Rotor balancing and aligning with active magnetic bearings : a case study of MUSK drivetrain simulator

Abstract

To provide a solution to several global sustainable challenges such as scarce of natural resources, environment pollution, and climate change, it is important to focus a research on reliable and energy-efficient machines. One type of machine which belongs to this group of sustainable machines, is a high-speed rotating machine which is supported by active magnetic bearings (AMBs). As is the case with ordinary rotating machines, the machine supported by AMBs can also be subjected to high vibration due to unbalance and misalignment faults during its operation cycle. This vibration can decrease the service-life of the machine while simultaneously causing additional operation costs if not monitored properly. To suppress vibrations caused by unbalance and misalignment defects, it is possible to apply suitable controlling algorithms for the machine.

The main objective of this thesis has been to perform a robustness evaluation for a selected flexible AMB-rotor drivetrain system. While performing the evaluation, unbalance and coupling misalignment faults have been placed at different locations on the system by virtual means. The evaluation tests have been carried out in a safe virtual testing environment by utilizing the Simulink model of the real system. For studying and analyzing the dynamic responses of the system, a time domain analysis approach has been utilized. The main results are indicating that an unbalance is not as severe fault than a coupling misalignment in the investigated system within its studied operation range. The misalignment fault is especially critical during the lift-off phase of the rotor of the system when there is a possibility for the rotor to contact with its safety bearings. Because a coupling misalignment is evidently more critical fault, it is necessary to apply different actions which could minimize it. One suggested approach is to design more robust coupling to connect a driving rotor with a driven machine. This would allow to achieve benefits related to the overall reliability of the system.

Jotta voidaan löytää ratkaisu useisiin maailmanlaajuisiin kestävyyshaasteisiin, kuten luonnonvarojen niukkuuteen, ympäristön pilaantumiseen ja ilmastonmuutokseen, on tärkeää kohdistaa tutkimusta luotettaviin ja energiatehokkaisiin koneisiin. Yksi konetyyppi, joka kuuluu tähän kestävien koneiden ryhmään, on suurnopeuskone, jota on tukemassa aktiiviset magneettilaakerit (AMB). Kuten tavallisten pyörivien koneiden tapauksessa, myös AMB:ien tukema kone voi altistua voimakkaalle tärinälle epätasapaino- ja linjausvirheiden vuoksi toimintasyklinsä aikana. Tämä tärinä voi lyhentää koneen käyttöikää ja aiheuttaa samalla lisäkäyttökustannuksia, ellei sitä valvota kunnolla. Epätasapainon ja linjausvirheiden aiheuttaman tärinän estämiseksi onkin mahdollista käyttää koneelle sopivia ohjausalgoritmeja.

Tämän tutkielman päätavoitteena on ollut suorittaa kestävyyden arviointi valitulle joustavalle AMB-roottorin voimansiirtojärjestelmälle. Arviointia suoritettaessa epätasapaino- ja linjausvirheitä on sijoitettu järjestelmän eri paikkoihin virtuaalisin keinoin. Arviointitestit on suoritettu turvallisessa virtuaalisessa testausympäristössä hyödyntämällä todellisen järjestelmän Simulink-mallia. Järjestelmän dynaamisten vasteiden tutkimiseen ja analysointiin on käytetty aikatason analyysimenetelmää. Tärkeimmät tulokset osoittavat, että epätasapaino ei ole yhtä vakava vika kuin kytkimen virheellinen suuntaus tutkitussa järjestelmässä sen tarkasteltavalla toiminta-alueella. Linjausvirhe on erityisen kriittinen järjestelmän roottorin nostovaiheessa, kun roottorilla on mahdollisuus olla kosketuksessa turvalaakereidensa kanssa. Koska kytkimen linjausvirhe on todistettavasti kriittisempi vika, on tarpeen soveltaa erilaisia toimia, jotka voisivat minimoida sen. Yksi ehdotettu lähestymistapa on suunnitella vankempi kytkin kytkemään roottori ajettuun koneeseen. Tämä antaisi mahdollisuuden saavuttaa järjestelmän yleiseen luotettavuuteen liittyviä etuja.