磁悬浮储能飞轮转子系统的临界转速分析

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）磁悬浮储能飞轮转子系统的临界转速分析硕士研究生：周元伟指导教师：任正义教授企业导师：刘颖明高级工程师工程领域：机械工程论文主审人：滕万庆教授哈尔滨工程大学2018年5月分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）磁悬浮储能飞轮转子系统的临界转速分析硕士研究生：周元伟指导教师：任正义教授学位级别：工程硕士工程领域：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年5月论文答辩日期：2018年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationforthe

2、ProfessionalDegreeofMaster（MasterofEngineering）CriticalSpeedAnalysisofMagneticSuspensionEnergyStorageFlywheelRotorSystemCandidate:ZhouYuanweiSupervisor:Prof.RenZhengyiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringEngineeringField:MechanicalEngineeringDateofSubmission:May，2018DateofOralExami

3、nation:June，2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻

4、读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日磁悬浮储能飞轮转子系统的临界转速分析摘要飞轮储能

5、是一种比较新颖的储能方式，因具备能源损耗少、能量转换效率高、清洁环保、可利用周期长、维护方便等优点，其表现出广阔的应用前景。本文以储能量为600wh、额定工作转速为5000~15000rpm的电磁支承下的飞轮储能系统为研究对象，为了获得更稳定的转速和更可靠的设计，针对此飞轮转子系统的临界转速做了分析研究。根据电磁轴承工作原理，通过电磁力计算推导了支承刚度和支承阻尼的数学表达式，分析了控制参数对阻尼和刚度的影响，了解飞轮转子系统支承特性后，利用拉格朗日法建立飞轮转子系统简化模型的四自由度动力学微分方程。Riccati传递矩阵、SAMCEFRotor有限元、求解刚性转子动力学

6、方程三种方法计算飞轮转子系统的临界转速，并对计算结果比对以达到相互验证和精确计算的目的，三者都能满足工作转速要求。通过理论推导、有限元仿真结合的方法分析了影响临界转速的多种因素，其中包括陀螺力矩、电磁轴承支承刚度和等效阻尼、电机加速度等。通过飞轮储能系统升降速实验所采集的实验数据绘制时域图、频域图、轴心轨迹图。频域图中可以明显看到转子不平衡响应和转速同频，时域图看到转子在临界转速下振幅较大，轴心轨迹图显示转子振动区间没有超过0.3mm的气隙值，满足实验要求。通过实验数据、理论方法、有限元求解结合来分析转子系统在临界转速和工作转速下的稳定性，证明转子具有足够的稳定性要求。实

7、验中，飞轮转子极限转速为9300rpm，在第二阶临界转速20%共振范围内，基于临界转速对柱式和盘式转子进行分析得到初步结论：针对工作转速较低，储能量不高的飞轮转子可设计成柱式结构，在满足储能量要求基础上，可确保其稳定性，并且减轻了电磁轴承的设计难度。对工作转速较高，储能量大的飞轮转子可设计成盘式结构，其工作转速应在一阶和二阶临界转速之间，并避开临界转速20%的共振，为确保其稳定性，电磁轴承设计中需要考虑陀螺效应的影响。关键词：飞轮转子系统；临界转速；SAMCEFRotor；稳定性磁悬浮储能飞轮转子系统的临界转速分析ABSTRA