磁悬浮飞轮转子系统的运动特性研究与优化分析

摘要

目前，磁悬浮飞轮储能技术的研究日渐深入，转子的运动特性直接关乎系统的安全稳定运转，运动特性一直是飞轮转子系统的研究热点。本文针对600Wh飞轮转子系统，从理论出发，结合试验数据，重点研究了飞轮转子的临界转速及其在工作转速下的运动特性，并就此储能系统进行了优化。
　　首先依据飞轮转子的运动和支撑特性，将系统简化，建立出转子的整体动力学模型。根据飞轮转子高速运转过程中的涡动和陀螺效应理论分析了飞轮转子受到的不平衡力和陀螺力矩，根据支撑系统的工作原理推导出转子受到的电磁力，并得到系统的支撑刚度系数，综合以上受力情况完成了飞轮转子的动力学模型的建立。
　　以动力学模型为基础，利用传递矩阵法求解转子的临界转速。将轴系离散化，建立了轴系从单元到整体的传递矩阵，计算出飞轮转子的前三阶临界转速。并借助Workbench分析，验证上述理论分析的合理性。依据转子在各临界转速下的运动姿态，分析了飞轮转子在各临界转速下的运动。
　　之后基于旋转试验，对试验数据进行滤波处理，分析转子的运动特性。以示波器在连续时刻下记录的波形变化分析得到转子实际的临界转速分布区间，以此验证理论计算的正确性。基于稳定性分析理论，利用转子在5000rpm和7000rpm的试验数据，仿真得到转子的轴心轨迹、时域图和频域图，综合分析飞轮转子在稳定转速下的运动情况，得到在运动中不平衡和外界干扰是造成转子振动的主要原因，且分析出振动作用的频率范围。
　　最后从飞轮转子的储能和运动特性角度出发，利用Workbench仿真对飞轮转子进行优化。针对运动中存在的上小下大现象提出系统布局改进，以不同方案下的分析结果进行对比。针对现有方案的储能没有达到理论设计提出飞轮结构优化，以最优化控制理论为基础，以飞轮的应力和质量较小，转动惯量较大为目标得到较满意的优化结果。为后续研究设计奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题的背景和意义

1．2飞轮储能技术的国内外研究概况

1．2．1国外研究概况

1．2．2国内研究概况

1．3相关技术研究现状

1．3．1临界转速求解研究概况

1．3．2稳定性及运动分析研究概况

1．4本文的研究内容

第2章飞轮转子的动力学模型

2．1飞轮转子的结构

2．2飞轮转子的运动

2．2．1转子的涡动

2．2．2转子的陀螺效应

2．3电磁轴承相关参数

2．3．1电磁力计算

2．3．2 等效刚度、阻尼系数

2．4飞轮转子系统的动力学建模

2．5本章小结

第3章飞轮转子临界转速计算

3．1传递矩阵法

3．1．1传递矩阵法的思想

3．1．2经典单元的传递矩阵

3．2临界转速的计算与分析

3．2．1飞轮转子离散化及其相关参数

3．2．2计算结果

3．3结果对比与分析

3．4本章小结

第4章飞轮转子的试验与运动分析

4．1飞轮转子的旋转试验

4．2基于旋转试验的临界转速的辨别

4．3飞轮转子在稳定转速的运动分析

4．3．1转子的稳定性理论及分析方法

4．3．2转速为5000rpm的运动分析

4．3．3转速为7000rpm的运动分析

4．3．4分析结论

4．4本章小结

第5章飞轮转子的优化设计

5．1现有方案

5．2储能飞轮的优化

5．2．1优化的数学基础

5．2．2优化设计及分析

5．3系统布局优化

5．3．1方案介绍

5．3．2仿真分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢