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1、Ξ飞轮储能系统转子动力学理论与试验研究蒋书运1,2卫海岗1沈祖培1(1清华大学工程物理系北京,100084)(2东南大学机械工程系南京,210096)摘要对永磁2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0.3kWh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
2、顺利地实现在0～48,000rƒmin工作转速范围内的稳定运转,且动力学理论仿真与试验结果一致性较好。关键词:飞轮;转子动力学;储能系统;拉格朗日方法;油阻尼器中图分类号:TH113.1;O313.3转矩之间的耦合关系4;日本京都大学用试验方法研5究高温超导磁悬浮飞轮动力学问题;意大利的都灵工业大学用有限元方法对由滚动轴承支承的电动汽车飞轮进行动力学建模,并采用非线性转子动力学模块,动态分析与优选轴承的支承参数6。然而,至目前为止,尚未有人对永磁2机械动压混合式储能飞轮系统动力学从理论与试验两方面进行系统的研究。本文以永磁2机械动压轴
3、承混合支承式飞轮储能系统为背景,基于拉格朗日方法建立飞轮转子支承系统的运动微分方程,并寻求方程的解法;进一步结合正在研制的储能量为0.3kWh飞轮系统,进行动力学数值仿真;建立飞轮动力学试验装置,研制了油阻尼器,完成了飞轮转子动力学的试验研究。引言电能的新型转换型式与存贮方式是当今能源领域的研究热点问题。随着相关技术的突破,飞轮储能技术正以其电能转换效率高、充放电快捷、不受地理环境限制、不污染环境、单位质量储能密度大等突出优势而倍受国内外学术界关注,展现了以下诸多方面诱人的应用前景,如电力调峰;电动汽车的飞轮电池;风力、太阳能、潮汐、
4、地热等发电系统的不间断供电;低空轨道卫星电池;电磁炮、电化学炮和大功率电焊机等等1～3。飞轮储能的工作原理:通过电动ƒ发电互逆式电机,实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间相互转换,并经过调频、整流、恒压等电力变换技术,与不同类型负载接口。按照支承方式的不同可将飞轮系统大致分成三类:永磁2机械轴承混合支承式、电磁悬浮轴承支承式、超导磁悬浮轴承支承式。飞轮储能系统正向着高速化、大功率方向发展(如国际上飞轮转速可达6×104rƒmin以上),因此超高速飞轮系统的运行稳定性问题变得越来越突出。近年来,国际上对飞轮储能系统的转子动力学问题进行了
5、大量的研究,如美国的马里兰大学致力于电磁悬浮储能飞轮转子动力学研究,将控制系统因素引入动力学模型,建立了电磁悬浮飞轮系统动力学运动微分方程式,采用实时仿真揭示动力响应与1飞轮储能系统结构简介图1为正在研制的永磁2机械动压混合支承式储能飞轮系统结构示意图。飞轮上端支承采用自动对中永磁悬浮轴承,下端支承采用低功耗动压螺旋槽轴承,永磁轴承可实现不接触使摩擦最低,同时起到轴向卸载作用,减小下支承负载,便于下端动压螺旋槽轴承形成全油膜,以降低摩擦功耗;上、下支承处设有专门设计的油膜阻尼器以控制转子振动;永磁同步电动ƒ发电机转子与飞轮做成一体,结
6、构简单、效率高、充放电同步快捷;飞轮本体采用多层复合材料缠绕而成;转子轴承Ξ国家自然科学基金资助项目(编号:50175013)收稿日期:2001208226;修改稿收到日期:2002204211第4期蒋书运等:飞轮储能系统转子动力学理论与试验研究405系统放置在真空腔里,以降低风损。和阻尼系数,Jp为转动惯量,J对质心),xi,yi为轴线坐标。为赤道转动惯量(相图1飞轮储能系统结构示意图图2飞轮转子支承系统动力学简化模型2.2动力学方程的建立2飞轮储能系统转子动力学建模基于Lagrange方法,建立系统动力学方程,首先分别写出系统各部
7、件的动能函数T、势能函数U及耗散函数Z的数学表达式。(1)上阻尼器2.1模型简化从飞轮的强度设计出发,上、下端盖与飞轮本体之间大多采用薄壁联结。飞轮转子高速旋转时,由于薄壁处角刚度相对较低,端盖与飞轮本体将发生弯曲振动,因此将端盖与飞轮本体分开处理,端盖可视为一刚体,这样,转子系统就由三个刚体和上、下阻尼器组成。本文基于拉格朗日方法,推导出转子支承系统的运动微分方程。简化假设如下:·转子本体与上下端盖处于亚临界,近似看成刚体;·端盖薄壁连接处剪切刚度较大,因此仅考虑弯曲刚度;·上、下阻尼件只能水平横向移动;·振动为微幅的横向振动;·下
8、端弹性小轴视为弹性元件,质量可以忽略;·轴承的油膜刚度比小轴的横向线刚度大得多,因此认为油膜刚度为无限大,只考虑小轴的横向线刚度。这样简化后的动力学模型如图2所示。图2中m1为上阻尼器阻尼件的等效质量,k1为上阻尼器悬吊
