饱和磁拉力作用下转子-滑动轴承系统非线性动力学特性研究

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大型电站发电机转子通常采用滑动轴承支撑,且通常工作于磁饱和区域,转子偏心引起的饱和不平衡磁拉力(Unbalanced Magnetic Pull)和滑动轴承非线性油膜力对发电机转子系统的振动有着重要影响,其中饱和磁拉力的解析建模是一个关键和难点问题,对饱和磁拉力和油膜力共同作用下转子系统的动力学特性的研究也不充分。  本文围绕饱和磁拉力作用下发电机转子-滑动轴承系统的动力学特性,针对非线性油膜力的准确、快速求解和饱和磁拉力的建模这两个关键问题,采用理论分析、数值仿真和实验测试相结合的方法,展开了系统的研究。  首先,针对油膜力的Capone短轴承模型计算误差较大,而二维有限差分和有限元法计算效率低下的问题,选用了一种准确、高效求解非线性油膜力的一维有限元快速算法,研究了该算法中的油膜区一维离散、破裂边界与迭代方法、算法适用边界条件等关键问题。  其次,研究建立了饱和磁拉力及电磁刚度的解析模型,提出一种可表征磁拉力负刚度效应和偶数倍频激励特性的磁拉力组合模型。针对隐极式和凸极式发电机结构的不同和气隙磁势波形的特点,分别基于正弦基波磁动势和方波磁动势,建立了电磁拉力和电磁刚度的解析模型,并提出一种包含电磁刚度项的磁拉力组合模型,分析了负载对隐极式发电机磁拉力的影响,及不考虑磁饱和时磁拉力的幅值、相位、频率等特性。采用有限元法分析了考虑磁饱和时磁拉力的相关特征,比较分析了考虑磁饱和前、后磁拉力的变化规律,提出一种幂指数形式的磁饱和修正公式,建立了考虑磁饱和的磁拉力和电磁刚度的解析修正模型,进一步建立了饱和磁拉力的组合模型。  而后,建立了饱和磁拉力影响下转子-滑动轴承系统动力学模型,研究了饱和磁拉力作用下,转子-滑动轴承系统的非线性动力学特性,研究了饱和磁拉力对转子系统刚度、临界转速以及油膜振荡的影响。  最后,实验研究了磁拉力对发电机转子-轴承系统振动影响。设计、建立了滑动轴承支撑的发电机转子不平衡磁拉力实验台,采用正交实验法研究了励磁电流、转子转速变化时转子的振动响应,实验测试与理论分析结果具有较好的一致性,验证了理论模型及分析方法的正确性。
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