磁悬浮储能飞轮结构设计及动力学研究

发布时间：2017-03-25 00:08

  本文关键词：磁悬浮储能飞轮结构设计及动力学研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：储能飞轮是一种新型高效能量存储与转换装置,具有使用寿命高、储能量大、能量转换效率高、无污染等优点,应用前景十分广阔。储能飞轮技术是一个多学科交叉融合的高科技技术,涉及到机械、电力电子技术、控制技术、磁技术、真空技术以及复合材料技术等,是未来储能技术的重要发展方向之一,研究内容十分丰富。本文课题来源于合肥工业大学能源所的预研项目,内容主要包括飞轮转子应力分析与设计计算、复合材料飞轮轮毂尺寸优化、磁力计算、系统动力学研究。 飞轮转子是储能飞轮系统的核心部件,是能量的载体。对不同材料的飞轮转子进行应力分析与比较,推导出应力计算公式,得到飞轮转子的应力分布,为飞轮转子的设计计算提供理论依据。 复合材料具有很高的比强度,是储能飞轮的首选材料。轮毂作为复合材料飞轮的重要组成之一,其设计工作同样十分重要。利用有限元分析软件,优化轮毂在额定转速下的最大外轮廓体积,提高轮毂的承载能力。 磁力轴承能够降低传统轴承的损耗、提高飞轮转子的旋转速度,是储能飞轮系统的关键部件之一。飞轮磁力轴承包括永磁轴承与电磁轴承。只有永磁体构成的永磁轴承系统是不能实现6个自由度稳定的,永磁轴承必须与机械轴承或电磁轴承相配合才能实现转子的稳定旋转。磁力与刚度是磁力轴承非常重要的两个要素,同时影响着系统的动力学性能。从场能理论出发推导出永磁轴承与电磁轴承的磁力与刚度,为磁力轴承的设计计算提供理论依据。 系统的动力学特性主要与其模态参数有关,模态分析理论是结构动力学分析的基础。运用动力学相关知识对储能飞轮系统进行动力学分析,利用有限元分析软件对模型进行相关处理,利用弹簧阻尼单元模拟磁轴承,计算系统的模态与振型,并将计算模态与实验模态进行对比。根据分析结果可以有效预估系统的振动特性,为结构优化与性能改进提供理论依据。 储能飞轮是一种绿色环保的储能装置,具有重大的应用价值。
【关键词】：储能飞轮 飞轮转子 轮毂优化 磁力计算 模态分析
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH133.7
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 目录11-14
• 插图清单14-16
• 表格清单16-17
• 第1章 绪论17-31
• 1.1 引言17-18
• 1.2 课题研究的目的与意义18-20
• 1.3 储能技术介绍20-26
• 1.3.1 抽水蓄能20-21
• 1.3.2 压缩空气储能21
• 1.3.3 蓄电池储能21-22
• 1.3.4 超级电容储能22
• 1.3.5 超导磁储能22-23
• 1.3.6 相变储能23-24
• 1.3.7 飞轮储能24-25
• 1.3.8 各种储能方式的比较25-26
• 1.4 储能飞轮技术的研究现状与文件综述26-29
• 1.4.1 磁力轴承的研究现状26-27
• 1.4.2 飞轮转子设计27-28
• 1.4.3 真空技术28
• 1.4.4 电力电子技术28-29
• 1.4.5 电动/发电机技术29
• 1.5 本文的研究内容与结构安排29-31
• 第2章 飞轮转子设计计算31-54
• 2.1 引言31
• 2.2 飞轮转子的材料及失效准则31-38
• 2.2.1 参数定义31-32
• 2.2.2 形状因子32-35
• 2.2.3 飞轮材料35-36
• 2.2.4 破坏准则36-38
• 2.3 飞轮的应力分析计算38-53
• 2.3.1 应力分析38-42
• 2.3.2 金属飞轮应力分析42-51
• 2.3.3 复合材料飞轮的应力分析计算51-53
• 2.4 本章小结53-54
• 第3章 飞轮轮毂优化54-62
• 3.1 引言54
• 3.2 结构优化介绍54-58
• 3.2.1 拓扑优化55
• 3.2.2 形貌优化55-56
• 3.2.3 自由尺寸优化56
• 3.2.4 形状优化56-58
• 3.2.5 尺寸优化58
• 3.2.6 自由形状优化58
• 3.3 复合材料飞轮轮毂尺寸优化58-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第4章 磁力轴承磁力计算62-71
• 4.1 引言62
• 4.2 永磁轴承磁力计算62-67
• 4.2.1 单个永磁轴承的力与刚度计算62-66
• 4.2.2 多层结构永磁轴承刚度计算66-67
• 4.2.3 永磁轴承磁力计算实例67
• 4.3 电磁轴承磁力计算67-70
• 4.3.1 径向电磁轴承磁力计算67-69
• 4.3.2 止推轴承磁力计算69-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第5章 储能飞轮系统的动力学分析71-82
• 5.1 引言71
• 5.2 模态分析理论71-73
• 5.3 有限单元法与分析软件73-74
• 5.3.1 有限单元法73
• 5.3.2 HyperMesh软件简介73
• 5.3.3 RADIOSS求解器简介73-74
• 5.4 模型处理与有限元分析74-80
• 5.4.1 零件建模74-75
• 5.4.2 零件结合部建模75-78
• 5.4.3 施加边界条件78
• 5.4.4 分析结果78-80
• 5.5 实验模态分析80
• 5.6 本章小结80-82
• 第6章 总结与展望82-84
• 6.1 总结82
• 6.2 展望82-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况88

【参考文献】

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本文编号：266363