8.3 磁悬浮柔性转子动力学

当转子工作转速接近或超过其第一阶弯曲固有频率时，转子自身的弹性变形成为影响系统动力学行为的主导因素，此时必须将其视为柔性转子进行分析。与刚性转子动力学（第8.2节）相比，柔性转子动力学面临的核心挑战在于：转子振动模态的阶数大幅增加，其模态频率和振型随转速变化，且各阶模态可能被磁轴承的主动控制所激发或抑制。柔性转子系统的设计目标，不仅是实现低速稳定悬浮，更要确保转子能够平稳、安全地穿越一个或多个弯曲临界转速，并在超临界转速下稳定运行。本节将系统阐述考虑转子弹性的动力学建模方法，并深入分析穿越临界转速的主动控制策略。

8.3.1 柔性转子建模：从连续体到有限维离散系统

柔性转子是一个具有无限自由度的连续弹性体。其动力学精确描述依赖于连续介质力学，但为与控制理论结合进行设计与分析，必须采用离散化方法将其转化为有限自由度模型。有限元法是当前最主流且成熟的离散化工具。

1. 转子有限元模型建立
将转子轴系沿轴向离散为若干梁单元（如 Timoshenko 梁单元，同时考虑剪切变形和转动惯量），每个节点具有四个自由度：两个径向平动(x,y)(x, y)(x,y)和两个径向转动(θx,θy)(\theta_x, \theta_y)(θx,θy)。集总质量盘（如推力盘、电机叠片、叶轮等）作为集中质量/惯量单元添加在相应节点上。由此，可组装得到整个转子系统的总体质量矩阵M\mathbf{M}M、总体刚度矩阵K\mathbf{K}K以及由旋转引起的总体陀螺矩阵G(Ω)\mathbf{G}(\Omega)G(Ω)。不考虑外部阻尼时，转子自由振动的运动方程为：
Mq¨+ΩGq˙+Kq=0\mathbf{M} \ddot{\mathbf{q}} + \Omega \mathbf{G} \dot{\mathbf{q}} + \mathbf{K} \mathbf{q} = \mathbf{0}Mq¨+ΩGq˙+Kq=0
其中，q\mathbf{q}q是所有节点自由度组成的广义位移向量。求解该方程的特征值问题，可得到转子在静止(Ω=0)(\Omega=0)(Ω=0)状态下的各阶固有频率ωni\omega_{ni}ωni和对应的振型。当Ω>0\Omega > 0Ω>0时，陀螺效应导致模态频率分裂，且振型变为复模态（进动与章动）[1]。