基于储能密度的飞轮电池转子系统振动分析与结构优化

摘要

飞轮电池作为一种污染小、使用寿命长、能量转换效率高的新兴物理电池，近年来受到各行业的广泛关注。目前，飞轮电池在航空航天、交通运输、能量制动回收、电网系统调峰中已有初步研究和应用。同时，飞轮电池储能密度低，价格较昂贵的缺点使其在与其它类型电池的竞争中失去了优势，限制了飞轮电池的广泛应用。本文以提高飞轮电池最大储能密度为目标，对飞轮电池磁悬浮转子系统的振动特性进行研究。主要研究内容和成果如下：　　将飞轮电池竖直放置，利用整体法与隔离法建立了飞轮电池磁悬浮转子系统八自由度力学模型。在定子基础振动、不平衡力作用的基础上，利用能量法和拉格朗日方程推导出飞轮电池转子系统的微分方程。其中，基于PD控制推导出电磁力与激扰力的表达式，拟合地铁轨道的高低不平顺固有特征作为定子激励。　　采用多尺度法对飞轮电池磁悬浮转子系统微分方程进行化简，得到系统的频响方程和平均方程。使用MATLAB求解上述方程，通过分岔响应曲线分析了特定转速下的系统稳定性。通过波形图和相图分析了特定转速下系统的混沌特征。分析结果表明，系统的混沌运动局部不稳定，整体稳定性特征明显。　　采用四阶龙格库塔法，对转子系统的微分方程直接进行求解。通过庞加莱截面图和PSP图研究了不同不平衡量下，飞轮电池磁悬浮转子系统的动力学行为。研究表明，随着不平衡量的增大，系统的稳定转速区间会逐渐变小。利用傅立叶变换得到飞轮电池磁悬浮转子的功率谱密度进行频域分析。结果表明，共振峰频率只与转子转速相关，共振峰峰值与不平衡量大小和转子转速皆相关。　　在CATIA软件中对飞轮电池转子部分进行建模。在Workbench软件中对飞轮电池转子系统进行模态分析得到转子系统的固有频率和临界转速。通过谐响应分析得到磁轴承轴套、转子表面的频率响应曲线。使用响应曲面优化分析改进转子外环和轮毂结构后，飞轮电池转子系统的最大储能密度显著提高。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 引 言（Foreword）

1.2 飞轮电池简介（Flywheel battery introduction）

1.3 国内外研究现状（Research status at home and abroad）

1.4 主要研究内容和创新点（Main research contents and innovation）

2 飞轮电池转子系统建模

2.1飞轮电池结构（Flywheel battery structure）

2.2电磁力模型（Electromagnetic force model）

2.3定子激励模型（Stator excitation model）

2.4飞轮电池转子系统模型（Flywheel battery rotor system model）

2.5系统参数（System parameters）

2.6本章小结（Summary）

3 摄动分析

3.1多尺度法简介（Introduction of multiple-scale method）

3.2微分方程化简（Differential equation simplification）

3.3局部分岔分析（Local bifurcation analysis）

3.4混沌运动与数值模拟（Chaotic Motion and Numerical Simulation）

3.5本章小结（Summary）

4 非线性振动分析

4.1数值分析方法（Numerical analysis method）

4.2振动响应分析（Vibration response analysis）

4.3非线性动力学分析（Nonlinear dynamic analysis）

4.4本章小结（Summary）

5 有限元仿真

5.1有限元分析简介（Introduction of finite element analysis）

5.2三维模型搭建（Building of three-dimensional model）

5.3模态分析（Modal analysis）

5.4谐响应分析（Harmonic response analysis）

5.5结构优化设计(Structural optimization design)

5.6本章小结（Summary）

6 总结及展望

6.1论文主要研究工作总结（Summary of the main research work of the thesis）

6.2 今后研究工作展望（Prospects for future research）

参考文献

作者简历

致谢

学位论文数据集