间隙控制型电磁动力吸振器的研究

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旋转机械的振动问题一直是人们关注的热点。转子振动主要是由转子的不平衡引起的。转子振动造成机械运转不稳定、旋转精度降低;引起噪声,甚至是破坏性后果。为了保证转子长期安全稳定运行,需要对转子振动实施主动或被动控制。 针对转子不平衡引起的振动控制,已有一些比较成熟的手段,比如采用磁力轴承支承,安装阻尼器或电磁动力吸振器装置。传统的电磁动力吸振器的刚度由电流控制;电磁动力吸振器不用安装在轴承的位置,可以兼顾转子的静、动态特性要求;不随转子转动,控制方便;具有刚度和阻尼可控、可调的特性,能实现宽频吸振:外传力很小甚至没有外传力。但是在停电时,电磁动力吸振器会使转子与吸振器产生碰撞,起不到吸振作用,易发生安全事故,而且在高转速或吸振频率很高的情况下,需要的控制电流很大。针对这种情况,本文提出了用调整电磁铁与铁芯间初始间隙的方法来控制吸振器的刚度,该方法称为间隙控制法,同时也提出了采用间隙控制法的间隙控制型电磁动力吸振器。与传统的电磁动力吸振器相比较,间隙控制型电磁动力吸振器具备传统电磁动力吸振器的优点:安装位置灵活,不会对机械结构产生较大的影响;没有外传力,不会将转子系统传给动力吸振器的力传到机座上;具有刚度可控、可调的特性,可以在较宽频域内吸振。同时,在相同的吸振频率处所需要的控制电流小,而在相同的电流变化范围内,吸振频率范围宽,即使在停电情况下,也不会发生安全事故。 首先,系统地分析了课题研究的背景及意义;在国内外研究电磁系统控制转子不平衡振动现状的基础上,分析了已存在的电磁动力吸振器的优缺点,提出了调整电磁动力吸振器刚度的间隙控制法和采用该方法的新型电磁动力吸振器-间隙控制型电磁动力吸振器。间隙控制型电磁动力吸振器是一种用于转子振动控制的新型吸振器,改变吸振器与转子间的刚度可调节吸振器的固有频率;吸振器与转子之间的刚度由主刚度和附加负刚度组成,主刚度由机械弹簧提供,该刚度不可调,附加负刚度由电磁力提供,附加负刚度可调,对附加刚度的调节是通过调节吸振器与铁芯之间的初始间隙和线圈电流来实现的。具体调节方式为:采用间隙控制法对刚度进行粗调,调节范围宽,再用电流控制法对刚度进行细调,调节精度高,且所需要的电流小。 其次,详细地阐述了间隙控制型电磁动力吸振器的工作原理,建立了用于控制转子不平衡振动的间隙控制型电磁动力吸振器—转子系统的动力学模型。 再次,根据间隙控制型电磁动力吸振器的工作原理,借鉴磁力轴承的设计思路,给出了间隙控制型电磁动力吸振器结构的设计步骤,并设计了适合于转子系统的间隙控制型电磁动力吸振器结构。 最后,根据建立的间隙控制型电磁动力吸振器—转子系统动力学模型以及动力吸振器的工作原理,推导了电磁动力吸振器的刚度和阻尼的计算公式,并分析了质量比、偏磁电流、线圈匝数、磁极面积和初始间隙等因素对电磁动力吸振器固有频率的影响。 研究表明,由于间隙控制型电磁动力吸振器的刚度可以根据系统的激振频率进行调节,所以动力吸振器能在宽频域内对转子进行振动控制。采用调整间隙的方式可以调节电磁动力吸振器与转子间的刚度,且间隙控制型电磁动力吸振器的固有频率调节范围比传统电磁动力吸振器的频率调节范围大,间隙控制电磁动力吸振器与传统的电磁动力吸振器相比较,在线圈电流相同的情况下,刚度调节范围可成倍增加,在相同的吸振频率处,所需要的线圈电流减小,功耗也成倍减少。
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