轮储能系统转子动力学理论与试验研究.pdf

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1、第"B卷第(期振动工程学报IDG/"BOD/($&&$年"$月CDE6:FGDHI9J6FK9D:L:M9:NN69:MPNQ/$&&$飞轮储能系统转子动力学理论与试验研究!蒋书运"#$卫海岗"沈祖培""清华大学工程物理系北京#"&&&’()%$东南大学机械工程系南京#$"&&*+)%摘要对永磁,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&/012

2、3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4飞轮系统能顺利地实现在&5(’#&&&6789: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4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4<=""0/";>0"0/0工业大学用有限元方法对由滚动轴承支承的电动汽引言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?+@-然而#至目前电能的新型转换型式与存贮方式是当今

3、能源领为止#尚未有人对永磁,机械动压混合式储能飞轮系域的研究热点问题-随着相关技术的突破#飞轮储能统动力学从理论与试验两方面进行系统的研究-技术正以其电能转换效率高.充放电快捷.不受地理本文以永磁,机械动压轴承混合支承式飞轮储环境限制.不污染环境.单位质量储能密度大等突出能系统为背景#基于拉格朗日方法建立飞轮转子支优势而倍受国内外学术界关注#展现了以下诸多方承系统的运动微分方程#并寻求方程的解法;进一步面诱人的应用前景#如电力调峰;电动汽车的飞轮电结合正在研制的储能量为&/0123飞轮系统#进行池;风力.太阳能.潮汐.地热

4、等发电系统的不间断供动力学数值仿真;建立飞轮动力学试验装置#研制了电;低空轨道卫星电池;电磁炮.电化学炮和大功率油阻尼器#完成了飞轮转子动力学的试验研究-电焊机等等?"50@-飞轮储能的工作原理4通过电动7发电互逆式电"飞轮储能系统结构简介机#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#与不图"为正在研制的永磁,机械动压混合支承式同类型负载接口-按照支承方式的不同可将飞轮系储能飞轮系统结构示意图-统大致分成三类4永磁,机械轴承混合支承式.电磁飞轮上端支承采用自动对中永磁悬浮轴承#下悬

5、浮轴承支承式.超导磁悬浮轴承支承式-端支承采用低功耗动压螺旋槽轴承#永磁轴承可实飞轮储能系统正向着高速化.大功率方向发展(现不接触使摩擦最低#同时起到轴向卸载作用#减小%如国际上飞轮转速可达+A"&6789: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下支承负载#便于下端动压螺旋槽轴承形成全油膜#出-近年来#国际上对飞轮储能系统的转子动力学问以降低摩擦功耗;上.下支承处设有专门设计的油膜题进行了大量的研究#如美国的马里兰大学致力于阻尼器以控制转子振动;永磁同步电动7发电机转子电磁悬浮储能飞轮转子动力学研究#将控制

6、系统因与飞轮做成一体#结构简单.效率高.充放电同步快素引入动力学模型#建立了电磁悬浮飞轮系统动力捷;飞轮本体采用多层复合材料缠绕而成;转子轴承学运动微分方程式#采用实时仿真揭示动力响应与系统放置在真空腔里#以降低风损-转矩之间的耦合关系?(@;日本京都大学用试验方法研究高温超导磁悬浮飞轮动力学问题?B@;意大利的都灵!国家万方数据自然科学基金资助项目%编号4B&"RB&"0)收稿日期4$&&",&’,$+;修改稿收到日期4$&&$,&(,""第!/卷第-期振动工程学报TPR#!/YP#-"NN"年!"月OPQ;<9RPST

7、UV;9WUP%势能函数?从飞轮的强度设计出发$上%下端盖与飞轮本体及耗散函数@的数学表达式&之间大多采用薄壁联结&飞轮转子高速旋转时$由于3!4上阻尼器薄壁处角刚度相对较低$端盖与飞轮本体将发生弯!B"B">!A*!35!C7!4"曲振动$因此

8、将端盖与飞轮本体分开处理$端盖可视!""为一刚体$这样$转子系统就由三个刚体和上%下阻?!A+!35!C7!4"尼器组成&本文基于拉格朗日方法$推导出转子支承!B"B"系统的运动微分方程&@!A",!35!C7!4简化假设如下’3"4永磁轴承磁场(转子本体与上下端盖处于亚临界$近似看成!""?!"A+"