存在初始静偏心的储能飞轮转子动力学特性

以大功率储能飞轮转子系统为研究对象,探究电机转子存在初始静偏心时飞轮动力学特性的变化规律。首先使用能量法求出电机转子不平衡磁拉力(UMP)与转子偏心位移之间的关系,采用Timoshenko梁单元模型建立包含UMP的飞轮转子机电耦合动力学模型,计算分析电机转子初始偏心量和偏心方向对飞轮稳态和瞬态特性的影响,得出以下结论:随着偏心量的增大,上轴承处轴心轨迹出现嵌套圆环,频谱出现3种频率成分且幅值增大,升速响应曲线共振峰的峰值增大,对应转速减小;当偏心方向改变且旋转一周时,转频等成分的幅值、升速响应曲线共振峰值产生明显的周期规律变化。

复合材料储能飞轮转子多环配合下的应力分析

分析了复合材料飞轮转子多环配合结构下的应力状态:考虑飞轮转子多环装配后的静态初应力、装配后的静态位移、工作状态下多环过盈配合的应力、复合材料轮缘纤维缠绕对应力的影响,建立了正交各向异性材料轴对称的飞轮转子理论模型,计算了离心力、环间配合压力作用下转子各环的径向和环向应力分布。分析了过盈量与转子各环应力的关系,确立了过盈量的选取准则。结果表明:随着过盈量的增大,金属转轴和金属轮毂间的应力会先减小再增大,复合材料轮缘间的应力会相应增大。

基于改进变步长LMS算法的储能飞轮主动磁轴承-转子系统振动控制

针对储能飞轮主动磁轴承-转子系统的振动控制,在变步长最小均方差(LMS)算法的基础上采用一种改进的步长因子并对其可变参数和算法效果进行对比分析,改进算法在提高迭代收敛速度的同时还能保持一定的稳态误差。对基于有限铁木辛柯梁单元法建立的轴承-转子系统动力学模型的仿真结果表明,在转子的振动位移反馈信号进入控制器前,利用基于改进步长因子LMS算法的自适应滤波器可以有效识别并滤除与转子同频的信号分量,从而实现储能飞轮主动磁轴承-转子系统的不平衡振动控制。

高速飞轮与电机耦合动力学模型研究

基于替代映射方法分别建立主动磁轴承和永磁同步电机的非线性模型,并与飞轮转子动力学模块、PID控制器等组件结合,构造高速飞轮转子与电机耦合的非线性动力学系统模型。仿真结果表明,替代映射方法计算得到的永磁同步电机齿槽转矩数值与有限元模型结果之间误差较小,具有良好的精度,可正确描述其基频到多次倍频的振动特性。永磁同步电机转子偏心作用力随着转子振幅的增大而增强,会显著削弱主动磁轴承对飞轮转子的控制能力。基于前人“双弹簧”模型,结合永磁同步电机替代映射模型,建立包含主动磁轴承和永磁同步电机的“三弹簧”模型。仿真计算结果表明,永磁同步电机转子偏心作用力改变了飞轮转子的第二临界转速的频率和振幅,作用力较大和位置偏置会造成第二临界转速附近的运动失稳。

不同材料飞轮转子的储能特性对比及有限元分析

飞轮储能系统以其响应速度快和功率密度高等优点而受到业界广泛关注。为了分析不同材质的飞轮转子之间的差异,文中选取了钛合金、4340合金钢和环氧树脂-碳纤维复合材料作为研究对象。通过ANSYS Workbench有限元软件分析了飞轮所能承受的最高转速,并且对比了不同材质飞轮转子的储能密度和储能量;在相同的转速和尺寸下,分析了不同材质的飞轮旋转时的内部应力及形变的差异。分析数据表明:相同尺寸的飞轮转子,环氧树脂-碳纤维复合材料飞轮能承受的转速最高,储能密度最大,并且内部应力和形变最小;钛合金飞轮的储能量最大;4340合金钢飞轮虽然能达到较高的储能量,但其内部应力和形变量大,给飞轮运行安全性带来不利影响。实际应用中应根据不同材料飞轮的特点进行选择。

柴电混动舷外机飞轮转子一体化轴系试验及仿真

为了减小动力系统的体积,将电机的转子集成到发动机的飞轮上,可有效提高柴电混动舷外机的集成度,但会造成曲轴受力状态的变化。以某舷外机用柴电混动专用柴油机的飞轮转子一体化轴系为研究对象,基于曲轴单元建立有限元仿真模型,并通过曲轴应力试验结果对模型进行标定。对曲轴强度进行分析,得到爆发压力和转速对曲轴各特征点的载荷、应力和强度的影响规律,为提高柴电混动舷外机的曲轴可靠性提供理论参考和基础数据。

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。

高速永磁电机复合转子多尺度强度数值分析

传统高速永磁电机多采用块状永磁体结构,在高速旋转下极易导致烧结永磁体的破坏。为提高转子机械强度,提出一种新型复合转子结构,该结构使用磁粉胶膜/碳纤维复合磁性材料代替烧结永磁体,采用多尺度分析方法,对其性能进行研究。在细观尺度上,利用均匀化理论分析碳纤维单元的力学性能,再根据单胞结构理论分析磁粉胶膜单元的力学性能;在宏观尺度上,将各单元的性能作为多层复合磁性材料中各单层的有效性能,采用经典层合板理论计算复合磁性材料整体力学性能,并与拉伸试验对比,验证多尺度分析方法的正确性。最后,利用有限元软件对不同尺度转子模型进行强度数值模拟,研究不同尺度下模型的应力分布情况,研究结果证明了在细观尺度下的转子应力分析更加精确。

大容量复合材料飞轮转子仿真与应力分析

大容量功率型飞轮储能系统是电力系统优质调频资源,采用高强度、低密度的复合材料制造飞轮转子是提升飞轮储能量的主要方法。本工作以大尺寸的复合材料飞轮转子为对象,在弹性理论基础上,推导出各向异性材料转子轮缘在高速旋转下的应力分布公式,并基于应力叠加原理得到了复合材料轮缘与金属轮毂过盈配合下的应力分析公式,给出了解析解;然后建立了复合材料轮缘与金属轮毂过盈配合的有限元分析模型,对转子应力分布进行仿真分析,仿真结果与解析结果基本一致,验证了模型的合理性。最后针对过盈量对复合材料转子轮缘与金属轮毂接触面应力的影响,以及飞轮转子在给定转速下的变形对过盈量及接触面应力的影响进行了分析。

飞轮储能系统电机转子散热研究进展

电机是飞轮储能系统实现电能-动能转换的关键部件,其小体积、大功率的设计特点以及真空运行环境导致电机转子温升问题突出,常规的定子水套冷却已不能满足高功率密度电机转子的散热降温需求。本文首先阐述了飞轮储能电机转子发热的原因及危害,分析了转子涡流损耗、电机温度场的计算方法。回顾了飞轮电机转子被动冷却、主动冷却的研究进展,其中被动冷却包括热辐射与导热,主动冷却包括空心轴内通流冷却与热管冷却,并评估了各种方法的飞轮储能适用性。综合分析表明,强化电机定、转子内部绝缘材料导热以及增强热辐射可以一定程度上防止电机内部热量积聚,降低电机的温度梯度;热管易于安装、集成度高、传热性能优异,但其随轴的旋转传热缺乏验证;空心轴内流冷却技术成熟度高、设计制造简单、传热效果好,可作为高功率密度飞轮电机转子冷却的首选方案。针对MW飞轮储能电机转子散热难题,提出了中空轴内通流冷却的新方案。

飞轮电池转子系统建模及稳定性分析

以立式飞轮电池为研究对象,应用集中质量法将其离散化为弹性轴承-偏置转子模型,建立起具有陀螺效应、弹性轴承、内部阻尼和刚度以及PID控制下的八自由度转子-轴承系统的数学模型,采用拉格朗日法推导了转子-轴承系统涡动微分方程。根据微分方程计算特征方程的特征值,利用最大特征值法判断系统随角速度变化的稳定性。借助MATLAB通过时域波形图、相图、Poincare图、幅频特性图研究转子在不同角速度下的振动特性,进一步验证了最大特征值原理的正确性。

立式重载储能飞轮转子动力学特性分析

飞轮转子-轴承系统的动力学建模及动特性分析是立式重载储能飞轮系统的关键问题。针对重载储能飞轮转子具有重量大、转速高等特点,考虑了电机转子的质量和刚度,建立了飞轮转子-电机转子-轴承系统的集中质量动力学数学模型,计算得到飞轮转子-电机转子-轴承系统的固有频率、临界转速等动力学特性。通过对飞轮转子进行升速瞬态响应分析发现飞轮转子在升降速过程中存在两阶临界转速,容易发生共振,损害轴承。因此为了避免共振或者降低共振峰值,研究了轴承支撑刚度、阻尼以及升速速率对飞轮转子临界转速和共振峰值的影响,计算结果表明,飞轮转子的前两阶临界转速受支撑刚度的影响,随着支撑刚度的增大,飞轮转子的临界转速增大,当支撑刚度增加至一定程度,转子临界转速不再改变。转子临界转速受阻尼影响较小,随阻尼变化而小幅度改变。此外,研究了升速速率对转子振动特性的影响,发现通过提升转子升速速率亦可以有效降低转子振动幅值。为了验证飞轮转子轴承系统动力学模型的合理性,对飞轮转子系统进行升速试验,发现仿真计算结果与试验结果一致,证明了该模型的合理性。

储能飞轮用五自由度磁悬浮支承系统多物理场设计与优化

针对转子质量9 kg、转速100000 r/min的储能飞轮进行五自由度支承方案多物理场优化设计,包括电磁场、转子动力学、应力场和温度场的设计与仿真分析。通过电磁场仿真对比了同极性永磁偏置径向磁轴承(HOPRMB)与异极性永磁偏置径向磁轴承(HEPRMB)的铁损。为降低储能飞轮系统中磁轴承的损耗,选用HOPRMB来实现径向二自由度支承。采用永磁偏置轴向-径向磁轴承(PARMB)来实现三自由度支承,以缩小飞轮系统的轴向长度。给出了二自由度HOPRMB和三自由度PARMB的理论分析和参数设计优化过程,多物理场仿真结果表明,该磁悬浮轴承支承系统能够满足储能飞轮的设计需求。

飞轮储能转子强度和模态有限元分析

高速飞轮储能系统需要解决的关键问题之一是飞轮高速运行过程中飞轮转子的强度、振动等问题.为了对比金属飞轮和碳纤维飞轮在材料方面的影响,基于ANSYSWorkbench仿真平台,采用有限元方法对功率为75 kW、转速为28000 r/min的飞轮储能内嵌式永磁电机转子进行静强度分析;并对转子进行模态分析,分析转子的主要振型,绘制Campbell图,计算临界转速,结果表明:所设计的两种材料的飞轮储能系统转子满足强度要求,其工作转速在安全范围内,与金属飞轮转子相比,碳纤维飞轮转子强度安全系数和转速安全裕量高,为飞轮储能系统转子设计和安全运行提供了理论依据.

飞轮储能系统转子动力学理论与试验研究

对永磁 -机械动压轴承混合支承式飞轮储能系统的转子动力学问题进行研究。在推导出系统各部件的动能、势能和耗散函数的基础上 ,运用拉格朗日方法建立飞轮转子支承系统的运动微分方程 ,并用状态向量法求解。基于这一理论方法 ,对正在研制的储能量为 0 .3k Wh飞轮系统进行动力学数值仿真。建立了飞轮储能系统的试验装置 ,研制了用于上、下支承的新型油阻尼器 ,完成了飞轮转子动力学的试验研究。研究表明 :飞轮系统能顺利地实现在 0～ 4 8,0 0 0 r/ min工作转速范围内的稳定运转 。

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。

基于最优控制理论的储能飞轮转子形状优化设计研究

为克服飞轮转子形状优化时一般优化方法效率低的缺点,在分析角速度对转子形状影响的基础上,将转子角速度划分为低速、中速和高速三个阶段,采用最优控制理论,直接得到实心和空心飞轮转子的最优形状解析表达式。通过比较实心和空心转子低速、中速和高速情况下的最优形状,揭示飞轮转子最优形状随角速度变化的规律。研究结果表明,低角速度下,转子的最优形状沿半径方向'内薄外厚';高角速度下,'内厚外薄';中等角速度下,'两端厚中间薄'。低角速度情况下,实心和空心转子的最优形状相同;但中、高速情况下,实心转子的最优形状中包含等应力弧段,而空心转子的最优形状中不包含等应力弧段。由于实心转子的最优形状中包含有等应力弧段,实心转子的储能性能更优于空心转子。

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。

复合材料飞轮结构与储能密度

为提高飞轮的储能密度,需采用合适的转子材料和合理的转子结构。复合材料与各向同性材料相比具有明显优势。多层转子结构突破了单层转子内外半径比的限制,可明显改善转子内部的应力分布,提高飞轮的储能密度。该文论述了复合材料飞轮储能密度的影响因素,对复合材料转子的应力分布作了定量分析,比较了单层和多层转子的特点,综合考虑飞轮设计的各种因素,提出了飞轮转子结构参数的设计方法。

混合复合材料飞轮转子成本优化设计

基于平面应力理论,计算多层过盈装配混合纤维增强复合材料飞轮转子的应力分布;指出多层过盈装配复合材料转子多种可能的失效形式;结合增广Lagrange乘子法、粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法和经典梯度算法各自的优点,提出可求解非线性约束问题的且具有全局收敛性和较高计算效率的两阶段增广Lagrange粒子群优化算法(Two-stage augmented Lagrange particle swarm optimization,TS-ALPSO);利用TS-ALPSO优化算法,以多层过盈装配混合复合材料转子的分层半径、层间过盈量和转速为设计变量,研究多层混合复合材料转子的成本优化问题;并分析转子材料价格不变时,材料次序、分层数及过盈量对转子储能性能的影响;揭示出转子单位成本储能最大时,转子分层半径、层间过盈量及转速随转子材料价格变化的规律。