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磁悬浮高速电机刚性转子的自动平衡方法


浙江大学电气工程学院、中国船舶重工集团第704研究所的研究人员巩磊、杨智、祝长生、李鹏飞 ， 在2020年第7期《电工技术学报》上撰文 ， 针对磁悬浮高速电机刚性转子的不平衡振动 ， 提出一种基于极性切换自适应陷波器的自动平衡方法 。 研究表明该控制策略能够有效地抑制转子系统的不平衡同步振动及对基础的传递力 。
【磁悬浮高速电机刚性转子的自动平衡方法】主动电磁轴承（Active Magnetic Bearing, AMB）具有无摩擦、适合高速运行以及使用寿命长等优点 。 采用主动电磁轴承的高速电机具有体积小、功率密度高等优点 ， 额定转速可达每分钟几万甚至十几万转 ， 因此AMB广泛应用于涡轮分子泵、压缩机、飞轮储能等高速旋转机械领域 。
在旋转机械中 ， 转子不平衡产生的离心力将引起转子的不平衡振动 ， 转速越高 ， 不平衡激励力就越大 ， 引起转子的振动就越剧烈 。 因此有必要采取主动控制策略对转子的不平衡振动进行抑制 。 不平衡补偿和自动平衡是AMB刚性转子系统不平衡振动主动控制的两种有效方法 。
不平衡补偿是通过对位移进行补偿 ， 实现位移最小控制 ， 能够提高转子的转动精度 。 不平衡补偿既可以直接对转子的不平衡力进行补偿 ， 也可以对转子的不平衡位移进行补偿 ， 前者与转子的转速相关 ， 而后者与转子的转速无关 。

  • 毛川等提出了一种基于实时变步长的转子等效不平衡力系数的多边形迭代寻优算法 ， 使AMB产生一个与等效不平衡力大小相同、相位相反的补偿力 ， 以有效地减少转子的振动 。
  • 蒋科坚等根据转子不平衡质量的实时位置 ， 进而产生控制信号 ， 对不平衡质量位置进行补偿 ， 从而克服了控制器连续频繁计算 ， 实现了转子不平衡的补偿 。
  • N. Taiki等研究了AMB刚性转子系统不平衡振动的补偿器峰值增益控制和相变控制方法 ， 并证明了峰值增益控制可以有效抑制不平衡振动 。
  • Fang Jiancheng等基于带通滤波器提出了一种不平衡补偿控制策略 ， 使转子绕其几何轴旋转 。
  • 孙玉坤等针对传统磁悬浮开关磁阻电机存在的多变量非线性强耦合问题 ， 提出一种混合双定子磁悬浮开关磁阻电机 。
  • 蓝益鹏等采用混合灵敏度H∞控制策略设计了鲁棒控制器 ， 孙鲲鹏等和孙玉坤等分别基于无速度传感器控制和滑模控制算法设计了鲁棒控制器 ， 均可实现高速电机的稳定运行 。
  • 宋腾等研究了基于最小位移的AMB转子变极性最小均方（Least Mean Square, LMS）反馈不平衡补偿方法来抑制转子不平衡振动 。
这些研究结果均表明 ， 不平衡补偿虽然提高了转子旋转的精度 ， 但高速时易造成功放饱和 ， 甚至导致系统失稳 。 另外 ， 引入的不平衡补偿器也增加了控制系统的复杂性和设计难度 。
自动平衡是通过对电流或者电磁力进行补偿 ， 实现电流或者电磁力的最小控制 。

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