磁悬浮飞轮轴系转子动力学特性分析

摘要

飞轮储能作为一种新型的储能方式，具备储能密度大、能量损耗低、使用周期长和环境污染小等众多优点，时至今日已展现出广阔的应用前景。本文以600Wh飞轮储能系统研发项目为背景，重点研究磁悬浮飞轮轴系转子的动力学特性，主要包括飞轮轴系转子的临界转速以及在工作转速下的稳态不平衡响应。转子动力学特性的好坏会直接影响飞轮轴系转子的回转精度及稳定性。对飞轮轴系转子的动力学特性进行分析的目的是为飞轮储能系统后续的电磁轴承控制以及转子轴系设计奠定基础。
　　本文首先引述和概括了传统转子动力学的研究方法及有关理论，以此作为飞轮轴系转子动力学特性的研究基础。对磁悬浮飞轮轴系转子进行数学建模，并用传递矩阵法结合电磁轴承的有关特点，建立了磁悬浮飞轮轴系转子临界转速的计算和分析方法。对上下径向电磁轴承设定不同的刚度值，并分三种情形分析支撑刚度变化对飞轮轴系转子临界转速的影响，得到飞轮轴系转子的临界转速随电磁轴承支撑刚度变化的关系。
　　利用ANSYS WORKBENCH对磁悬浮飞轮轴系转子进行模态分析，并与传递矩阵分析方法互相验证，检验计算临界转速的准确性。在弹性支承转子的有限元模型中，对弹簧单元Body-Ground进行不同的赋值，可求得任意刚度条件下飞轮轴系转子的临界转速。在工程应用中，当飞轮轴系转子在不同的工作转速下运行时，可以通过调整电磁轴承的支承刚度，使飞轮轴系转子的各阶临界转速远离其工作转速，避免产生共振。
　　针对飞轮轴系转子在实际运行中可能遇到的激励，如质量不平衡，基础激励等。对反映不平衡量信息的特征信号进行采样，并进行数据信号处理，利用时域分析和频域分析方法进行深入研究，得知上、下径向电磁轴承处对质量不平衡的响应的变化规律，为转子动平衡提供参考。

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第1章 绪 论

1.1 选题的背景和意义

1.2 飞轮储能国内外研究现状

1.3 转子动力学的研究现状

1.4 论文研究的主要内容

第2章 飞轮储能系统电磁轴承支撑—转子动力学模型

2.1 飞轮储能系统的结构简介

2.2 飞轮轴系转子动力学建模

2.3 弹性支撑的飞轮轴系转子传递矩阵法

2.4 弹性支撑的飞轮轴系转子固有频率的计算

2.5本章小结

第3章 磁悬浮飞轮轴系转子动力学特性的有限元分析

3.1 模态分析简介

3.2 飞轮轴系转子的模态分析

3.3 机座模态分析

3.4 飞轮轴系转子与机座模态频率的对比分析

3.5 本章小结

第4章 磁悬浮飞轮轴系转子的稳态不平衡响应分析

4.1飞轮轴系转子稳态不平衡响应分析

4.2 基础激励激发的飞轮轴系转子的振动响应分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

致谢