1.1设计的目的及意义

超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术是一种新兴的绿色发电技术。被视为是未来发电极具前景的方向之一^[1]。美国桑迪亚国家实验室报道了其建成的S-CO2布雷顿循环：涡轮转速为7 500转/分，功率为125 kW^[2]，将这种新型发电技术与高速电机技术相结合，本课题所研究的对象，就是采用上述两种技术的新型200Kw，60000r/min超临界二氧化碳布雷顿循环发电机。

而在高速电机领域，轴承是个重要的问题，它一直是限制高速电机快速发展和工业实际应用的“瓶颈”^[3]，传统的轴承与发电机转子直接刚性接触的支承方式，不仅带来了考虑磨损和发热的问题，较大的噪音^[4]，减少了发电机轴系结构的寿命，还限制着高速电机的转速的提高。非接触式轴承的出现很好地解决了这个“瓶颈”，具有高速、高精度、无机械磨损、低功耗、无润滑、无污染等一系列特点^[5]。于是非接触式轴承成为高速电机的首选支撑形式^[3]。

磁悬浮轴承是非接触式轴承的一种，相比其他非接触轴承如气体轴承，磁悬浮轴承的优势在于它是现有的唯一一种能够实现主动控制的支承技术^[6]。有先例设计是将气体箔片轴承与磁悬浮轴承作为互补的轴承组合^[7]实现对高速电机中转子的支承——即启动电机时采用主动控制的磁悬浮轴承，电机启动后采用气体箔片轴承。经分析，磁悬浮轴承的优点有：①由于轴承与转子不接触，损耗仅为传统轴承的1/20~1/5^[8]；②使用磁悬浮轴承，使得高速电机在更极端的环境（如高温、真空和无菌）中工作成为可能；③磁悬浮轴承是根据高速电机的工作要求来设计的，所以高速电机可以像高速高功率发展^[9]；④磁悬浮轴承方便了无接触位置传感器的工作，使之能够实时监测轴承和电机转子的工作状态^[10]。永磁与电磁混合磁悬浮轴承技术的出现使得轴承结构小型化并且降低了成本^[11]。

前面提到了电机是向着高转速高功率方向发展的，而在设计电机轴系的过程中，就必须有相应的评估手段支撑，也就是需要精确地知道电机转子在极高转速的工作状态下的特性。所以需要对电机转子进行精确的转子动力学分析，并基于这些分析的结论对电机轴系部件的参数进行优化使设计的结构更加优良。转子动力学分析用在各个方面：超单元方法的转子动力学分析^[12]，利用扩展超单元方法提取水泵转子应变能；对鼓风机电动机永磁轴承-转子系统进行动力学分析^[13]以计算刚度；采用转子动力学分析方法计算静压气体轴承支承下的转子振动模态和临界转速特征^[14]；还有的组织建立了发动机轴系动力学分析标准流程^[15]；通过Cambpell图进行磁轴承—转子动力学分析，以求转子的临界转速^[16]等。为保证旋转机械的安全设计及可靠运转，大批科学家和工程师致力于转子动力学的研究^[4]。

1.2国内外研究现状

由于本课题要解决的核心任务是对于高速电机的转子动力学分析。所以下面针对转子动力学分析技术的展开对国内外研究现状的陈述。

国内在转子动力学领域上所做的研究包括大型复杂转子的轴系动力学建模，比如天津大学韩兵兵^[17]等人采用有限元法优化了传统的Jeffcott转子模型和多盘转子模型在对复杂轴系结构建模上的不足，弥补了因为梁的内部变形、梁段转角变化、盘自身变形和陀螺力矩等因素在传统建模方法上引起的误差，使后续分析结果更精确；还开展了对转子系统的非线性理论的研究与失稳分析，转子系统的非线性动力学理论至少2006年以前就已经“和转子动力学紧密结合在一起^[18]”，哈尔滨工业大学的焦映厚^[19]等人在1999年对轴承-转子系统的四个主要失稳因素进行研究，得出非线性油膜力是造成转子系统失稳的主要因素的结论；还开展了对转子系统摩擦、碰撞和耦合等多种故障机理研究，何振鹏^[20]等人基于离心、碰摩等故障建立了转子的综合不对中模型，采用Runge-Kutta法、Poincare截面图等分析方法对该模型进行分析，揭示了故障下转子系统的动力学现象，并分析了这些故障对于转子系统动力学特性的影响，除了研究故障机理，还开发了转子系统振动故障诊断技术、轴承或齿轮振动故障诊断技术，以及对轴承和齿轮的动力学理论也进行了研究，龙建^[21]等人研究了单点损伤及复合故障等故障形式对轴承内部接触载荷以及其振动特性的影响规律；还开发了转子系统动力学设计技术，黄太平^[22]等人很早就研究了转子动力学优化设计，他们采用传递矩阵—拟模态综合法对转子系统进行了动力学分析，对支承的刚度和阻尼系数进行了优化；还研究了转子系统振动控制理论与技术，如赵倩^[23]等人详细地研究了STF自适应阻尼变化的特性在进行转子系统振动控制中的作用，最后提出采用叠层式压电陶瓷驱动器驱动阻尼器以实现控制阻尼的构思。以上，我国动用大量的学者和研究人员在转子动力学上开展了研究，并取得了不菲的成果。我国在转子动力学领域的研究成果极大地提升了我国在该领域的国际地位^[24]，由于转子动力学与工程尤其是高速电机工程结合紧密，它还推动了我国许多工程领域的发展。国外开展了对转子动力学理论的构建，Przybylowicz^[25]等人研究了转子的混沌运动，找到并分析了在轴承支撑的刚性转子系统中发生这种振动的区域，并得到通过选择适当大小的阻尼和轴承座的刚度，可以扩大旋转系统的稳定操作区域的结论，Pandya, D^[27]等人提出了改进的动力学模型来研究深沟球轴承（6205）上支承的高速平衡转子的非线性动力学行为；对转子动力学设计的研究，Ebaid^[28]对涡轮转子进行了非线性优化设计，优化了转子系统的结构参数，提供了最佳尺寸，还进行了转子系统的模态分析和热应力分析；对转子平衡技术的研究，Vainilavicius^[29]等人对旋翼机旋翼平衡转子的平衡过程进行了研究，并介绍了用于测量和分析带有叶片的机械系统动力学不平衡过程的系统。