飞轮储能系统电磁轴承—转子动力学特性研究

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。本文以飞轮储能系统研发项目为背景，重点研究飞轮储能系统电磁轴承—转子系统动力学特性，为系统样机的研制提供参考，主要研究内容如下：
　　根据飞轮储能系统的设计要求确定了系统的支撑布局方案，建立了样机系统刚性转子的动力学模型与电磁轴承支承力模型，并分析了电磁轴承控制参数对支承刚度和阻尼的影响。在此基础上，研究了控制器参数对系统的涡动频率的影响，完成了电磁轴承支承特性研究，为飞轮储能系统转子动力学特性分析奠定了基础。
　　分析了飞轮储能系统电磁轴承—柔性转子动力学模型建立的逻辑结构，采用有限元法建立其柔性转子模型。基于该模型计算得到了系统自由振动的固有频率，前六阶振型图，并且分析了陀螺效应、轴承阻尼、轴向力和力矩对其自由振动特性的影响，验证了该动力学模型的正确性。针对飞轮储能转子在实际运行中可能遇到的很多外部激励，其中包括质量不平衡，基础激励，以及系统内阻尼等，基于该动力学模型，对这些外部激励激发的不平衡响应进行了预计分析，通过仿真分析得知下轴承处对质量不平衡的响应幅值偏大，上轴承处的响应幅值相对小，为转子动平衡提供参考依据。
　　研究了转子系统加速越过临界转速的动态特性，仿真表明通过控制电磁轴承的刚度和阻尼系数达到抑制振动的目的。通过分析电磁轴承—柔性转子系统前三阶临界转速分布与电磁轴承支承特性的关系，得出了磁轴承支承的转子临界转速变化范围，由此提出了基于转速的变参数PID控制策略，并给出了变参数规则。
　　针对轴承—转子系统的结构约束优化问题，通过对转子系统结构参数动态灵敏的计算，选取对第二阶临界转速比较敏感的轴承单元的长度，飞轮的高度和直径作为优化研究的设计变量，以第二阶临界转速为优化目标，并在保证系统的储能量的约束条件下，选用遗传算法和模拟退火法混合算法对转子系统结构进行优化，得到了具有更佳动态性能的结构参数，为样机的设计了提供参考。
　　建立了转子系统的虚拟样机模型，结合设计的PID控制器，对转子系统进行联合仿真，验证了变参数控制器的可行性，可以实现动态调整临界转速分布，从而达到了抑制系统振动的目的。

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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概况

1.3 相关技术的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 飞轮储能系统电磁轴承支承特性研究

2.1飞轮储能系统轴系布局设计的确定

2.2飞轮储能系统刚性转子动力学建模

2.3电磁轴承控制参数对转子涡动的影响分析

2.4本章小结

第3章 飞轮储能系统电磁轴承—柔性转子动力学模型分析

3.1飞轮储能系统电磁轴承—柔性转子动力学模型的逻辑结构

3.2飞轮储能系统电磁轴承—柔性转子有限元模型的建立

3.3转子系统自由振动的固有频率和结构振型分析

3.4本章小结

第4章 飞轮储能系统电磁轴承—转子的振动响应分析

4.1不平衡力激发的转子系统的振动响应分析

4.2内阻尼对转子系统振动特性的影响分析

4.3基础激励对转子系统振动的响应分析

4.4转子系统越过临界转速时的瞬态响应分析

4.5基于转速的变参数PID控制策略研究

4.6本章小结

第5章 飞轮储能系统转子结构优化设计

5.1系统结构动态灵敏度分析

5.2优化设计的数学模型

5.3基于遗传算法和模拟退火法混合算法的结构优化

5.4本章小结

第6章 飞轮储能系统电磁轴承—转子虚拟实验平台

6.1 虚拟样机技术总体功能和实现步骤

6.2 飞轮储能转子系统虚拟样机模型的构建

6.3 虚拟实验系统运行效果

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢