磁悬浮飞轮

摘要： 首先以径向磁悬浮Jeffcott转子动力学模型为指导,结合有限元分析结论中Jeffoctt转子自身结构特性及其磁悬浮轴承径向支撑结构及支撑特性对飞轮弯临界转速及模态的影响,根据微网对磁悬浮储能飞轮电池的要求,以3.75 kW?h作为单个飞轮电池的储能量为限制条件,优化了飞轮的体积、综合能量密度和质量,设计了一种新型磁悬浮飞轮。其弯曲临界转速高于其极限转速,工作时保持在刚性模态。此设计使得整个飞轮电池具有紧凑的驱动系统和支撑系统,从而实现更小的系统重量和体积以及更小的系统功耗。该设计方案在限定的范围内极大程度缩短了飞轮的轴向长度,使得其弯曲临界转速和运行安全性及稳定性得以大幅度提升。在SAMCEF ROTOR有限元软件中建立转子结构模型,通过仿真分析其弯曲临界转速和振动模态以验证结构设计的合理性。为后续此种飞轮转子的设计提供了一定的参考和借鉴,同时也为磁悬浮飞轮支撑系统的设计提供了一种新思路。

摘要： 针对磁悬浮飞轮储能系统的位移检测信号,易受工频干扰、影响控制精度的问题,提出一种变步长LMS算法进行滤波处理和扰动消除.首先探讨步长所包含参数与算法收敛性、稳定性的关系和取值范围,并在不同标准差的噪声环境下,与传统定步长LMS算法和基于正弦补偿改进的LMS算法进行仿真对比,研究结果表明变步长LMS算法收敛速度和稳定性更好.并在模拟飞轮平台上进行了应用,对其他频率成分的信号影响更小,可达到实时消除工频干扰的效果.

摘要： 针对测速传感器故障情况下磁悬浮飞轮不平衡振动抑制所需的高精度的转速信息的提取,提出了一种通过预先提取转子位移信号和转速信号构建BP神经网络模型,从而通过位移信号实时估计转速的方法;通过MATLAB/Simulink构建了磁悬浮飞轮系统模型,以仿真得到的位移和转速数据训练出一个神经网络模块,以此实时估计转速,得到恒速和变速两种情形下的转速估计结果,并与测速传感器获得的转速进行比较.仿真和实验结果证明,该转速估计方法在恒速和变速时均估计效果良好,实验估计误差不超过20 r/min.

摘要： 为增加磁悬浮飞轮旋转速度,提高储能密度,需研究其本体结构及电磁作用机理.通过分析一种五自由度主动磁悬浮飞轮结构,建立对称两自由度电磁力公式,并基于泰勒级数展开原理分析电磁力线性化可能性.最后,通过仿真分析电磁力公式及实际磁悬浮飞轮位移与控制电流对应关系,验证线性化的合理性,为后续磁悬浮飞轮储能关键技术研究提供理论依据.

摘要： A kind of field dynamic balancing method under force free control is proposed aiming at the unbalance of high-speed magnetic suspended flywheel system.It turns out that the low-speed field balancing in the air environment can replace the high-speed field balancing in the vacuum environment with highefficiency and high-accuracy.By analyzing the unbalance model of the magnetic suspended rotor system and comparing the correction-masses under different unbalance control mode,it is found that under the free control mode,the synchronous component of control current is zero and the electromagnetic force is a linear function of the rotor displacement within linearization range.Therefore,the correction-masses can be calculated from the synchronous displacement response of the rotor in force free mode.The force free controller of magnetic bearing is designed to make the rotor spinning around its principal axis of inertial,and synchronous displacement response of the rotor is extracted to compute the correction-masses.As there exists some deviation between the theoretical and actual value of the system parameters,a trial weight is completed to correct the convention coefficient matrix.The experimental results show that the conversion coefficient matrix can be re-calibrated after a start-up test.And after the second balancing,the high-accuracy field balancing can be achieved.The orbits of rotor shaft centerline reduce significantly and the synchronous displacement response of the rotor decrease by 77.29％ and 94.14％ respectively.The rotor operating condition with 500Hz rotation speed in vacuum environment is in close proximity to low-speed condition,and it further validates the proposed method.%针对高速磁悬浮飞轮转子的不平衡问题,提出了一种在力自由不平衡控制下的在线动平衡方法,用空气环境下低转速的在线动平衡替代真空环境下的高转速在线动平衡,以实现兼顾高效率和高精度的在线动平衡.通过分析磁悬浮转子系统的不平衡模型和比较各不平衡控制模式下校正质量的求解方法,得出在力自由控制模式下,磁轴承的同频控制电流为零,电磁力在线性化范围内仅是转子位移的线性函数.因此根据转子的同频位移响应可解算动平衡校正质量.通过所设计的磁轴承力自由不平衡控制器使转子绕其惯性主轴旋转,获得了转子同频位移响应.由于系统参数的理论值与实际值存在一定误差,通过一次试重对转换系数矩阵进行了校正.实验结果表明,通过一次试重校正转换系数矩阵,再经过两次试转后即可实现高精度动平衡.另外,转子轴心轨迹显著减小、转子两端同频位移响应分别下降了77.29％和94.14％;在真空环境下,试验转子升速至500 Hz时,转子的运行状况与低速状态一致,进一步验证了本文提出方法的有效性.

摘要： To remedy the limitations of the magnetic resistance type magnetic bearing with negative deflection torque and Lorentz magnetic bearing with poor gas flux density uniformity,a novel vernier gimballing magnetically suspended flywheel is presented.And its composition,operating principle and scheme of the Lorentz magnetic bearing are introduced.The equivalent magnetic circuit method is applied to the magnetic analysis of the Lorentz magnetic bearing,and its mechanics models of the radial deflection torque and translational levitation force is got.By comparatively analyzing the magnetic density with the electromagnetic numerical analysis method,the sphere trapezoid permanent magnet is adopted.Upon this,by combining the technical index of the vernier gimballing magnetically suspended flywheel with an angular moment of 15 Nms,the Lorentz magnetic bearing is designed in detail.According to design results,the vernier gimballing magnetically suspended flywheel is manufactured,and the air gap magnetic density is dynamically measured by the linear magnetic density hall sensors.The results have a good agreement with the design values,which has important significance in the design of flywheel system.%针对微框架磁悬浮飞轮用磁阻力磁轴承存在偏转负力矩和洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性较差的缺点,提出了一种基于球形转子的微框架磁悬浮飞轮,介绍了其结构、工作原理和洛伦兹力磁轴承方案.采用等效磁路法建立了洛伦兹力磁轴承磁路数学模型,得到了其径向偏转力矩和轴向平动悬浮力.利用电磁场数值分析法,对三种洛伦兹力磁轴承方案的磁密和磁通进行比较分析,得到了最优的球面梯形磁钢方案.在此基础上,结合15Nms微框架磁悬浮飞轮技术指标,对磁轴承进行了详细实例设计.根据设计结果研制了一台微框架磁悬浮飞轮,并利用线性磁密霍尔对磁轴承气隙磁密进行动态测试.测试结果与优化结果一致,对微框架磁悬浮飞轮系统整体设计具有重要意义.

摘要： Under the condition of high-precision rotor speed signal extraction problem in magnetic suspension flywheel active vibration suppression without a speed sensor,firstly,an improved Hilbert transform rotor speed estimation method is put forward,and through this method,the rotor speed of high precision can be got with only one kind of radial rotor displacement signals;then this rotor speed signal is introduced into the simulation model of the magnetic suspension flywheel unbalanced vibration suppression,and this speed estimation method is analyzed in this simulation system;finally the rotor speed estimation method based on the improved Hilbert transform has been verified on the magnetic suspension flywheel prototype.Simulation and experimental results show that this method has good adaptability in both cases of variable and constant rotor speed,and after introducing speed estimate signal,the unbalanced vibration has attenuated by 80％ or more within the working rotor speed scope of the magnetic suspension flywheel.%针对无测速传感器条件下磁悬浮飞轮主动振动抑制所需的转速信号的高精度提取问题,首先提出了一种改进Hilbert变换转速估计方法,实现了仅通过一路转子径向位移信号获得高精度的转子转速信号;将所估计的转速信号引入磁悬浮飞轮不平衡振动控制仿真模型中,对所提出的转速估计方法进行了仿真分析;在磁悬浮飞轮样机上进行了所提出的改进Hilbert变换转子转速估计方法的验证,并对引入估计转速信号前后磁悬浮飞轮的振动信号进行了对比分析.仿真和实验结果表明,此方法在磁悬浮飞轮处于变速和恒速两种情况下都具有良好的适应性,在磁悬浮飞轮的工作转速范围内引入转速估计信号后同频不平衡振动衰减达到80％以上.

摘要： 针对五自由度永磁偏置磁轴承飞轮，分析其结构参数及控制原理，设计了磁飞轮通用型电控系统。介绍了以FPGA为核心的控制系统构成，并阐述了控制器的设计策略，针对飞轮数据处理设计了一种通用型矩阵运算器。最终完成静态悬浮及低速旋转实验。%According to the five degree of freedom of permanent manget biased magnetic bearing flywheel, we ana-lyzed the structure and control principle of it. A general electric control system of magnetic flywheel was designed. In this paper a composition of control system with FPGA as the core was introduced. And the design strategies of the con-troller was expounded. In the view of the data processing for flywheel, a general matrix computation was designed. Final-ly the static levitation and low-speed rotation experiment were completed.

摘要： 针对磁悬浮飞轮抱式锁紧机构用一体式碳纤维弹片,提出了一种新型优化方法.通过将碳纤维弹片等效为悬臂梁模型,对其进行静力学和动力学分析,得到其最大过盈摩擦力、锁紧力、解锁力、最大弯曲应力和一阶共振频率.基于有限元法,对弹片进行灵敏度分析,得到弹片上端和下端两组互不相关的结构参数,并分别对两组结构参数进行优化设计.优化结果表明,当弹片个数为12时,质量达到最小60.5g,比最初170 g减少了64％.根据优化结果研制了一套锁紧机构,利用三轴正弦扫频振动和随机振动试验,检验锁紧机构对磁悬浮飞轮系统的保护效果.结果显示,振动试验中定、转子间最大相对振动位移为50μm,远小于磁悬浮飞轮保护间隙200 μm,表明锁紧机构能够对飞轮系统实施有效保护.

摘要： 本文使用基于模型设计技术开展了磁悬浮飞轮控制系统的仿真研究.在磁悬浮飞轮控制系统数学模型的基础上,搭建了全数字的Simulink仿真模型,之后控制对象模型运行在主机上,控制器模型在自动代码生成后运行在目标硬件上,使用RTDX通道进行主机和目标机的数据交换,实现了TMS320F2812DSP处理器硬件在回路的磁悬浮飞轮闭环控制系统仿真.

摘要： 磁悬浮飞轮工作转速的变化会导致整星角动量的变化,对卫星姿态控制产生影响.在建立磁悬浮飞轮转子和卫星姿态动力学方程的基础上,采用广义根轨迹法对在轨条件下磁悬浮飞轮转速变化对卫星姿态控制回路稳定性的影响进行了仿真分析.磁悬浮飞轮转速的变化会导致卫星姿态控制回路特征根的改变,但是通过合理选择控制参数,可保证整星姿态控制回路在磁悬浮飞轮额定转速(5000r/min)范围内的稳定.

摘要： 为了方便磁悬浮飞轮的章动和进动模态的稳定性分析,克服现有多变量系统稳定性分析方法的不足,本文提出了一种基于扩展Nyquist稳定判据的磁悬浮飞轮稳定性分析方法.通过变量重构,实系数双输入双输出系统转化为复系数的单输入单输出系统,证明了变量重构前后系统稳定的等价性,建立了变量重构后系统的闭环特征根分布与章动和进动之间的映射关系.在此基础上,利用幅角原理扩展Nyquist稳定判据,引入正负频率特性曲线和分割曲线的概念,从而得到了基于扩展Nyquist稳定判据的磁悬浮飞轮涡动模态的稳定性分析方法.仿真和实验结果证明了本文方法的正确性和优越性.

摘要： 磁悬浮飞轮在放电的过程中由于飞轮转子转速的变化导致输出电压的幅值和频率改变,不能直接供负载使用.本文设计了一种磁悬浮飞轮系统电能转换电路,基于Simulink对此电能转换电路进行了仿真分析,并且对其硬件电路进行了设计,实验表明此电能转换电路能输出稳定的直流电,证明了此设计的有效性.此研究为磁悬浮飞轮电能转换研究的发展奠定了基础.

摘要： 本文研究了DPS分布式锂电电源系统的工作原理及其优劣，搭建了DPS结合磁悬浮飞轮设备的应用模型，并着重从建设投资、经济社会效益、节能减排效益等角度对组合系统的应用进行了分析。最后指出，DPS设备结合飞轮设备应用在理论上可行，在投资成本及经济和社会效益方面的优势也比较明显，但在技术层面还存在很多问题，需要进一步研究。

摘要： 从系统整体性能及其控制器设计的角度，对磁悬浮飞轮转子系统提出了许多诸如极转动惯量、赤道转动惯量及其比值、转子系统质心位置等技术指标。为满足这些要求，需要从整体角度对磁轴承组件、电机组件、飞轮本体和转速测量元件等复杂转子组件进行设计与装配。充分利用catia的参数化技术，从总体角度对飞轮本体的结构设计、主要组件的装配进行优化，得出了整机的结构优化配置方案。

摘要： 航天领域中,磁悬浮飞轮作为一种新型的空间飞行器姿态控制执行结构,于是对其驱动电机提出了新的要求.本文针对永磁偏置混合型磁悬浮飞轮系统提出了一种外转子的稀土永磁电机形式,并对该电机气隙磁场进行了设计验算,最后根据设计制作了电机实物,实验证明了该电机能有效地驱动飞轮系统.

摘要： 在储能、航天领域中应用磁悬浮飞轮时，需要有效降低系统功耗。低功耗控制方法适于解决这一问题。其基本思想是，在设计磁轴承控制器时，将控制力的设计与实际电磁力的生成分为两个部分，使用线性控制理论设计控制力，然后使用非线性方法构建控制电流生成实际的电磁力，从而可以大幅减小电磁铁线圈中的偏置电流，降低轴承的功率损耗。仿真与实验均表明，此方法可在高转速下稳定系统，降低系统功耗。该研究对磁悬浮飞轮的应用具有重要意义。

摘要： 磁悬浮飞轮是采用磁轴承支承的高精度卫星姿态执行机构,具有长寿命、低摩擦、低扰动的优点,因而可以广泛地应用在具有长寿命、高精度要求的卫星上.本文在综述磁悬浮飞轮应用情况的基础上,着重论述了五轴主动控制磁悬浮飞轮原理样机的研制情况及设计方法,并初步研制出了五轴控制的磁悬浮飞轮原理样机,从而为工程样机研制打下了良好的基础.

摘要： 高温超导磁悬浮,能实现无源的自稳悬浮,具有广泛的应用前景.特别是在磁悬浮飞轮、超导陀螺等应用中,但其在特定干扰频率下的失超问题还没有很好地解决.本研究针对实际应用中存在超导悬浮系统在特定的干扰频率下可能产生失超的问题,研究系统在不同的振动扰动频率下的振动属性,分析高温超导悬浮系统振动属性对系统悬浮稳定性的影响,研究提高超导磁悬浮的抗干扰能力的方法.

摘要： 本发明公开了一种用磁悬浮储能飞轮作动力的永磁悬浮列车，它包括路轨、车体、储能飞轮、控制系统、停车站，路轨和车体上分别装有钕铁硼稀土永磁体材料制造的主悬浮磁体、辅助悬浮磁体和导向悬浮磁体；车体上还装设有储能飞轮，该储能飞轮可将电能变为机械能进行储存，并且变机械能为电能，以提供列车运行及真空机组等工作时所需的电能；该储能飞轮采用磁悬浮轴承支撑，储能飞轮的壳体通过真空阀门与真空机组相连；车体和路轨上还分别装有直线永磁电机的线圈和电机的磁体定子。本发明传动系统结构简单，易于制造和维护，且节省能源，使列车运行更加稳定，振动小、噪声低，穿越居民区也不会影响人们的正常生活。

摘要： 一种采用悬浮/储能一体化飞轮的磁悬浮飞轮储能装置，包括外壳，分别位于外壳底部和顶部的永磁型径向磁悬浮轴承A定子、永磁型径向磁悬浮轴承B定子，安装在外壳内壁上的电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子和电动/发电机定子，以及自上而下设置在主轴上的永磁型径向磁悬浮轴承B转子、电动/发电机转子、悬浮/储能一体化飞轮A、悬浮/储能一体化飞轮B和永磁型径向磁悬浮轴承A转子；悬浮/储能一体化飞轮B位于永磁型径向磁悬浮轴承A定子和电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子之间，悬浮/储能一体化飞轮A设置在电动/发电机定子和电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子之间。本发明结构紧凑，体积小，重量轻，效率高，能量密度大。

摘要： 一种采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，包括机座、飞轮和转轴，所述飞轮位于机座内，所述飞轮套装在转轴上，所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括电动/发电一体机、上径向电磁轴承、下径向电磁轴承和轴向电磁轴承；所述的轴向电磁轴承布置在飞轮轮辐的上方，所述的上径向电磁轴承布置在轴向电磁轴承的上方，所述的电动/发电一体机布置在上径向电磁轴承的上方；所述的下径向电磁轴承布置在飞轮轮辐的下方。本发明提供一种结构紧凑、可靠性高、能耗低、成本较低的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池。

摘要： 一种采用悬浮/储能一体化飞轮的磁悬浮飞轮储能装置，包括外壳，分别位于外壳底部和顶部的永磁型径向磁悬浮轴承A定子、永磁型径向磁悬浮轴承B定子，安装在外壳内壁上的电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子和电动/发电机定子，以及自上而下设置在主轴上的永磁型径向磁悬浮轴承B转子、电动/发电机转子、悬浮/储能一体化飞轮A、悬浮/储能一体化飞轮B和永磁型径向磁悬浮轴承A转子；悬浮/储能一体化飞轮B位于永磁型径向磁悬浮轴承A定子和电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子之间，悬浮/储能一体化飞轮A设置在电动/发电机定子和电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子之间。本发明结构紧凑，体积小，重量轻，效率高，能量密度大。

摘要： 本发明公开了一种磁悬浮飞轮与全永磁相斥型磁悬浮轴承，它是将带底盘(15)的转子芯轴与设置在转子芯轴上的调节固定螺母与芯轴顶盘(16)实现连接构成全永磁双边相斥型磁悬浮轴承的转子基和由筒形机座及筒形机座(17)沿径向向内延伸部分构成全永磁双边相斥型磁悬浮轴承的定子基，然后，将全永磁双边相斥型磁悬浮轴承的定、转子环形永磁体设置在定转子基部的轴向相对面(19)上，从而构成全永磁双边相斥型磁悬浮轴承的自适应磁悬浮转子支撑系统。所述全永磁双边相斥型磁悬浮轴承由两个具有单边斥力的全永磁相斥型磁悬浮轴承同轴度对置安装，所述每个单边斥力的全永磁相斥型磁悬浮轴承是由一个在轴向端带有环形凸极的环形永磁体与在轴向端带有与环形凹槽的环形永磁体通过气隙相对而成。然后，可将具有径向气隙的电机的定转子初次级铁心分别设置在转子芯轴和定子基部的最小内径(18)一侧。

摘要： 本发明公开了一种用于磁悬浮飞轮储能装置的飞轮轮毂，包含圆盘状的上轮毂和下轮毂；上轮毂的上侧表面上设置有多个永磁阵列装配槽；上轮毂的下侧设置有飞轮装配环槽，飞轮装配环槽位于上轮毂的外圈，且飞轮装配环槽的内圈设置有多个锁定槽；上轮毂的中心设置有转轴配合孔，转轴配合孔的侧壁上设置有多个轴键配合槽；下轮毂与上轮毂的结构相同，并相互对称；本方案通过设置上轮毂和下轮毂将飞轮间接安装在转轴上，上下轮毂可以使飞轮的工作状态更加稳定；且永磁阵列安装在上下轮毂上，减少对飞轮运行产生的影响；整体结构简单牢靠，并且便于安装和后期维护。

摘要： 一种采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，包括机座、飞轮和转轴，所述飞轮位于机座内，所述飞轮套装在转轴上，所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括电动/发电一体机、上径向电磁轴承、下径向电磁轴承和轴向电磁轴承；所述的轴向电磁轴承布置在飞轮轮辐的上方，所述的上径向电磁轴承布置在轴向电磁轴承的上方，所述的电动/发电一体机布置在上径向电磁轴承的上方；所述的下径向电磁轴承布置在飞轮轮辐的下方。本发明提供一种结构紧凑、可靠性高、能耗低、成本较低的采用薄辐飞轮的立式磁悬浮飞轮电池。

摘要： 一种采用悬浮/储能一体化飞轮的磁悬浮飞轮储能装置，包括外壳，分别位于外壳底部和顶部的永磁型径向磁悬浮轴承A定子、永磁型径向磁悬浮轴承B定子，安装在外壳内壁上的电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子和电动/发电机定子，以及自上而下设置在主轴上的永磁型径向磁悬浮轴承B转子、电动/发电机转子、悬浮/储能一体化飞轮A、悬浮/储能一体化飞轮B和永磁型径向磁悬浮轴承A转子；悬浮/储能一体化飞轮B位于永磁型径向磁悬浮轴承A定子和电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子之间，悬浮/储能一体化飞轮A设置在电动/发电机定子和电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子之间。本实用新型结构紧凑，体积小，重量轻，效率高，能量密度大。

摘要： 本实用新型涉及一种用于磁悬浮飞轮储能装置的飞轮轮毂，包含圆盘状的上轮毂和下轮毂；上轮毂的上侧表面上设置有多个永磁阵列装配槽；上轮毂的下侧设置有飞轮装配环槽，飞轮装配环槽位于上轮毂的外圈，且飞轮装配环槽的内圈设置有多个锁定槽；上轮毂的中心设置有转轴配合孔，转轴配合孔的侧壁上设置有多个轴键配合槽；下轮毂与上轮毂的结构相同，并相互对称；本方案通过设置上轮毂和下轮毂将飞轮间接安装在转轴上，上下轮毂可以使飞轮的工作状态更加稳定；且永磁阵列安装在上下轮毂上，减少对飞轮运行产生的影响；整体结构简单牢靠，并且便于安装和后期维护。

摘要： 一种采用飞轮的立式磁悬浮飞轮电池，包括机座、飞轮和转轴，所述飞轮位于机座内，所述飞轮套装在转轴上，所述的立式磁悬浮飞轮电池还包括电动/发电一体机、上径向电磁轴承、下径向电磁轴承和轴向电磁轴承；所述的轴向电磁轴承布置在飞轮轮辐的上方，所述的上径向电磁轴承布置在轴向电磁轴承的上方，所述的电动/发电一体机布置在上径向电磁轴承的上方；所述的下径向电磁轴承布置在飞轮轮辐的下方。本实用新型提供一种结构紧凑、可靠性高、能耗低、成本较低的采用飞轮的立式磁悬浮飞轮电池。