复杂工况下储能飞轮转子传力支承与减振设计

针对复杂工况下飞轮转子上、下传力支承角接触球轴承与支座间隙配合导致的振动问题,以及真空环境下振动控制问题,提出飞轮转子上支承采用圆柱滚子轴承,下支承采用深沟球轴承+成对角接触球轴承联合传力支承方案,解决了复杂工况下轴向力调整、磁轴承失效、轴向力平衡、支承刚度连续、支承系统变形协调等结构设计难题。同时引入一种主控式弹支干摩擦阻尼器(ESDFD),抑制转子径向振动。采用有限元法建立ESDFD-储能飞轮转子系统耦合动力学模型,计算飞轮转子动力学特性,分析单/双阻尼器对转子振动的控制效果。结果表明:针对转子一阶、二阶模态振动,采用单/双阻尼器控制方式,最大响应均低于30μm,减振比超过90%。

单点柔性支承的飞轮转子系统电涡流油膜混合阻尼减振性能

针对传统摆动油阻尼器减振性能不足的问题,提出了一种以支承弹簧为弹性元件的油阻尼器结构,并在油阻尼器的基础上,引入了电涡流阻尼,设计了新型的电涡流油膜混合阻尼器。搭建了飞轮旋转试验系统,研究不同支承刚度下不同阻尼对飞轮转子系统幅频特性和临界转速的影响,对比分析了不同转速时的轴心轨迹和时域波形。结果表明,相较于油阻尼器和电涡流阻尼器,电涡流油膜混合阻尼器在减振效果上表现最佳,在临界转速附近,减振率最高可达82.67%。研究结果为单点柔性支承的飞轮转子系统振动控制提供了技术支撑。

基于差异演化算法的高速储能飞轮形状优化设计

采用差异演化算法对高速储能飞轮的形状进行优化,以实现储能飞轮具有最大的质量能量密度,并且以在高速旋转的状态下满足强度要求为设计目标。针对差异演化算法进化速度依赖种群个体差异的特点,提出权重因子随种群聚集度变化而变化的策略,并增加混沌变异操作,以提高算法跳出局部最优的能力。构建了仿真优化程序,通过Visual C++6.0调用通用有限元软件ANSYS来计算飞轮的应力分布。通过优化计算得到了满足强度要求的质量能量密度最大的飞轮形状,与同质量的圆盘飞轮相比,转动惯量提高了28.39%。

磁悬浮飞轮锁紧保护技术研究与发展现状

介绍了国内外常用的磁悬浮飞轮用一次性锁紧装置和可重复锁紧装置,分析了它们的结构和工作原理。综述了这些磁悬浮飞轮用锁紧装置的研究现状及其在卫星姿态控制系统中的应用。介绍了国外一次性内/外锁紧方案,结合各种方案结构示意图,给出了不同锁紧装置的适用场合。为克服一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点,论述了国内可重复锁紧装置的发展过程,重点分析了基于楔形块自锁的可重复内锁紧装置和可重复抱式外锁紧装置。展望了锁紧保护技术的未来发展方向,指出基于单执行机构的可重复内锁紧装置、高锁紧刚度、高阻尼可重复锁紧装置和锁紧保护效果评价方法是磁悬浮飞轮保护技术的研究重点。

功能梯度材料飞轮转子优化设计

功能梯度材料(Functionally graded materials,FGMs)是一种材料属性在空间位置上连续变化的新型材料。与均匀材料相比,高速储能飞轮转子采用FGMs可以有效地减少应力集中,充分发挥材料性能,从而改善转子的工作性能。针对飞轮转子轴向厚度相对较厚时平面应力方法误差较大的问题,通过将转子离散为有限个等厚匀质微环的方法,推得变厚度FGMs飞轮转子的三维半解析解——修正平面应力(Modified plane stress,MPS)解,并采用有限元法验证其精确性。应用序列二次规划(Sequential quadratic programming,SQP)优化方法,以飞轮转子的厚度、材料体积分数和转速为设计变量,以最大化转子的储能密度为目标函数,对FGMs飞轮转子的形状和材料分布进行优化设计,并分析材料性能参数对结果的影响。计算结果表明,合理的转子形状与材料分布可以使转子应力分布更加均匀,大大提高飞轮的储能性能。

复合材料飞轮转子设计

考虑到转子与驱动机构的连接,给出了一种金属轮毂加复合材料轮缘结构飞轮转子的设计方法。分析了转子材料、结构、连接及制作工艺等因素对储能密度的影响,分析结果表明:复合材料轮缘内外径比值α是影响其储能密度的关键,根据轮缘材料选取合理值,对轮毂进行优化可以进一步提高转子的储能密度。分析中所用复合材料及胶粘剂力学常数的准确性是影响仿真结果的主要因素,通过实验对其理论值进行修正可以进一步提高仿真结果的准确性。对实际应用中一个具体飞轮转子进行了设计并制作出了转子,在20 000 r/min转速范围内进行了旋转应力实验,仿真分析与实验结果取得了较好的一致性,证明了本文设计方法的正确性。

反作用飞轮结构的动态优化设计

在综合考虑飞轮执行机构的动量容量、输出力矩、质量、体积、功耗、成本及复杂性等因素的基础上,基于优化设计软件ISIGHT及结构有限元分析软件ANSYS,对基于磁悬浮轴承技术的反作用飞轮的结构外形尺寸进行动态优化设计,在确保反作用飞轮结构在给定设计转速下能达到一定的角动量,同时满足结构强度、刚度、形态等方面的要求的前提下,使反作用飞轮的质量最小,优化结果令人满意。设计思路和方法可以用于系列反作用飞轮结构的设计和研制。

姿控飞轮控制系统设计及转速过零分析

为了缩短姿控飞轮控制系统的设计周期和快速验证设计方案的可行性及有效性,在分析姿控飞轮电机本体数学模型的基础上,结合该姿控飞轮控制系统所采用的加速控制、制动控制、换相控制,建立了姿控飞轮控制系统模型。针对姿控飞轮的共性问题:飞轮过零响应问题,以速度模式下的指令响应为例分析了调压调速控制方式与调压调速结合反接制动方式下的飞轮速度、电流、端电压以及力矩响应。分析结果表明:在0.025 Hz的速度指令下,调压调速结合反接制动方式具有更好的过零响应。

基于Witness的飞轮生产线生产节拍平衡研究

车间的生产节拍平衡决定了企业生产效率的高低,是解决制造业车间面临的主要问题的最佳途径,研究了某飞轮生产线生产节拍的平衡问题。对某飞轮生产线生产现状进行分析,测定工序作业时间,应用Witness软件进行仿真建模,发现瓶颈环节与利用率不足等不平衡现象,运用生产节拍平衡方法等改进生产线,达到日产目标,消除瓶颈环节,使机器与人员利用率均衡。通过比较生产节拍平衡前后的相关参数,生产线改善效果明显,生产效率得以提高,进而降低企业成本。

基于磁力等效原理的刚性磁悬浮转子系统高精度在线动平衡

针对磁悬浮飞轮转子不平衡振动问题,提出了一种在线动平衡方法。其基于磁轴承控制作用力与转子不平衡离心力之间的等效原理,通过检测磁轴承的控制作用力解算转子不平衡校正质量。设计了零位移控制器,使转子绕几何轴旋转,此时磁轴承的控制作用力与控制电流呈线性关系,通过测量控制电流来准确获得磁轴承的控制作用力。该方法消除了传统方法由动力学模型过度简化带来的误差,尤其适用于强陀螺效应的扁平型刚性磁悬浮转子系统。实验验证了该方法的有效性,对提高磁悬浮转子系统的动平衡精度具有实际意义。

不同杨氏模量对复合材料储能飞轮应力及位移影响之比较

对不同杨氏模量对复合材料飞轮的应力、位移分布的影响进行了研究。结合复合材料飞轮转子的结构特点,根据非均质各向异性弹性理论建立计算模型,得到飞轮在工作转速情况下应力和位移计算的解析公式,给出了任一点的径向、环向应力及径向位移。按照所建立的计算模型,讨论了具有不同杨氏模量的复合材料对径向、环向应力和径向位移的影响,仿真分析了复合材料飞轮转子在不同边界条件、几何参数情况下的应力和位移。结果表明:随着角速度从0增大到5000rad/s,径向应力、环向应力和径向位移都增大;两种材料径向应力的最大值都出现在飞轮的外缘,最大环向应力都出现在飞轮的内侧;高杨氏模量(Er=100GPa,Eθ=350GPa)时的径向和环向应力都要大于低杨氏模量时(Er=20GPa,Eθ=150GPa)的情况,而位移则是在低杨氏模量的情况下较大。

飞轮储能系统研究综述

飞轮储能系统 (FESS)又称飞轮电池或机电电池 ,由于它与化学电池相比所具有的巨大优势和未来市场的巨大潜力 ,引起了人们的密切关注 它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术 ,使得飞轮储存的能量有了质的飞跃 ,再加上真空技术的应用 ,使得各种损耗也非常小 针对该领域近年来的研究成果 。

飞轮贮能系统在未来航天器中的应用

传统蓄电池贮能系统由于其比能量小、可靠性低的固有缺陷已难以满足未来航天器的总体性能发展要求。近年来，随着高性能磁轴承、高强度轻重量的复合材料、电力电子技术等一系列关键技术的发展，使得飞轮贮能系统取代目前航天器中镍氢电池贮能系统成为可能。文中系统地阐述这一未来的航天器贮能系统，其中具体介绍了飞轮贮能系统的高比能量、长寿命、高效率等优越特性以及在航天器应用中独具的位姿控制附加功能，并对飞轮贮能系统的结构组成、多功能集成等方面作了较为详细的论述。

基于TMS320C6713B+FPGA数字控制器实现磁悬浮飞轮主动振动控制

为了抑制磁悬浮飞轮的振动,分析了磁悬浮飞轮的振动源。针对磁悬浮飞轮最主要的振动源-不平衡振动,给出了一种基于TMS320C6713B+FPGA数字控制器的磁悬浮飞轮主动振动控制实现方案。介绍了所采用的主动振动控制方法、数字控制器的硬件组成和功能原理,并讨论了DSP中主动振动控制算法的实现和FPGA中多任务管理及外设控制等。实验结果显示,采用本方法进行主动振动控制后,磁悬浮飞轮的不平衡振动衰减至3.2%,表明本实现方案对飞轮转子不平衡振动取得了很好的抑制效果,对于增加磁悬浮飞轮姿态控制的稳定性,提高对地观测分辨率具有重要意义与应用价值。

微小卫星用陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮的性能试验

为解决微小卫星姿态控制执行元件—姿控飞轮的轻量化、高效支撑及润滑问题,提出了应用脂润滑陶瓷轴承为微小卫星姿控飞轮提供支撑和润滑的方法。试验研究了陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮的启动、摩擦功耗、温度特性、抗振动性能及寿命特性,试验结果显示:与同型号钢制球轴承相比,陶瓷球轴承在静态摩擦力矩及功耗方面性能更优良,可以有效减小姿控飞轮的启动电流和摩擦功耗。陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮在-30～50℃具有良好的启动性能,低于卫星最低工作温度20℃时仍能保持良好的启动特性,无冷焊问题,完全满足卫星发射时抵抗振动的要求。振动试验后的姿控飞轮在4年的地面真空试验中功耗电流变化率在有真空度和温度变化的影响下小于1%,验证了陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮使用寿命优于4年,满足国内微小卫星对姿控飞轮轻量化和使用寿命的要求。

磁悬浮飞轮用永磁无刷直流电机数字控制系统

研究了DSP和ML4425组成的高速高效无刷直流电机的数字控制系统及实现电机高精度转速控制的软件锁相环算法。在该系统中,ML4425完成无位置传感器无刷直流电机的换相控制和功率器件的驱动,DSP实现控制算法。采用软件锁相环算法后,转速控制精度可达1 ,并具有较高的效率和可靠性。

飞轮储能装置设计初探

讨论了具有广泛应用前景的新型机械储能技术中飞轮储能装置设计的几个关键问题 ,包括飞轮转子材料的选择、飞轮最佳转速的确定及工作空间的计算、轴承支承的选择、轴承承载力、刚度与结构参数的计算 ,电机的选择 ,以及能量转换控制方式的分析等 。

新型高效飞轮储能技术及其研究现状

飞轮储能系统具有高比能量、高比功率、高效率、长寿命等优点 ,被认为是未来理想的储能装置。在对飞轮储能系统的工作原理进行一般性分析的基础上 ,对飞轮储能的关键技术作了较为详细的分析论述 ,最后介绍了飞轮储能的研究现状与应用前景。

并网型飞轮储能系统金属转子结构优化设计

太阳能和风力发电具有间歇性,经常需要储能系统来平衡其对电网的影响。飞轮储能系统具有响应速度快和功率密度高等优势,可用来解决上述大规模可再生发电系统并网问题。储能密度是衡量飞轮储能系统性能的一项重要指标。该文提出一种在不改变储能总量、转速和转子直径的前提下,仅通过改变金属转子结构来降低转子质量,进而提高系统储能密度的方法。首先应用上述方法把等厚度金属转子设计成厚度沿转子半径而变化的变厚度结构,然后使用有限元分析软件ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization模块对得到的转子结构进行优化。仿真结果表明:结构优化后的转子与原转子相比,质量降低16.88%,系统储能密度提高20.40%。

基于自锁原理的磁悬浮飞轮电磁锁紧机构

为满足空间用磁悬浮飞轮在发射过程的性能需求,提出了一种基于机构自锁原理的可重复电磁锁紧机构。针对磁悬浮飞轮设计了质量为158 g的锁紧/解锁机构,尺寸为45 mm×49 mm×40 mm。给出了锁紧/解锁机构的组成和工作原理,建立了锁紧/解锁机构的数学模型。针对地面和空间两种环境,分析了机构在锁紧和解锁过程中锁紧力和解锁力的变化曲线,并根据某型卫星发射过程中的正弦振动、随机振动和冲击力学试验验证了锁紧机构。结果表明,该机构最大锁紧力为650 N,保持锁紧和解锁状态的力分别为133.8 N和-9.4 N,可有效实现锁紧和解锁功能,重力对锁紧机构的性能影响很小,从而为磁悬浮飞轮的空间应用奠定了技术基础。