
现代工业上旋转机械单机容量在不断增大，而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。
高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。
转子设计和发展的这种趋势对转子的质量不平衡提出了严格的限制。
这种情况下，转子的动力学变得更加突出和重要。
本文使用ansys研究了某电机转子的动力学问题，为转子动力学设计找到了一个新的途径。
2 模型的建立及计算如图1所示，为电子转子的有限元模型，使用BEAM188单元模拟转子的轴，使用MASS21单元模拟转子，使用单元COMBI214模拟轴承。
图1 电机转子的有限元模型（不显示单元）图2 电机转子的有限元模型（显示单元）图3给出了Beam188 单元的几何简图。
Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。
磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析
磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析磁悬浮轴承-转子系统是一种精密、超高效和耐久的机械结构，应用于高旋转设备。
由于它的旋转准确度和同轴性优异，它已经成为广泛应用的机械设备。
该技术的完整的理论和模态分析也是它的发展趋势。
磁悬浮轴承-转子系统的完整框架理论分析以及相关的模态分析是研究其行为机制和设计机构的基础理论。
常见的磁悬浮轴承-转子系统的理论分析包括轴承力学及其扭曲、硬度、密封和磁场分析，尤其是与机械组件形状及尺寸规范有关的磁场分析。
此外，由于轴承、磁悬浮轴承和转子系统都具有弹性和非线性特性，非线性特性的研究也是不可或缺的组成部分。
为了系统精确地描述磁悬浮轴承-转子系统力学性能，对其进行模态分析是必不可少的过程。
模态分析可以提供系统内许多细节信息，如振动特性，不稳定现象和稳定现象，系统的自激振动数据，系统内部动态变化情况，系统结构的响应特性，等等。
基于模态分析的数据，专家可以细致地分析被评估的对象，并据此优化设计结构，以获得更好的机械性能。
磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析研究，既能系统地揭示其特性，又能使其机械性能更有效地应用；这是研究技术发展潜力和创新设计的重要保证。
近年来，磁悬浮轴承-转子系统的研究和开发者正在努力改善其理论分析和模态分析的程序，目的是为研究和应用的磁悬浮轴承-转子系统的精度、承载能力、故障分析和维护等提供依据。
综上所述，磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析，不仅是技术发展和应用趋势，更是其安全、精确与稳定运行的关键保障。
只有深入研究其理论，并利用最新技术对其进行模态分析，才能更好地揭示其特性，更有效地利用它们，最终实现优化设计并保证其安全、精确与稳定的运行。
基于ANSYS的转子动力学分析
作者简介：
马威譬（１９８７一），男，在读博士研究生。
基于ANSYS的转子动力学分析
作者： 作者单位： 马威猛， 王建军 北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京,100191
本文链接：/Conference_7345971.aspx
否
ＡＮＳＹＳ粱单元与实体单元转子动力学分析能力
粱
否
实体 是 是 是 是 小 大 大 是 是
是
３应用实例
（１）验证性算例
对参考文献［５］中的简单转子模型进行计算分析，图ｌ所示为建立的实体模型，转子
模型采用ｓｏｆｉｄ４５单元建立，端部约束所有自由度，中间支撑处约束径向和周向自由度。材
料属性由参考文献［５］给定。
基于ＡＮＳＹＳ的转子动力学分析
５３５
基于ＡＮＳＹＳ的转子动力学分析
马威猛王建军
（北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京，１００１９１）
摘要：本文对ＡＮＳＹＳ的转子动力学计算功能及理论基础进行说明，在此基础上通过一 个简单算例将ＡＮＳＹＳ实体单元建模获得的转子临界转速与集中参数模型所得的结果进行对 比，验证了实体单元分析的有效性。最后通过一个复杂实例说明转子动力学实体单元建模的 应用。 关键词：转子动力学；ＡＮＳＹＳ；实体建模
响系数法相比，更加接近试验结果。在分析简单模型时．采用寅体单元建模分析计算的有效
惟得到验证。 （２）扩展性算例 图２所示为转子结构复杂，难以将其简化为有效的集中参数模型．同时，其支撑跨距 短，在转子振动分析中盘的振动形式不容忽视。采用粱单元建模显然不能满足分析计算的需 要，而采用文体单元建模则可以很好地解决此类分析问题。
嘲２转于结构州意罔
现代振动与噪声技术（第８卷 图３是本文建立的转子实体有限元模型。对该转子振动特性的讨论可参见参考文献 ６］。
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产品设计与应用基于ANS YS的磁悬浮轴承转子系统的动力学特性研究万金贵1,汪希平2,高琪1,张飞1(1.上海第二工业大学实验实训中心,上海201209;2.上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)摘要:针对一个实际应用的磁悬浮支承柔性转子系统,进行多组参数条件下的有限元模态分析,分别得到系统的前8阶临界转速与模态振型。
将有限元计算结果与试验结果进行对比分析,验证了有限元分析的正确性。
通过对该磁悬浮转子系统的有限元分析表明:/轴承主导型0的低阶临界转速及振动模态是由轴承控制器各控制通道决定的;而/转子主导型0的高阶临界转速及振动模态符合传统的轴承转子系统动力学特性普遍规律。
关键词:转子系统;磁悬浮轴承;ANSYS;动力学特性;临界转速;模态振型中图分类号:T H133.3;O241.82文献标志码:A文章编号:1000-3762(2010)06-0001-05 R esearch on Dyna m ic Character istics of R otor Syste m Suppor tedby AM B B ased on ANS YS M oda l Ana lysisWAN Ji n-gui1,WANG X i-p i n g2,G AO Q i1,Z HANG Fe i1(1.P racti ca l Center,Shangha i Second P olytechn i c University,Shanghai201209,China;2.School ofM echatron i cs Engi neer i ng and Auto m atio n,Shangha iUn i versity,Shangha i200072,Ch i na)Abstr ac t:The fi n ite e l em ent m o da l analysis of the practical flex i ble rotor system supported by A MB is ca rried out ac2 cordi ng to diff e rent gro ups of para m eters.The first8-order cr iti ca l speeds and m ode shapes are sol ved respecti ve ly.The correctness of t he calculati on resu lts is tested and ver ifi ed by t he exper i m ents.The calculati on resu lts are d iscussed and t he dyna m ic characteristi cs of t he rotor syste m supported byA M B are su mmed up.That i s,the"bear i ng-do m i na2 ted"lo w-order critical speeds and vi brati on m odes are dec i ded by the A MB control channe,l and the"rot or-do m i na2 ted"hi gh-order cr iti ca l speeds and vibratio n m odes a re i n li ne with t he universa l la w of dy na m ics character i sti cs of t he conventi ona l beari ng rotor syste m.K ey word s:rotor syste m;ac ti ve m agne ti c beari ng;ANS YS;dy na m ic character i stics;critica l speed;m o de shape主动磁悬浮轴承(acti v e magnetic bearing, A MB)是利用电磁铁产生可控电磁力将转子悬浮支承的一种新型轴承,由于具有一系列独特的优点而引起人们的广泛关注[1]。
近年来,A MB技术在国外得到了迅速的发展,已在军工、航天等国防工业部门中得到了广泛应用,并向民用工业如航空、机床、化工、能源等领域推广[2-4]。
收稿日期:2009-10-16;修回日期:2010-02-21基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475181);上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助项目(Y Q306006)作者简介:万金贵(1972-),女,讲师,主要研究方向为转子动力学、机械设计及数控加工技术。
E-ma i:l WQQ0922@163.co m。
主动磁悬浮轴承经常工作在每分钟数万至数十万转范围内,此时的转子动力学行为往往表现为柔性转子的特性[5]。
为保证磁悬浮转子系统的安全稳定运行,设计者需要对系统的动力特性进行分析和计算,并可对磁力轴承动力学行为进行调整和控制[6-7]。
由于磁力轴承的结构涉及到由电子电路组成的控制器,因此其动力学特征与传统轴承有着本质区别。
目前,人们对于磁悬浮轴承转子系统的动力特性普遍规律还没有形成成熟的理论。
因此,分析磁悬浮转子系统动力特性,探索研究其动力学特点具有重要意义。
对转子系统进行动力特性研究经常采用传递矩阵法或有限元法。
因有限元法能对较复杂的转子系统进行完整而精确的几何建模,容易保证计ISSN1000-3762 CN41-1148/T H 轴承2010年6期Bear i ng2010,No.61-5算结果的准确性,同时计算机技术的飞速发展又为有限元法的计算效率提供了保障,在现代较复杂的转子系统动力特性计算中越来越多采用有限元法[8-9]。
当前最为流行的有限元分析软件AN 2S YS 功能十分强大,还很好地解决了动力特性分析中的/陀螺效应0影响的问题。
下文即以AN 2S YS 为工具,分析磁悬浮转子系统的动力特性及规律。
1 转子系统结构及参数低温制氧高速透平膨胀机的磁悬浮转子系统的结构如图1所示。
该转子由两个径向电磁轴承和一个轴向电磁轴承支承,其中轴向电磁轴承的两个电磁铁对称安装在转子中央推力盘的左右两侧。
径向电磁轴承的初始结构参数:气隙宽度x 0=0.17mm ,磁极数为8,单个磁极面积S 0=1.32@10-4mm 2,每极线圈匝数N 0=42,偏磁电流I 0=1A 。
电磁轴承控制器由PI D 调节器、传感器、功率放大器组成。
1)圆头小螺帽;2)工作风轮;3)左径向磁轴承;4)轴向磁轴承;5)右径向磁轴承;6)轴向定位垫片;7)平衡风轮图1 透平膨胀机磁悬浮转子系统结构示意图该转子的设计转速是1.08@105r/m in 。
为考察该转子是否能安全达到工作转速并稳定运转以及在工作转速范围内系统的振动特点,故将分析的转速范围定在0~1.2@105r /m in (0~2kH z ),即计算从零到稍高于工作转速的整个转速范围内的各阶临界转速与模态振型。
2 刚度及阻尼系数的计算工程应用的电磁轴承转子系统多为5自由度磁悬浮系统,包含两个径向电磁轴承和一个轴向电磁轴承,为转子提供除绕轴旋转以外的其余5个自由度的控制。
低温制氧高速透平膨胀机的磁悬浮转子系统也不例外,其控制系统各自由度的定义如图2所示。
径向电磁轴承1和2分别对应x 1,y 1和x 2,y 2方向的控制通道,轴向电磁轴承则对应z方向的控制通道。
图2 转子的5自由度控制示意图由文献[10]知,径向电磁轴承一般视为正交各向异性的轴承,故每个径向电磁轴承需要计算两个正交方向的刚度与阻尼系数。
另外,电磁轴承交叉刚度与阻尼系数的计算与选用的传感器类型和安装等具体情况有关[11]。
由于通常情况下电磁轴承气隙宽度与转子直径之比很小,计算出的电磁轴承交叉刚度和阻尼系数也很小,故其对转子动力特性的影响可以不予考虑[12]。
因此,完整的5自由度磁悬浮系统动力特性计算中需要计算5组刚度与阻尼系数,即(k x x 1,c x x 1),(k yy 1,c yy 1),(k xx 2,c xx 2),(k yy 2,c yy 2)和(k z ,c z )。
每组刚度与阻尼系数的计算公式为:k e =k i Re [G c (j X )]-k x c e =k i I m [G c (j X )]Xk x =L 0S 0N 2I 20/x30k i =L 0S 0N 2I 0/x 2(1)式中:k e 为对应方向的等效刚度系数;c e 为对应方向的等效阻尼系数;X 为输入控制器的信号频率;G c (j X )为控制器对应方向传递函数;k x 为电磁轴承的位移刚度系数;k i 为系统的电流刚度系数;L 0为真空磁导率;S 0为气隙截面积;N 为电磁(轴承)线圈的匝数;I 0为偏磁电流分量;x 0为转子悬浮时轴承气隙的设计长度。
从上述计算式看,电磁轴承的刚度及阻尼系数除与k x ,k i (由轴承结构参数计算确定)有关外,还与控制器的传递函数及信号频率X 有关。
3 系统临界转速和模态振型的计算在ANS YS 中创建该转子系统完整的三维几何模型,并指定单元类型,设置材料属性,然后划分网格,生成有限元模型。
将每个电磁轴承模拟为具有刚度系数和阻尼系数的弹性阻尼支承,以CO MBI N 14单元来模拟,并设置相应的实常数(刚度和阻尼系数)。
在每个弹簧单元的外端施加/ALL DOF 0约束(完全固接),内端自由。
施加约束后的整个系统有限元模型如图3所示。
#2#5轴承62010.l .6图3 施加约束后的转子系统有限元模型求解得到系统的前8阶固有频率和模态振型。
上述计算过程只是在电磁轴承的一组特定刚度与阻尼系数下的ANS YS 分析过程。
但由于电磁轴承的刚度及阻尼系数是转子涡动频率的函数,当涡动频率发生改变时,电磁轴承的刚度及阻尼系数需要重新计算,由计算出来的新的刚度及阻尼系数代入ANS YS 开始新的模态分析,得到新的固有频率和模态振型。
需要指出的是,转子的涡动情况很复杂,这里只考虑最常见和最主要的正向同步涡动,只有当计算出的固有频率与转子的涡动频率相等时对应的转速才是临界转速。
因此,需要计算工作转速范围内一系列转速下的固有频率和模态振型,然后将各次模态分析得到的固有频率汇总整理,绘制出各阶固有频率随涡动速度的变化曲线。
4 临界转速和模态振型计算结果及影响分析4.1 计算结果控制器参数如表1所示。
各阶固有频率曲线如图4所示。
图中各阶固有频率曲线与45b 直线的交点所对应的转速即为正向同步涡动的各阶临界转速(为清晰起见,列于表2),其对应的振型即为临界振型。