CN111350758B - 一种航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法，采用电励磁绕组电流重构的方法，将每个磁轴承的四套绕组电流分解为径向悬浮电流分量和轴向悬浮电流分量的形式，通过径向和轴向悬浮电流分量分别协调控制径向和轴向电磁力。同时，为方便后续研究计算，将永磁体磁链等效为电流的形式。在建立准确的电磁力数学模型的基础上，将重构后各绕组电流代入径向力和轴向力表达式中，反向解算出各绕组的径向悬浮电流分量和轴向悬浮电流分量，从而得到各绕组电流的给定量。本发明采用一种锥形磁轴承的振动力主动控制技术，通过控制电励磁绕组电流，实现锥形磁轴承径向力与轴向力的协调控制，从而抵消发动机转子的刚度位移振动。

Description

一种航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法，属于磁轴承控制技术领域。

背景技术

航空多电发动机是以传统航空燃气涡轮发动机为基础，配装主动磁性轴承、内置一体化起动机/发电机、分布式电子控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新部件和系统的一种新型航空发动机。多电发动机取消了传动轴、齿轮、提取轴等机械单元，采用多电发动机转轴、磁悬浮轴承及起动发电机的集成一体化共轴设计方式。这使得多电发动机具有结构更紧凑、重量更轻、性能更高、维修性与适应性更好、可靠性更高、运行和维护费用更低等突出技术优势，是未来航空发动机的重要发展方向之一。

但是多电发动机缺少了传动部件后，发动机轴向推力、径向振动力与发电机的电磁转矩直接耦合在一起，尤其随着电气负荷的增加，两者间的相互影响不能再被忽略不计。由于发动机转子的不平衡力、不对中及碰擦导致的振动，使得转轴出现多种振动模态。发动机转子轴系有多个临界工作点，发动机的转速范围很宽，无法避开临界转速点(共振点)。而当转子工作转速在0.5-0.707倍的临界转速范围内时，呈现准刚度特性。磁轴承位于转子轴系端部，其转子主要呈现刚度位移振动模式。根据不同振动位移类型，可分别产生径向振动、轴向振动。因此，航空发动机的振动模式多样，并且由于大型航空发动机采用柔性转子，进一步增加了振动复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法，通过控制电励磁绕组电流，实现锥形磁轴承径向力与轴向力的协调控制，从而抵消发动机转子的刚度位移振动。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法，包括如下步骤：

步骤1，将系统五自由度方向的给定位移与五自由度方向各自对应的实际位移作差，差值作为PID调节器的输入，PID调节器的输出为五自由度方向各自的给定力信号F_x1 ^*、F_x2 ^*、F_y1 ^*、F_y2 ^*和F_z ^*；

步骤2，将系统z方向的给定力信号F_z ^*以及系统两个磁轴承径向悬浮电流分量的实际值代入轴向力模型解算出轴向悬浮电流分量I_z ^*；

步骤3，将轴向悬浮电流分量I_z ^*以及给定力信号F_x1 ^*、F_x2 ^*、F_y1 ^*、F_y2 ^*代入径向力模型解算出系统两个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值；

步骤4，将步骤2得到的轴向悬浮电流分量I_z ^*与步骤3得到的系统两个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值作运算，得到系统两个磁轴承上各齿极绕组电流的给定值，将各齿极绕组电流的给定值通过PI调节器实现磁轴承开关功放对给定电流的跟踪，从而实现对转子五自由度悬浮位移的协调控制。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤1的具体过程为：

将系统x₁方向的给定位移x₁ ^*与实际位移x₁作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为x₁方向的给定力信号F_x1 ^*；将系统x₂方向的给定位移x₂ ^*与实际位移x₂作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为x₂方向的给定力信号F_x2 ^*；将系统y₁方向的给定位移y₁ ^*与实际位移y₁作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为y₁方向的给定力信号F_y1 ^*；将系统y₂方向的给定位移y₂ ^*与实际位移y₂作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为y₂方向的给定力信号F_y2 ^*；将系统z方向的给定位移z^*与实际位移z作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为z方向的给定力信号F_z ^*。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述轴向力模型的表达式为：

其中，I_z ^*为轴向悬浮电流分量，F_z ^*为z方向的给定力信号，M₁、M₂、M₃、M₄、M₅均为与磁轴承结构相关的常数，I_pm为永磁体的等效电流分量，I_s1、I_s2为系统其中一个磁轴承径向悬浮电流分量的实际值，I_s3、I_s4为系统另一个磁轴承径向悬浮电流分量的实际值。

作为本发明的一种优选方案，所述永磁体的等效电流分量I_pm的表达式为：

其中，ψ_pm为永磁体磁链，N为永磁体等效绕组匝数，P为气隙磁导。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述径向力模型的表达式为：

其中，I_s1 ^*、I_s2 ^*为系统其中一个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值，I_s3 ^*、I_s4 ^*为系统另一个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值，S₁、S₂、S₃、S₄均为与磁轴承结构相关的常数，R₁、R₂、R₃、R₄均为与磁轴承结构相关的常数，F_x1 ^*、F_x2 ^*、F_y1 ^*、F_y2 ^*分别为x₁、x₂、y₁、y₂方向的给定力信号，I_pm为永磁体的等效电流分量，I_z ^*为轴向悬浮电流分量。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述将步骤2得到的轴向悬浮电流分量I_z ^*与步骤3得到的系统两个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值作运算，得到系统两个磁轴承上各齿极绕组电流的给定值，具体表达式为：

I₁₁ ^*＝I_z ^*+I_s1 ^*

I₁₂ ^*＝I_z ^*-I_s1 ^*

I₁₃ ^*＝I_z ^*+I_s2 ^*

I₁₄ ^*＝I_z ^*-I_s2 ^*

其中，I₁₁ ^*、I₁₂ ^*、I₁₃ ^*、I₁₄ ^*为系统其中一个磁轴承上各齿极绕组电流的给定值，I_s1 ^*、I_s2 ^*为系统其中一个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值；

I₂₁ ^*＝-I_z ^*+I_s3 ^*

I₂₂ ^*＝-I_z ^*-I_s3 ^*

I₂₃ ^*＝-I_z ^*+I_s4 ^*

I₂₄ ^*＝-I_z ^*-I_s4 ^*

其中，I₂₁ ^*、I₂₂ ^*、I₂₃ ^*、I₂₄ ^*为系统另一个磁轴承上各齿极绕组电流的给定值，I_s3 ^*、I_s4 ^*为系统另一个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明在建立准确的电磁力数学模型的基础上，通过调节电励磁绕组电流，实现锥形磁轴承径向力与轴向力的协调控制，从而抵消发动机转子的刚度位移振动，改善发动机整个轴系的特征。

2、本发明采用电励磁绕组电流重构的方法，将每个磁轴承的四套绕组电流分解为径向悬浮电流分量和轴向悬浮电流分量的形式，通过径向和轴向悬浮电流分量分别协调控制径向和轴向电磁力。

3、本发明解决了锥形磁轴承的径向力与轴向力间的协调控制问题，进而消除了发动机径向和轴向的振动位移，有利于保证发动机整个轴系的稳定。

附图说明

图1是磁轴承+发动机转子+永磁发电机集成一体化系统架构图。

图2是航空发动机转子轴振动模态图。

图3是锥形定转子间电磁力分解示意图。

图4是电磁力F横截面分量分解示意图。

图5是本发明锥形磁轴承径向力与轴向力协调控制框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为磁轴承+发动机转子+永磁发电机集成一体化系统架构图，是本发明主动控制方法的实施对象。

如图2所示，为航空发动机转子轴振动模态图。发动机转子轴系有多个临界工作点，发动机的转速范围很宽，无法避开临界转速点(共振点)。而当转子工作转速在0.5-0.707倍的临界转速范围内时，呈现准刚度特性。磁轴承位于转子轴系端部，其转子主要呈现刚度位移振动模式。根据不同振动位移类型，可分别产生径向振动，轴向振动。

如图3所示，为锥形定转子间电磁力分解示意图。当定子各齿极绕组中流过电流时，转子上会产生朝向定子方向的电磁吸力F₁、F₂，由于两个磁轴承均为锥形结构，因此电磁力F₁、F₂呈三维空间分布，其可分解为横截面分量F_cs1、F_cs2和轴向分量F_z1、F_z2。其中F_z1、F_z2分别为两个磁轴承z轴方向上的轴向力，这两个力方向相反，大小可调；通过各自控制两个磁轴承上的轴向力F_z1、F_z2，可控制整个系统的轴向力和轴向位移，实现转子的轴向悬浮；而横截面分量上的力又可在横截面内分解成沿水平方向和竖直方向上的径向力F_x、F_y。

如图4所示，为电磁力F横截面分量分解示意图。其定子由8个齿极构成，其中对角线的相对4个齿极内部嵌有永磁体，且齿上无绕组，永磁体的磁极分布如图所示，用于产生偏置磁场；而水平方向和竖直方向上的4个齿极上绕有集中绕组，并将它们分别定义为X1、X2，Y1、Y2绕组，各绕组电流均独立控制，通过调节绕组电流的大小来调节偏置磁场的不平衡度，从而产生x，y方向上的径向力。以产生水平向右的径向力F_x为例，X1绕组电流所产生的磁链方向应与相邻齿极永磁体产生的磁链方向一致，使得X1绕组齿极处气隙磁场加强。而X2绕组电流的确定有两种选择：一是该电流产生的磁链方向与相邻齿极永磁体产生的磁链方向相反，使得X2绕组齿极处气隙磁场减弱；二是其产生的磁链方向与永磁体磁链方向相同，但其合成气隙磁密小于X1绕组齿极处的气隙磁密。根据X2绕组电流的不同确定方法，可设计不同优化目标的悬浮控制策略。同理，径向力F_y也可通过Y1、Y2绕组控制产生。因此，分别控制两个磁轴承三个方向上的力F_x、F_y和F_z即可实现电机转子的五自由度悬浮。

如图5所示，为锥形磁轴承径向力与轴向力协调控制框图。先将单个磁轴承的X1，X2，Y1，Y2绕组电流重构为：

I₁₁ ^*＝I_z ^*+I_s1 ^*

I₁₂ ^*＝I_z ^*-I_s1 ^*

I₁₃ ^*＝I_z ^*+I_s2 ^*

I₁₄ ^*＝I_z ^*-I_s2 ^*

另一个磁轴承的各齿极绕组电流也可重构为：

I₂₁ ^*＝-I_z ^*+I_s3 ^*

I₂₂ ^*＝-I_z ^*-I_s3 ^*

I₂₃ ^*＝-I_z ^*+I_s4 ^*

I₂₄ ^*＝-I_z ^*-I_s4 ^*

式中I_s1 ^*～I_s4 ^*分别为两个磁轴承径向悬浮电流分量，I_z ^*为轴向悬浮电流分量，I₁₁ ^*～I₁₄ ^*、I₂₁ ^*～I₂₄ ^*分别为两个磁轴承各绕组齿极的给定电流。将该电流产生的磁链与永磁体产生的磁链相叠加，使得原有气隙磁密不再对称分布，从而产生径向力与轴向力。这种电流重构方法将轴向悬浮控制电流与径向悬浮控制电流独立开来，使控制更加简单。

将上式代入锥形磁轴承径向力和轴向力表达式中，可得两个磁轴承径向力和轴向力电流分量分别为：

式中S₁～S₄，R₁～R₄，M₁～M₅均为与磁轴承结构相关的常数，I_pm为永磁体的等效电流分量，它可表示为：

其中，ψ_pm为永磁体磁链，N为永磁体等效绕组匝数，P为气隙磁导。

由上式可知，径向电流、轴向电流、径向悬浮力和轴向悬浮力之间存在交叉耦合的情况。为简化控制，首先将给定位移与传感器测得五自由度的实际位移作差，误差值作为PID调节器的输入端，输出为五自由度方向各自的给定力信号F_x1 ^*～F_y2 ^*和F_z ^*。其次，遵循先控制各个磁轴承的径向力，后控制两个磁轴承之间的轴向力的原则。因此，可先通过轴向力模型解算出轴向电流I_z ^*，在计算时，径向电流可用实际电流值代替。在得到轴向电流I_z ^*之后，通过径向力模型解算得到径向电流的给定值I_s1 ^*～I_s4 ^*。然后，将计算得到的径向电流与轴向电流作运算，得到各齿极绕组电流的给定值I₁₁ ^*～I₁₄ ^*和I₂₁ ^*～I₂₄ ^*。最后，通过相应的电流控制算法即PI调节器实现磁轴承开关功放对给定电流的跟踪，从而实现对转子五自由度悬浮位移的协调控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将系统五自由度方向的给定位移与五自由度方向各自对应的实际位移作差，差值作为PID调节器的输入，PID调节器的输出为五自由度方向各自的给定力信号F_x1 ^*、F_x2 ^*、F_y1 ^*、F_y2 ^*和F_z ^*；

步骤2，将系统z方向的给定力信号F_z ^*以及系统两个磁轴承径向悬浮电流分量的实际值代入轴向力模型解算出轴向悬浮电流分量I_z ^*；

所述轴向力模型的表达式为：

其中，I_z ^*为轴向悬浮电流分量，F_z ^*为z方向的给定力信号，M₁、M₂、M₃、M₄、M₅均为与磁轴承结构相关的常数，I_pm为永磁体的等效电流分量，I_s1、I_s2为系统其中一个磁轴承径向悬浮电流分量的实际值，I_s3、I_s4为系统另一个磁轴承径向悬浮电流分量的实际值；

步骤3，将轴向悬浮电流分量I_z ^*以及给定力信号F_x1 ^*、F_x2 ^*、F_y1 ^*、F_y2 ^*代入径向力模型解算出系统两个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值；

所述径向力模型的表达式为：

其中，I_s1 ^*、I_s2 ^*为系统其中一个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值，I_s3 ^*、I_s4 ^*为系统另一个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值，S₁、S₂、S₃、S₄均为与磁轴承结构相关的常数，R₁、R₂、R₃、R₄均为与磁轴承结构相关的常数，F_x1 ^*、F_x2 ^*、F_y1 ^*、F_y2 ^*分别为x₁、x₂、y₁、y₂方向的给定力信号；

步骤4，将步骤2得到的轴向悬浮电流分量I_z ^*与步骤3得到的系统两个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值作运算，得到系统两个磁轴承上各齿极绕组电流的给定值，将各齿极绕组电流的给定值通过PI调节器实现磁轴承开关功放对给定电流的跟踪，从而实现对转子五自由度悬浮位移的协调控制；

所述将步骤2得到的轴向悬浮电流分量I_z ^*与步骤3得到的系统两个磁轴承径向悬浮电流分量的给定值作运算，得到系统两个磁轴承上各齿极绕组电流的给定值，具体表达式为：

I₁₁ ^*＝I_z ^*+I_s1 ^*

I₁₂ ^*＝I_z ^*-I_s1 ^*

I₁₃ ^*＝I_z ^*+I_s2 ^*

I₁₄ ^*＝I_z ^*-I_s2 ^*

其中，I₁₁ ^*、I₁₂ ^*、I₁₃ ^*、I₁₄ ^*为系统其中一个磁轴承上各齿极绕组电流的给定值；

I₂₁ ^*＝-I_z ^*+I_s3 ^*

I₂₂ ^*＝-I_z ^*-I_s3 ^*

I₂₃ ^*＝-I_z ^*+I_s4 ^*

I₂₄ ^*＝-I_z ^*-I_s4 ^*

其中，I₂₁ ^*、I₂₂ ^*、I₂₃ ^*、I₂₄ ^*为系统另一个磁轴承上各齿极绕组电流的给定值。

2.根据权利要求1所述航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：

将系统x₁方向的给定位移x₁ ^*与实际位移x₁作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为x₁方向的给定力信号F_x1 ^*；将系统x₂方向的给定位移x₂ ^*与实际位移x₂作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为x₂方向的给定力信号F_x2 ^*；将系统y₁方向的给定位移y₁ ^*与实际位移y₁作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为y₁方向的给定力信号F_y1 ^*；将系统y₂方向的给定位移y₂ ^*与实际位移y₂作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为y₂方向的给定力信号F_y2 ^*；将系统z方向的给定位移z^*与实际位移z作差，其差值作为PID调节器的输入，输出为z方向的给定力信号F_z ^*。

3.根据权利要求1所述航空发动机永磁偏置锥形磁轴承振动力主动控制方法，其特征在于，所述永磁体的等效电流分量I_pm的表达式为：

其中，ψ_pm为永磁体磁链，N为永磁体等效绕组匝数，P为气隙磁导。

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