高速飞轮转子系统多参数耦合动力学分析与控制
发布时间：2021-05-16 09:38
飞轮转子储能系统是一种将电能储存为高速旋转转子中的机械能的装置,具有高功率密度、无污染的特性。电磁轴承不仅具有无摩擦、无需润滑、特殊环境适应性强等特性,而且还可以通过主动调整电磁轴承的控制力,以改善转子的动力学性能。因而基于电磁轴承的高速飞轮储能系统得到了迅速发展。本文主要对高速飞轮转子系统的多参数耦合动力学分析及控制进行理论和实验研究。首先,建立了一个四自由度的高速飞轮转子系统模型,模型中考虑了飞轮一体化永磁电动/发电机和飞轮轴向轴承的影响。通过建立飞轮质心坐标系、电机质心坐标系和轴向轴承坐标系,将作用在飞轮一体化电机和轴向轴承上的干扰力转换到作用在转子质心上,形成了统一的高速飞轮转子系统四自由度动力学方程。在分析一体化电动/发电机的单边磁拉力时,提出了基于理想状态气隙磁密分布加以各因素磁密畸变系数（包括齿槽效应系数、电机偏心系数等）影响后得到一体化电动/发电机磁密分布的分析方法。然后分析了各因素对单边磁拉力谐波次数的影响以及单边磁拉力对飞轮系统转子振动位移、控制电流和控制力的影响。结果表明,一体化电动/发电机单边磁拉力中存在的大量谐波成分导致飞轮转子系统振动和控制电流等变量中出现谐...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 飞轮转子上外部干扰力的研究现状
1.2.1 飞轮转子产生的质量不平衡力
1.2.2 一体化永磁电动/发电机产生的单边磁拉力
1.2.3 轴向轴承产生的径向作用力
1.3 飞轮转子系统中径向电磁轴承的主要控制方法
1.3.1 稳定性控制方法
1.3.2 转速同频干扰的控制方法
1.3.3 转速倍频干扰的控制方法
1.4 论文的主要工作和内容安排
1.4.1 论文的主要工作
1.4.2 论文的内容安排
第二章 高速飞轮转子系统的建模
2.1 高速飞轮转子系统的结构和工作原理
2.2 高速飞轮转子系统的动力学模型
2.2.1 电磁轴承径向力的建模
2.2.2 高速飞轮转子系统的动力学建模
2.2.3 作用在飞轮转子上的外部干扰力分析
2.3 本章小结
第三章 一体化永磁同步电动/发电机的单边磁拉力建模与分析
3.1 电机单边磁拉力的建模
3.1.1 电机坐标系的建立
3.1.2 理想状态下的电机气隙磁密分布情况
3.1.3 非理想状态下的电机气隙磁密畸变系数
3.1.4 非理想状态下的电机气隙磁密分布情况
3.1.5 电机单边磁拉力的计算
3.1.6 作用在飞轮转子上的电机单边磁拉力
3.2 电机单边磁拉力的幅值及频率特性
3.3 电机单边磁拉力影响下的飞轮转子系统振动特性
3.4 单边磁拉力的基频成分对飞轮转子系统稳定性的影响分析
3.4.1 单边磁拉力的简化
3.4.2 电机单边磁拉力基频成分的等效刚度矩阵
3.4.3 电机单边磁拉力基频成分影响下的飞轮转子系统稳定性分析
3.5 单边磁拉力基频成分影响下的飞轮转子系统振动特性仿真
3.5.1 恒转速下单边磁拉力对转子振幅的影响
3.5.2 恒加速下单边磁拉力对转子振幅的影响
3.6 本章小结
第四章 轴向轴承径向力的建模与分析
4.1 永磁轴向轴承产生的径向力和力矩推导
4.1.1 永磁轴向轴承坐标系
4.1.2 永磁轴向轴承磁环间作用力的等效磁荷模型
4.1.3 永磁轴向轴承产生的径向合力计算
4.1.4 永磁轴向轴承产生的合力矩计算
4.1.5 永磁轴向轴承对飞轮转子的作用力
4.2 电磁轴向轴承产生的径向力和力矩推导
4.2.1 电磁轴向轴承坐标系
4.2.2 电磁轴向轴承的径向作用力计算
4.2.3 电磁轴向轴承对飞轮转子的径向作用力
4.3 轴向轴承径向干扰力的线性化及仿真分析
4.3.1 蒙特卡洛模拟法求解四重积分
4.3.2 永磁轴向轴承径向力的有限元验证
4.3.3 上、下端永磁轴向轴承的磁环间距计算
4.4 轴向轴承径向力等效得到的刚度矩阵
4.5 轴向轴承对转子系统稳定性的影响
4.6 轴向轴承的径向力对飞轮转子振动幅值的影响
4.6.1 恒转速下轴向轴承径向力对转子振动位移的影响
4.6.2 恒加速下轴向轴承径向力对转子振动位移的影响
4.7 本章小结
第五章 电机-轴向轴承-转子系统的耦合动力学影响
5.1 考虑电机单边磁拉力和轴向轴承径向力影响的飞轮转子系统的动力学方程
5.2 电机单边磁拉力和轴向轴承径向力共同等效的刚度系数
5.3 电机单边磁拉力和轴向轴承径向力对转子系统振动特性的影响
5.3.1 恒转速下飞轮转子系统的振动特性
5.3.2 恒加速下飞轮转子系统的振动特性
5.4 本章小结
第六章 飞轮转子振动位移中多谐波分量的抑制
6.1 重复控制的基本原理
6.1.1 理想内模的重复控制器
6.1.2 改进内模的重复控制器
6.2 重复控制器的设计
6.3 重复控制器对转子振动位移中谐波的控制效果
6.4 本章小结
第七章 飞轮转子干扰力验证与振动抑制实验
7.1 高速飞轮系统的硬件部分
7.2 高速飞轮系统的软件部分
7.3 飞轮转子系统中单边磁拉力的验证
7.3.1 单边磁拉力谐波成分的验证
7.3.2 单边磁拉力基频成分的验证
7.3.3 重复控制器对飞轮转子系统中多谐波的控制实验
7.4 本章小结
第八章 总结与展望
8.1 总结
8.2 展望
参考文献
作者简历
攻读硕士学位期间科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]主动电磁轴承–刚性转子系统PID控制器设计方法[J]. 王忠博,毛川,祝长生. 中国电机工程学报. 2018(20)
[2]基于逆系统解耦的电磁轴承飞轮转子系统二自由度控制[J]. 陈亮亮,祝长生,王忠博. 电工技术学报. 2017(23)
[3]电磁轴承高速飞轮转子模态分离–状态反馈解耦控制[J]. 陈亮亮,祝长生,王忠博. 中国电机工程学报. 2017(18)
[4]重复控制在磁悬浮高速转子振动抑制中的应用[J]. 韩邦成,刘洋,郑世强. 振动.测试与诊断. 2015(03)
[5]表贴式永磁电机电枢反应磁场的子域模型[J]. 韩汇文,祝长生. 浙江大学学报(工学版). 2014(09)
[6]基于ANSYS的推力永磁轴承磁力特性研究[J]. 张坚,孙玉卓,张海龙,孟庆涛,张钢. 轴承. 2014(04)
[7]谐波补偿重复控制及其在逆变器控制中的应用[J]. 杨豪,赵军红,朱雁南,刘岳滨. 电气传动. 2013(08)
[8]轴向永磁轴承的设计与试验验证[J]. 张钢,孙昌,张坚,张海龙,蒋德得. 轴承. 2012(11)
[9]新型永磁偏置轴向磁轴承的原理分析与参数设计[J]. 蒋汝根,赵旭升. 微特电机. 2012(09)
[10]磁悬浮高速转子基于位移刚度力超前前馈补偿的高精度自动平衡方法[J]. 魏彤,向岷. 机械工程学报. 2012(16)
博士论文
[1]永磁体间的磁力和磁力矩研究[D]. 历建刚.吉林大学 2015
[2]不均匀磁化对永磁推力轴承及其转子系统性能影响的研究[D]. 寇尊权.吉林大学 2006
硕士论文
[1]分数槽绕组永磁同步电机不平衡电磁力的分析和抑制[D]. 李志明.天津大学 2012
[2]永磁电机电磁振动的磁—固耦合分析[D]. 符嘉靖.浙江大学 2012
本文编号：3189459
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 飞轮转子上外部干扰力的研究现状
1.2.1 飞轮转子产生的质量不平衡力
1.2.2 一体化永磁电动/发电机产生的单边磁拉力
1.2.3 轴向轴承产生的径向作用力
1.3 飞轮转子系统中径向电磁轴承的主要控制方法
1.3.1 稳定性控制方法
1.3.2 转速同频干扰的控制方法
1.3.3 转速倍频干扰的控制方法
1.4 论文的主要工作和内容安排
1.4.1 论文的主要工作
1.4.2 论文的内容安排
第二章 高速飞轮转子系统的建模
2.1 高速飞轮转子系统的结构和工作原理
2.2 高速飞轮转子系统的动力学模型
2.2.1 电磁轴承径向力的建模
2.2.2 高速飞轮转子系统的动力学建模
2.2.3 作用在飞轮转子上的外部干扰力分析
2.3 本章小结
第三章 一体化永磁同步电动/发电机的单边磁拉力建模与分析
3.1 电机单边磁拉力的建模
3.1.1 电机坐标系的建立
3.1.2 理想状态下的电机气隙磁密分布情况
3.1.3 非理想状态下的电机气隙磁密畸变系数
3.1.4 非理想状态下的电机气隙磁密分布情况
3.1.5 电机单边磁拉力的计算
3.1.6 作用在飞轮转子上的电机单边磁拉力
3.2 电机单边磁拉力的幅值及频率特性
3.3 电机单边磁拉力影响下的飞轮转子系统振动特性
3.4 单边磁拉力的基频成分对飞轮转子系统稳定性的影响分析
3.4.1 单边磁拉力的简化
3.4.2 电机单边磁拉力基频成分的等效刚度矩阵
3.4.3 电机单边磁拉力基频成分影响下的飞轮转子系统稳定性分析
3.5 单边磁拉力基频成分影响下的飞轮转子系统振动特性仿真
3.5.1 恒转速下单边磁拉力对转子振幅的影响
3.5.2 恒加速下单边磁拉力对转子振幅的影响
3.6 本章小结
第四章 轴向轴承径向力的建模与分析
4.1 永磁轴向轴承产生的径向力和力矩推导
4.1.1 永磁轴向轴承坐标系
4.1.2 永磁轴向轴承磁环间作用力的等效磁荷模型
4.1.3 永磁轴向轴承产生的径向合力计算
4.1.4 永磁轴向轴承产生的合力矩计算
4.1.5 永磁轴向轴承对飞轮转子的作用力
4.2 电磁轴向轴承产生的径向力和力矩推导
4.2.1 电磁轴向轴承坐标系
4.2.2 电磁轴向轴承的径向作用力计算
4.2.3 电磁轴向轴承对飞轮转子的径向作用力
4.3 轴向轴承径向干扰力的线性化及仿真分析
4.3.1 蒙特卡洛模拟法求解四重积分
4.3.2 永磁轴向轴承径向力的有限元验证
4.3.3 上、下端永磁轴向轴承的磁环间距计算
4.4 轴向轴承径向力等效得到的刚度矩阵
4.5 轴向轴承对转子系统稳定性的影响
4.6 轴向轴承的径向力对飞轮转子振动幅值的影响
4.6.1 恒转速下轴向轴承径向力对转子振动位移的影响
4.6.2 恒加速下轴向轴承径向力对转子振动位移的影响
4.7 本章小结
第五章 电机-轴向轴承-转子系统的耦合动力学影响
5.1 考虑电机单边磁拉力和轴向轴承径向力影响的飞轮转子系统的动力学方程
5.2 电机单边磁拉力和轴向轴承径向力共同等效的刚度系数
5.3 电机单边磁拉力和轴向轴承径向力对转子系统振动特性的影响
5.3.1 恒转速下飞轮转子系统的振动特性
5.3.2 恒加速下飞轮转子系统的振动特性
5.4 本章小结
第六章 飞轮转子振动位移中多谐波分量的抑制
6.1 重复控制的基本原理
6.1.1 理想内模的重复控制器
6.1.2 改进内模的重复控制器
6.2 重复控制器的设计
6.3 重复控制器对转子振动位移中谐波的控制效果
6.4 本章小结
第七章 飞轮转子干扰力验证与振动抑制实验
7.1 高速飞轮系统的硬件部分
7.2 高速飞轮系统的软件部分
7.3 飞轮转子系统中单边磁拉力的验证
7.3.1 单边磁拉力谐波成分的验证
7.3.2 单边磁拉力基频成分的验证
7.3.3 重复控制器对飞轮转子系统中多谐波的控制实验
7.4 本章小结
第八章 总结与展望
8.1 总结
8.2 展望
参考文献
作者简历
攻读硕士学位期间科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]主动电磁轴承–刚性转子系统PID控制器设计方法[J]. 王忠博,毛川,祝长生. 中国电机工程学报. 2018(20)
[2]基于逆系统解耦的电磁轴承飞轮转子系统二自由度控制[J]. 陈亮亮,祝长生,王忠博. 电工技术学报. 2017(23)
[3]电磁轴承高速飞轮转子模态分离–状态反馈解耦控制[J]. 陈亮亮,祝长生,王忠博. 中国电机工程学报. 2017(18)
[4]重复控制在磁悬浮高速转子振动抑制中的应用[J]. 韩邦成,刘洋,郑世强. 振动.测试与诊断. 2015(03)
[5]表贴式永磁电机电枢反应磁场的子域模型[J]. 韩汇文,祝长生. 浙江大学学报(工学版). 2014(09)
[6]基于ANSYS的推力永磁轴承磁力特性研究[J]. 张坚,孙玉卓,张海龙,孟庆涛,张钢. 轴承. 2014(04)
[7]谐波补偿重复控制及其在逆变器控制中的应用[J]. 杨豪,赵军红,朱雁南,刘岳滨. 电气传动. 2013(08)
[8]轴向永磁轴承的设计与试验验证[J]. 张钢,孙昌,张坚,张海龙,蒋德得. 轴承. 2012(11)
[9]新型永磁偏置轴向磁轴承的原理分析与参数设计[J]. 蒋汝根,赵旭升. 微特电机. 2012(09)
[10]磁悬浮高速转子基于位移刚度力超前前馈补偿的高精度自动平衡方法[J]. 魏彤,向岷. 机械工程学报. 2012(16)
博士论文
[1]永磁体间的磁力和磁力矩研究[D]. 历建刚.吉林大学 2015
[2]不均匀磁化对永磁推力轴承及其转子系统性能影响的研究[D]. 寇尊权.吉林大学 2006
硕士论文
[1]分数槽绕组永磁同步电机不平衡电磁力的分析和抑制[D]. 李志明.天津大学 2012
[2]永磁电机电磁振动的磁—固耦合分析[D]. 符嘉靖.浙江大学 2012
本文编号：3189459
本文链接：https://www.wllwen.com/jixiegongchenglunwen/3189459.html
