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主動磁軸承（Active Magnetic Bearing, AMB）是在工業(yè)中得到實際應用的轉(zhuǎn)子振動主動控制元件之一。與機械軸承相比，磁軸承與轉(zhuǎn)子沒有物理接觸，不僅非常適用于高速旋轉(zhuǎn)場合，而且還可以通過控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)磁軸承的支承特性，實現(xiàn)對振動的主動控制，有廣泛的工業(yè)應用前景。

隨著船舶綜合電力、汽車動力驅(qū)動等領域?qū)πD(zhuǎn)機械高速運轉(zhuǎn)和減振降噪的高性能需求，磁軸承在運動平臺上的應用開始引起人們的關注。但是目前大多數(shù)針對磁軸承的研究和應用，都是以磁軸承系統(tǒng)安裝在靜止的基礎平臺上為前提，忽略了基礎運動對磁軸承動態(tài)特性的影響，限制了磁軸承的適用范圍。

少數(shù)學者圍繞運動平臺上磁軸承的動力學建模方法展開了研究。

• 有學者介紹了磁軸承在艦船高速異步發(fā)電機、潛艇風機和戰(zhàn)車武器系統(tǒng)等軍事領域中的應用，但均未涉及相應的動力學建模方法。
• 有學者建立了運動車輛上的磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，并在六自由度運動平臺進行了實驗驗證，但沒有考慮轉(zhuǎn)子大幅度轉(zhuǎn)動帶來的非線性動力特性。
• 有學者采用受迫阻尼Mathieu方程建立磁軸承剛性轉(zhuǎn)子的運動方程，并通過仿真分析了磁軸承的穩(wěn)定性，但其準確性缺乏實驗驗證。
• 有學者以車載磁懸浮飛輪為研究對象，利用ADAMS與Matlab軟件分析了載體在不同運動狀態(tài)下對飛輪電池動態(tài)性能的影響，但僅針對于載體的平動特征。
• 有學者考慮了磁懸浮慣性動量輪中的動框架效應，建立了框架轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)子動力學方程，卻忽略了轉(zhuǎn)動對磁軸承重力平衡載荷的影響。

以上方法對于運動載體上磁軸承-轉(zhuǎn)子動力學建模具有重要借鑒意義，但卻局限于特定的對象和運動特征，難以適用于大幅度運動平臺上的磁軸承系統(tǒng)。

因此，為了研究磁軸承在大幅度運動平臺上的動力學特性，海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室的研究人員姜豪、蘇振中、王東，在2019年第23期《電工技術學報》上撰文，以船舶傾斜搖擺環(huán)境下的磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象，分析了載體運動對定子運動的影響，并運用拉格朗日方程推導了任意傾斜角度下轉(zhuǎn)子的非線性動力學方程，進一步考慮了定、轉(zhuǎn)子運動對磁軸承重力載荷和電磁力的影響，建立了運動平臺上磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)學模型。最后基于所構建的實驗平臺完成了模型的驗證。

主要結(jié)論如下：

1）對于大幅度運動平臺上的磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，必須考慮轉(zhuǎn)子大角度轉(zhuǎn)動帶來的非線性動力學特性以及對磁軸承重力載荷分布的影響。

2）磁軸承本質(zhì)是利用電磁力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子相對于定子的穩(wěn)定懸浮。載體運動會帶來定子位置的變化，引起定轉(zhuǎn)子間氣隙發(fā)生改變，影響電磁力的大小，干擾轉(zhuǎn)子的懸浮狀態(tài)。而磁軸承的動態(tài)響應速度有限，因此載體運動將使得轉(zhuǎn)子軸振位移增大，降低磁軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）傾斜屬于靜態(tài)環(huán)境，主要會改變磁軸承的重力載荷分布，從而影響轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性。搖擺屬于動態(tài)環(huán)境，不僅會使得磁軸承的重力平衡載荷跟隨時間發(fā)生周期性的變化，還會通過定子的牽連運動給磁軸承帶來動態(tài)變化的干擾力矩，導致系統(tǒng)響應中出現(xiàn)與船體搖擺直接相關的基頻或倍頻成分，磁軸承必須具備足夠的響應速度，不斷實時調(diào)整電磁力來克服重力和定子運動帶來的干擾。

圖2 磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作原理

圖3 船舶運動示意圖

圖6 仿真模型