五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

高 平，楊芳芳，呂建超，卿 華

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

多電發(fā)動(dòng)機(jī)是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用磁懸浮軸承取代傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承，用集成在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸上的起動(dòng)發(fā)電機(jī)給發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)以及機(jī)載高能激光武器提供所需能源，并用電氣化傳動(dòng)附件取代機(jī)械式傳動(dòng)附件，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的全電氣化傳動(dòng)[1]。

磁懸浮軸承技術(shù)作為多電發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)磁懸浮軸承在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用開展了大量研究。Iannello等[2-3]采用電容位移傳感器，對(duì)磁懸浮軸承的線圈和傳感器進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，提高了磁懸浮軸承系統(tǒng)的可靠性；Meeks等[4]采用永磁和電磁混合的磁懸浮軸承方案降低了磁懸浮軸承系統(tǒng)的質(zhì)量；Storace[5]、Lyons[6]等采用無(wú)傳感器檢測(cè)技術(shù)和磁懸浮軸承冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，完成了雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)對(duì)磁懸浮軸承在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究開展相對(duì)較晚。徐龍祥課題組[7-8]開展了用于航空領(lǐng)域的高溫磁懸浮軸承和高溫位移傳感器研究；趙雷等[9]開展了磁懸浮軸承在高溫氣冷堆氦風(fēng)機(jī)的應(yīng)用研究；王戈一等[10]開展了磁懸浮軸承在多電發(fā)動(dòng)機(jī)上的初步應(yīng)用研究；楊韶[11]等開展了五自由度磁懸浮軸承耦合效應(yīng)的試驗(yàn)研究；楊芳芳等[12]開展了推力磁懸浮軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析研究。盡管上述研究均取得了一定的成果，但磁懸浮軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用仍處于起步階段。

為進(jìn)一步掌握磁懸浮軸承在多電發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用技術(shù)，本文以某型多電發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，開展了模擬多電發(fā)動(dòng)機(jī)的五自由度磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，以驗(yàn)證磁懸浮軸承系統(tǒng)的性能，為磁懸浮軸承在多電發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)多電發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能要求，磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)中磁懸浮軸承的支撐位置、結(jié)構(gòu)尺寸和承載能力等都要與多電發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求保持一致。圖1示出了磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，其主要部件包括外部機(jī)匣、輔助軸承、磁懸浮軸承、位移傳感器、音輪、內(nèi)置電機(jī)、模擬轉(zhuǎn)子以及磁懸浮軸承和電機(jī)的控制系統(tǒng)。其中輔助軸承分別置于試驗(yàn)臺(tái)前后兩端，推力磁懸浮軸承、前徑向磁懸浮軸承、前位移傳感器和內(nèi)置電機(jī)一起置于試驗(yàn)臺(tái)的前腔，后徑向磁懸浮軸承和后位移傳感器置于試驗(yàn)臺(tái)的后腔。表1給出了磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)。

3 模擬轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與分析

為準(zhǔn)確模擬多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的真實(shí)狀態(tài)，磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)子(以下稱模擬轉(zhuǎn)子)的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、臨界轉(zhuǎn)速等要與多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的保持一致，且模擬轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單可靠、方便安裝。圖2為模擬轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖，主要由前軸頸、中間軸和后軸頸三部分組成。其中前軸頸裝配有推力磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子、前徑向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子、音輪和內(nèi)置電機(jī)轉(zhuǎn)子，中間軸包括壓氣機(jī)模擬盤和渦輪模擬盤，后軸頸裝配有后徑向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子。

表1 磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main parameters of the AMB test-bed

圖2 模擬轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the simulation rotor

經(jīng)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，得出了模擬轉(zhuǎn)子與多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子前三階臨界轉(zhuǎn)速的對(duì)比，見表2?？梢姴煌蝿偠认?，模擬轉(zhuǎn)子和多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速接近。其中一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速都位于14 000～18 000 r/min之間，距設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)的安全裕度大于40%，滿足轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求。計(jì)算分析表明，模擬轉(zhuǎn)子與多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子應(yīng)變能和支撐應(yīng)變能接近，前三階振型和應(yīng)變能分布相似，這說(shuō)明模擬轉(zhuǎn)子能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行較好的模擬，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 模擬轉(zhuǎn)子和多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速r/minTable 2 The critical speeds of the simulation rotor and the more-electric engine rotor

4 磁懸浮軸承設(shè)計(jì)與分析

磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)中的五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)，包括前/后支點(diǎn)徑向磁懸浮軸承、推力磁懸浮軸承、位移傳感器、輔助軸承以及磁懸浮軸承控制系統(tǒng)。圖3為徑向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)示意圖，其中軟磁材料采用高性能的1J22。圖4為僅施加偏置電流時(shí)徑向磁懸浮軸承每對(duì)磁極的磁力線分布。從圖中可看出，徑向磁懸浮軸承每個(gè)磁極上的磁力線分布均勻，每對(duì)磁極之間幾乎無(wú)磁漏，從結(jié)構(gòu)上基本消除了磁極之間的相互耦合，有利于磁懸浮軸承控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖4 施加偏置磁場(chǎng)時(shí)磁懸浮軸承磁力線分布Fig.4 The magnetic line of the AMB in bias magnetic field

通過(guò)對(duì)磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，得出了徑向磁懸浮軸承和推力磁懸浮軸承的最終方案。圖5為徑向磁懸浮軸承和推力磁懸浮軸承組件實(shí)物，表3為磁懸浮軸承技術(shù)參數(shù)。

圖5 磁懸浮軸承實(shí)物圖Fig.5 The active magnetic bearings

表3 磁懸浮軸承技術(shù)參數(shù)Table 3 The main parameters of the AMB

輔助軸承的主要作用是在磁懸浮軸承不工作時(shí)支撐轉(zhuǎn)子，以及當(dāng)磁懸浮軸承系統(tǒng)失效后支撐整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。本文輔助軸承采用的方案為：前支點(diǎn)為兩個(gè)角接觸球軸承配對(duì)使用，后支點(diǎn)為自潤(rùn)滑深溝球軸承。

5 磁懸浮軸承控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是磁懸浮軸承系統(tǒng)的核心，其根據(jù)測(cè)量獲取的轉(zhuǎn)子位移信號(hào)控制磁懸浮軸承對(duì)轉(zhuǎn)子的吸引力。圖6為磁懸浮軸承控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要包括：①數(shù)字電子控制器——由DSP微處理器、信號(hào)輸入通道和信號(hào)輸出通道等組成，其功能是根據(jù)位移傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)，按照預(yù)定的控制算法和控制程序進(jìn)行處理和計(jì)算，形成控制信號(hào)輸送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)；②測(cè)量元件——即位移傳感器，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位移信號(hào)；③執(zhí)行機(jī)構(gòu)——包括功率放大器以及電磁鐵，其作用是產(chǎn)生電磁力，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)子的目的；④人機(jī)交互界面——功能是幫助操作人員隨時(shí)了解控制狀態(tài)、修改控制參數(shù)、發(fā)出控制命令、進(jìn)行人工干預(yù)等。

圖6 磁懸浮軸承控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 The structure of the AMB control system

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)過(guò)程中，為了對(duì)模擬轉(zhuǎn)子和磁懸浮軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要對(duì)功率變換器輸入/輸出電壓及電流、模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及軸心軌跡、磁懸浮軸承定子鐵芯溫度、輔助軸承外圈溫度、前/后軸承座振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

6.2 磁懸浮軸承性能試驗(yàn)

在磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)上開展了磁懸浮軸承系統(tǒng)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，前徑向磁懸浮軸承偏置電流為3 A，后徑向磁懸浮軸承偏置電流為2 A，推力磁懸浮軸承偏置電流為2 A。圖7顯示了試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物。

圖7 磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 The active magnetic bearing test-bed

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)工作穩(wěn)定，磁懸浮軸承控制電流和轉(zhuǎn)子位移均在允許范圍內(nèi)。圖8(a)顯示了轉(zhuǎn)子通過(guò)一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速(約17 000 r/min)時(shí)的轉(zhuǎn)子位移?？煽闯鲛D(zhuǎn)子位移峰峰值很小，位移波動(dòng)也很小，說(shuō)明磁懸浮軸承系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能良好，控制參數(shù)選擇合理，能夠平穩(wěn)地通過(guò)一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速。圖8(b)顯示了模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)時(shí)的轉(zhuǎn)子位移?？煽闯鲭m然轉(zhuǎn)子徑向位移波動(dòng)較大，但未超過(guò)輔助軸承的保護(hù)間隙，磁懸浮軸承系統(tǒng)仍能正常工作。

圖9為不同轉(zhuǎn)速下各支點(diǎn)磁懸浮軸承位置處的轉(zhuǎn)子位移曲線，其中前徑向磁懸浮軸承和后徑向磁懸浮軸承各有2個(gè)位移電流檢測(cè)通道，推力磁懸浮軸承有1個(gè)位移電流檢測(cè)通道。從圖中可看出：轉(zhuǎn)速在25 000 r/min以下時(shí)，各支點(diǎn)位置處的轉(zhuǎn)子位移波動(dòng)都很小，磁懸浮軸承系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；轉(zhuǎn)速在25 000～27 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子徑向位移突然增大，但未超出輔助軸承的保護(hù)間隙；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高至27 000～30 000 r/min時(shí)，各支點(diǎn)位置處的轉(zhuǎn)子位移波動(dòng)則呈下降趨勢(shì)。

圖10為不同轉(zhuǎn)速下磁懸浮軸承的控制電流曲線。可見：前徑向磁懸浮軸承在7 000～18 000 r/min時(shí)控制電流增加較快，在18 000～30 000 r/min時(shí)控制電流趨于平穩(wěn)，其控制電流最大峰值為5.6 A(限制值為6.0 A)。后徑向磁懸浮軸承和推力磁懸浮軸承在25 000 r/min以下時(shí)控制電流較為平穩(wěn)，在25 000～30 000 r/min時(shí)增加較快；整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，后徑向磁懸浮軸承控制電流最大峰值為3.8 A(限制值為4.0 A)，推力磁懸浮軸承控制電流最大峰值為3.5 A(限制值為 4.0 A)。

圖8 一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)子位移Fig.8 The rotor displacement in the first bend under critical speed and the maximum speed

圖9 各支點(diǎn)磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子位移Fig.9 The rotor displacement of each AMB

圖10 各支點(diǎn)磁懸浮軸承控制電流Fig.10 The control current of each AMB

由于模擬轉(zhuǎn)子為柔性轉(zhuǎn)子，且轉(zhuǎn)子本身存在不平衡量，試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，轉(zhuǎn)子不平衡量產(chǎn)生的離心力較小，轉(zhuǎn)子變形也較小，各支點(diǎn)磁懸浮軸承只需要較小的控制電流就可將轉(zhuǎn)子位移控制在較小范圍內(nèi)。隨著轉(zhuǎn)速增加，不平衡量產(chǎn)生的離心力也增加，轉(zhuǎn)子變形量增大，磁懸浮軸承需要增大控制電流才能完成對(duì)轉(zhuǎn)子的控制。另外，由于前軸頸是細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，所以前支點(diǎn)磁懸浮軸承對(duì)轉(zhuǎn)子變形更加敏感，前支點(diǎn)磁懸浮軸承的控制電流隨轉(zhuǎn)速的增加就更加明顯。當(dāng)磁懸浮軸承的控制電流趨于飽和而轉(zhuǎn)子離心力隨轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，磁懸浮軸承產(chǎn)生的磁場(chǎng)力不足以將轉(zhuǎn)子控制在較小范圍內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)子位移會(huì)隨之增大，但整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子位移都控制在允許范圍內(nèi)。

7 結(jié)論

通過(guò)五自由度磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)以及磁懸浮軸承系統(tǒng)的性能試驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論；

(1)模擬轉(zhuǎn)子與多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速、各階振型以及轉(zhuǎn)子應(yīng)變能等方面均較為近似，該模擬轉(zhuǎn)子能較為真實(shí)地模擬多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子。

(2)模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速順利通過(guò)了一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速30 000 r/min；磁懸浮軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制參數(shù)選擇正確，磁懸浮軸承工作性能穩(wěn)定，滿足磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。

(3)該五自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)在多電發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用合理可行，五自由度磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)為后續(xù)多電發(fā)動(dòng)機(jī)的磁懸浮軸承支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了支持。

(4)該五自由度磁懸浮軸承試驗(yàn)臺(tái)工作可靠，采集的數(shù)據(jù)滿足要求，為后續(xù)建立其他試驗(yàn)臺(tái)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。