儲能飛輪轉(zhuǎn)子動力學特性分析與試驗研究.pdf

1、在儲能飛輪系統(tǒng)常用的軸承支承方式中，電磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)較為復雜、成本高且其自身也消耗能量，而超導磁懸浮軸承依賴于低溫液態(tài)氮冷卻系統(tǒng)，制約其廣泛地工業(yè)應用。永磁軸承具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，不需要維護與主動控制等技術(shù)特點，如與機械軸承合理地組合，可望獲得一類結(jié)構(gòu)簡單、摩擦功耗小、成本低廉、無需主動控制的儲能飛輪支承方式。為此，本文提出了兩套用于儲能飛輪的永磁懸浮—機械軸承混合支承系統(tǒng):1)摩擦損耗低的大承載永磁軸承(PMB)與動壓螺旋槽軸

2、承(HB)支承。2）動態(tài)穩(wěn)定性好的大承載永磁軸承(PMB)與角接觸球軸承(ACBB)支承。另外，本文選用了成本低廉、制造方便的整體式金屬飛輪本體。委托加工了飛輪用永磁無刷直流電動/發(fā)電機及其電力電子變流系統(tǒng)。本文的工作集中在飛輪轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)動力學分析與試驗研究，現(xiàn)將論文主要內(nèi)容及取得的研究成果概括如下:
　　 1.研制了PMB與HB混合支承的儲能飛輪系統(tǒng):飛輪轉(zhuǎn)子上、下端分別采用大承載永磁軸承與動壓螺旋槽軸承支承，上端永磁軸承

3、起到軸向卸載作用，便于動壓螺旋槽軸承形成全油膜;在轉(zhuǎn)子上端引入懸吊式擠壓油膜阻尼器，下端采用了擺錘式擠壓油膜阻尼器，旨在抑制飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的橫向振動，提高運行穩(wěn)定性和降低軸系外傳力;為防止飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)帶來的損傷，設(shè)計了專用的碰摩保護裝置;研制了電機定子高效水冷卻套，并配置了循環(huán)水冷卻系統(tǒng);儲能飛輪轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)與飛輪電機定—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)放置在真空腔里。
　　 2.基于Lagrange法，建立了PMB與HB混合支承的儲能飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

4、動力學模型;采用有限元法求解了擠壓油膜的剛度與阻尼系數(shù);選用Gauss法求解轉(zhuǎn)子動力學方程;分析計算了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速、主振型及其不平衡響應;為驗證本文建立的飛輪轉(zhuǎn)子動力學模型的正確性，作者以文獻報道的同類（飛輪本體重量9.117kg）飛輪為對象，分析其轉(zhuǎn)子動力學特性，結(jié)果表明，數(shù)值解與試驗值基本吻合;然而在本文110kg飛輪的運行試驗中，轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)在越過低階臨界轉(zhuǎn)速后，由于HB軸承不能形成全油膜而功耗過大，導致電壓驅(qū)動的直流電機在

5、低頻端輸出扭矩偏小而無法拖動。為此，本文將HB軸承更換為ACBB支承，發(fā)現(xiàn)雖然ACBB能大幅降低軸承的摩擦扭矩，但是飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)仍然存在振動幅度較大問題，初步分析可能是轉(zhuǎn)子制造誤差引起的，有關(guān)后續(xù)研究工作尚在開展中。
　　 3.建立了PMB與HB混合支承的儲能飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)動力學方程:首先，建立了飛輪本體上的動、靜不平衡量與校正平面（選用飛輪本體的上、下端面）上不平衡量之間的關(guān)系方程;其次，引入賴柴兒坐標系將飛輪本體的動能分為

6、平移、繞轉(zhuǎn)軸擺動和繞轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)動能，并基于Lagrange方程建立了飛輪系統(tǒng)在等加速工況下的瞬態(tài)動力學方程;最后，用四階龍格—庫塔法求解動力學方程，獲得了飛輪本體上、下端面軸心在等加速運行過程中瞬態(tài)響應曲線。
　　 4.研制了PMB與ACBB混合支承的儲能飛輪系統(tǒng):飛輪轉(zhuǎn)子上、下端均采用低摩擦、長壽命的角接觸球軸承支承;飛輪本體的上端引入大承載永磁軸承，起到軸向卸載作用，旨在降低下軸承的軸向負荷，減小摩擦阻力，延長使用壽命;采用超

7、臨界轉(zhuǎn)子設(shè)計思想，飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的1階臨界轉(zhuǎn)速為1966r/min，2階臨界轉(zhuǎn)速為47700r/min，確保了飛輪系統(tǒng)在較寬的頻率范圍內(nèi)平穩(wěn)運行;在下軸承處引入擠壓油膜阻尼器，以抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的橫向振動;設(shè)計了專用的滾動軸承加載與冷卻裝置;同樣，飛輪轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)與飛輪電機定—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)放置在真空腔里。
　　 5.基于轉(zhuǎn)子動力學的傳遞矩陣法、滾動軸承分析理論和擠壓油膜阻尼器雷諾方程，建立了PMB與ACBB混合支承的儲能飛輪轉(zhuǎn)子-軸承-

8、阻尼器系統(tǒng)的動力學模型，采用迭代法對動力學方程進行了求解，得到飛輪本體軸心（上端面處）與阻尼器的幅頻特性曲線，完成了飛輪系統(tǒng)動態(tài)性能試驗研究。研究表明:1）飛輪轉(zhuǎn)子幅頻特性數(shù)值解與試驗值基本吻合，飛輪轉(zhuǎn)子越過一階臨界轉(zhuǎn)速后，能平穩(wěn)地運行至12000r/min;2）此類飛輪滾動軸承的摩擦功耗隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，在10000r/min時單個軸承的摩擦功耗僅為73W;3）11-12Pa與23-27Pa兩種真空度對飛輪系統(tǒng)的空載摩擦功耗影響可

9、忽略;4）隨著永磁軸承軸向氣隙增大，飛輪轉(zhuǎn)子下端球軸承的溫升與摩擦扭矩都隨之增加，同時轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速也略有增大。
　　 6.基于D'Alembert原理與Wilson-θ數(shù)值積分法，建立了圓盤與軸段組合單元的9×9階瞬態(tài)傳遞矩陣;進而建立在等加速工況下PMB與ACBB混合支承的儲能飛輪的瞬態(tài)動力學模型，考慮了滾動軸承剛度系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的非線性變化關(guān)系、彈性鼠籠剛度系數(shù)、阻尼器油膜力以及阻尼器等效質(zhì)量對飛輪轉(zhuǎn)子動態(tài)特性的影響;在傳遞矩陣