• ISSN 0258-2724
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基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计

周扬 周瑾 张越 徐园平

周扬, 周瑾, 张越, 徐园平. 基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(3): 682-692. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766
引用本文: 周扬, 周瑾, 张越, 徐园平. 基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(3): 682-692. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766
ZHOU Yang, ZHOU Jin, ZHANG Yue, XU Yuanping. Optimum Structural Design of Active Magnetic Bearing Based on RBF Approximation Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(3): 682-692. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766
Citation: ZHOU Yang, ZHOU Jin, ZHANG Yue, XU Yuanping. Optimum Structural Design of Active Magnetic Bearing Based on RBF Approximation Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(3): 682-692. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766

基于RBF近似模型的磁悬浮轴承结构优化设计

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210766
基金项目: 国家自然科学基金(52075239)
详细信息
    作者简介:

    周扬(1996—),男,博士研究生,研究方向为磁悬浮轴承、自激振动,E-mail:zhouyang0216@nuaa.edu.cn

    通讯作者:

    周瑾(1972—),女,教授,研究方向为磁悬浮技术、旋转机械、机电系统控制、振动控制,E-mail:zhj@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: TH133.3

Optimum Structural Design of Active Magnetic Bearing Based on RBF Approximation Model

  • 摘要:

    主动磁悬浮轴承(active magnetic bearing,AMB)-转子系统中,转子质量分布上的不平衡引起不平衡振动,为提高系统的稳定性、减小转子在一阶弯曲临界转速处的不平衡振动,建立了考虑不平衡力和不平衡磁拉力的磁悬浮柔性转子机电一体化模型,并结合径向基(radial basis function,RBF)神经网络算法,得到转子振幅关于磁悬浮轴承结构参数的近似模型;以振幅最小为目标,通过参数灵敏度分析和多岛遗传算法(multi-island genetic algorithm,MIGA)对磁悬浮轴承进行结构优化设计. 数值仿真结果表明:在一定范围内增大磁悬浮轴承的偏置电流、磁极面积、线圈匝数,减少单边气隙能够增大系统阻尼,可以降低一阶弯曲临界转速处的不平衡振动幅值,优化后不平衡振幅较优化前减少近50%.

     

  • 图 1  磁悬浮轴承-转子实验台

    Figure 1.  Test rig of AMB-rotor

    图 2  磁悬浮轴承-柔性转子结构

    Figure 2.  Structure of AMB-flexible rotor

    图 3  频响输入输出示意

    Figure 3.  Diagram for frequency response of input and output

    图 4  实验和理论模型自由频响对比

    Figure 4.  Comparison between experimental and theoretic frequency response

    图 5  转子的理论模态振型

    Figure 5.  Theoretic model shapes of rotor

    图 6  转子理论坎贝尔图

    Figure 6.  Theoretic Campbell diagram of rotor

    图 7  8极径向磁悬浮轴承结构和x方向电磁力示意

    Figure 7.  Diagram of 8-poles radial AMB structure and electromagnetic force generated by radial AMB in x direction

    图 8  加入控制器后的闭环系统

    Figure 8.  Closed-loop system with controller

    图 9  加入不平衡力和不平衡磁拉力的闭环系统

    Figure 9.  Closed-loop system both with unbalanced force and unbalance magnetic pull

    图 10  不平衡质量测试

    Figure 10.  Diagram of unbalance mass test

    图 11  转子偏心示意

    Figure 11.  Diagram of rotor eccentricity

    图 12  转子升速位移响应

    Figure 12.  Rotor displacement response in a run-up procedure

    图 13  转子一阶弯曲临界转速处响应

    Figure 13.  Displacement response of rotor at first-order bending critical speed

    图 14  近似模型及优化流程

    Figure 14.  Flow diagram for establishment of approximation model and structure optimization

    图 15  径向基神经网络原理

    Figure 15.  Principle of RBF neural network

    图 16  模型参数分析示意

    Figure 16.  Diagram of model parametric analysis

    图 17  结构参数对不平衡响应的影响

    Figure 17.  Influence of structural parameters on the unbalanced response

    图 18  参数灵敏度分析

    Figure 18.  Parameter sensitivity analysis

    图 19  优化前后转子一阶弯曲临界转速处轴心轨迹数值仿真对比

    Figure 19.  Comparison between shaft centerline orbit before and after optimization

    表  1  径向磁悬浮轴承结构参数

    Table  1.   Structural parameters of radial AMB

    参数
    单个磁极线圈/匝75
    磁极面积/m24.05 × 10−4
    偏置电流/A2
    气隙/mm0.25
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    表  2  结构参数范围

    Table  2.   Range of structural parameters

    取值A/mm2I0/AC0/μmN/匝
    标准值4052.025075
    最小值3501.820065
    最大值4502.830085
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    表  3  参数优化结果

    Table  3.   Parameter optimization results

    项目A/mm2I0/AC0/μmN/匝
    优化前4052.025075
    优化后3802.120085
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  • [1] MASLEN E H, SCHWEITZER G, BLEULER H, et al. Magnetic bearings—theory, design and application to rotating machinery[M]. Berlin: Springer, 2009.
    [2] 高辉. 主动磁悬浮轴承系统不平衡振动补偿研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2011.
    [3] 钟一谔. 转子动力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 1987: 34-35.
    [4] 王正. 转动机械的转子动力学设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2015: 38-39. .
    [5] 韩辅君,房建成. 磁悬浮飞轮转子系统的现场动平衡方法[J]. 航空学报,2010,31(1): 184-190.

    HAN Fujun, FANG Jiancheng. Field balancing method for rotor system of a magnetic suspending flywheel[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(1): 184-190.
    [6] 章璟璇. 柔性转子动平衡及转子动力特性的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2005.
    [7] 王星星,吴贞焕,杨国安,等. 基于改进粒子群算法的最小二乘影响系数法的理论及实验研究[J]. 振动与冲击,2013,32(8): 100-104. doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2013.08.018

    WANG Xingxing, WU Zhenhuan, YANG Guoan, et al. Theory and tests for least square influence coefficient method based on an improved particle swarm optimization algorithm[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(8): 100-104. doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2013.08.018
    [8] LEI S L, PALAZZOLO A. Control of flexible rotor systems with active magnetic bearings[J]. Journal of Sound and Vibration, 2008, 314(1/2): 19-38.
    [9] INOUE T, LIU J, ISHIDA Y, et al. Vibration control and unbalance estimation of a nonlinear rotor system using disturbance observer[J]. Journal of Vibration and Acoustics, 2009, 131(3): 11-17.
    [10] CUI P L, LIU Z Y, XU H, et al. Harmonic vibration force suppression of magnetically suspended rotor with frequency-domain adaptive LMS[J]. IEEE Sensors Journal, 2020, 20(3): 1166-1175. doi: 10.1109/JSEN.2019.2946628
    [11] CUI P L, ZHANG G X, LIU Z Y, et al. A second-order dual mode repetitive control for magnetically suspended rotor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(6): 4946-4956. doi: 10.1109/TIE.2019.2927184
    [12] 万金贵,汪希平,李文鹏,等. 径向磁力轴承的结构分析与优化设计方法[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2010,32(1): 62-65.

    WAN Jingui, WANG Xiping, LI Wenpeng, et al. Structure analysis and optimized design method for radial magnetic bearing[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Information & Management Engineering), 2010, 32(1): 62-65.
    [13] 嵇尚华,张维煜,黄振跃,等. 交流主动磁轴承参数设计与优化[J]. 中国电机工程学报,2011,31(21): 150-158.

    JI Shanghua, ZHANG Weiyu, HUANG Zhenyue, et al. Parameter design and optimization of AC active magnetic bearing[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(21): 150-158.
    [14] 张松山,周瑾,张发品. 基于多目标遗传算法的磁轴承结构优化设计[J]. 机械与电子,2013,31(8): 3-6. doi: 10.3969/j.issn.1001-2257.2013.08.001

    ZHANG Songshan, ZHOU Jin, ZHANG Fapin. Structural optimization design for magnetic bearings based on multi-objective genetic algorithm[J]. Machinery & Electronics, 2013, 31(8): 3-6. doi: 10.3969/j.issn.1001-2257.2013.08.001
    [15] 陈帝伊. 径向磁悬浮轴承的电磁场分析和结构优化设计[D]. 济南: 山东大学, 2008.
    [16] 景轩. 磁悬浮轴承的结构优化设计及其磁路解耦自适应控制[D]. 湘潭: 湘潭大学, 2017.
    [17] 肖林京,张绪帅,常龙,等. 基于ANSYS和iSIGHT的磁悬浮轴承结构优化设计[J]. 轴承,2012(5): 5-8.

    XIAO Linjing, ZHANG Xushuai, CHANG Long, et al. Design and optimization of magnetic bearings based on ANSYS and iSIGHT[J]. Bearing, 2012(5): 5-8.
    [18] 王晓远,张德政,高鹏,等. 飞轮储能用径向磁悬浮轴承结构优化设计[J]. 机械科学与技术,2018,37(7): 1048-1054.

    WANG Xiaoyuan, ZHANG Dezheng, GAO Peng, et al. Structural optimization design of radial magnetic bearing for flywheel energy storage[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2018, 37(7): 1048-1054.
    [19] XU Y P, ZHOU J, DI L, et al. Active magnetic bearing rotor model updating using resonance and MAC error[J]. Shock and Vibration, 2015, 2015: 263062.1-263062.9.
    [20] 徐园平. 柔性转子磁悬浮轴承支承特性辨识[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2018.
    [21] 吴海同. 磁悬浮高速永磁电机偏心不平衡分析与补偿研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2020
    [22] 刘雪杰,周瑾,金超武,等. 基于RBF近似模型的低速永磁电机齿槽转矩优化[J]. 微特电机,2020,48(1): 25-29. doi: 10.3969/j.issn.1004-7018.2020.01.006

    LIU Xuejie, ZHOU Jin, JIN Chaowu, et al. Optimization of cogging torque for low-speed permanent magnet motor based on RBF approximation model[J]. Small & Special Electrical Machines, 2020, 48(1): 25-29. doi: 10.3969/j.issn.1004-7018.2020.01.006
    [23] 吴海同,周瑾,纪历. 基于单相坐标变换的磁悬浮转子不平衡补偿[J]. 浙江大学学报(工学版),2020,54(5): 963-971.

    WU Haitong, ZHOU Jin, JI Li. Unbalance compensation of magnetically suspended rotor based on single phase coordinate transformation[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2020, 54(5): 963-971.
    [24] 周瑾,高天宇,董继勇,等. 基于Isight的径向磁悬浮轴承结构优化设计[J]. 轴承,2018(7): 6-11.

    ZHOU Jin, GAO Tianyu, DONG Jiyong, et al. Optimal design for structure of radial magnetic bearings based on isight[J]. Bearing, 2018(7): 6-11.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-28
  • 修回日期:  2022-03-10
  • 刊出日期:  2022-04-13

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