立式飞轮电池分立式磁浮转子—轴承系统设计与仿真

论文摘要

我国大部分农村地区,经常断电,在断电时能够用飞轮电池提供电能,在发达的城市地区,开发一种经济可靠并能长久储存能量的装置是非常有效的,而飞轮电池能够很好的满足上述要求,研究飞轮电池这种经济环保的电源是很重要的,在我国也很有市场,并且这也符合十二五规划提出的建立资源节约型和环境友好型的绿色发展战略。能量储存是电动汽车商业化的制约因素,飞轮电池的比能量高等优点会使电动汽车迅速普及,飞轮电池由于其比功率大、寿命长等优点而成为汽车储能用电池的最佳选择。飞轮电池的发展是一个长期过程,虽然其研究取得了一些成绩,还需要不断的改进,以不断降低开发成本,因此飞轮电池的研究是很有必要的。本文的主要工作和成果包括以下四个部分:1.用有限元分析软件ANSYS对永磁轴承、径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承进行分析,以实现转子的稳定悬浮,对飞轮转子的动力学分析,以确保转子在工作过程中不会发生共振。2.为了实现转子的稳定悬浮,提出用永磁轴承先卸荷掉飞轮转子大部分的力(77%左右),基于永磁轴承稳定性分析、构型分析和磁路分析理论,对其进行了有限元建模仿真,结果表明,永磁轴承的结构设计是满足要求的。3.在永磁轴承的作用下,轴向磁悬浮轴承只需承受转子其余的质量,根据在不同间隙情况下求出其所需承受的电磁力,用磁路法对轴向磁悬浮轴承进行结构设计,用有限元法对其进行分析,得出轴承最大间隙2.7mm时,能和永磁轴承一起完成转子的稳定悬浮。在进行轴向磁悬浮轴承结构设计时的创新之处是引入了修正系数,以考虑漏磁的影响。4.基于转子动力学的研究方法、研究目的和模态分析理论,用有限元法进行转子动力学研究,进行转子的模态分析,通过对转子12组数据的仿真分析,对转子进行了优化设计,并用MATLAB对转子模态进行了分析验证。在进行转子动力学分析时,考虑了转子的9阶模态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 飞轮电池的工作原理
• 1.3 飞轮电池的国内外研究现状
• 1.3.1 国外飞轮电池的研究现状
• 1.3.2 我国飞轮电池的研究现状
• 1.3.3 磁悬浮轴承的研究现状
• 1.4 本论文选题意义
• 1.5 本论文研究方法及目标
• 1.6 本论文内容安排
• 第2章 永磁轴承构型分析及其磁力计算
• 2.1 引言
• 2.2 永磁轴承的稳定性分析
• 2.2.1 恩休定理
• 2.2.2 永磁轴承磁力和刚度
• 2.3 永磁轴承构型分析
• 2.4 永磁轴承悬浮力计算理论
• 2.4.1 Maxwell 应力张量及磁力计算公式
• 2.4.2 虚功原理对应的磁力计算公式
• 2.5 永磁轴承的磁路分析法
• 2.6 有限元方法理论基础
• 2.6.1 磁场的矢量磁位
• 2.6.2 矢量磁势边界条件
• 2.6.3 有限元法求解原理
• 2.7 永磁轴承结构的设计及分析
• 2.7.1 应用背景及设计要求
• 2.7.2 永磁轴承的结构
• 2.7.3 永磁轴承的磁力计算
• 2.8 本章小结
• 第3章 轴向磁悬浮轴承结构设计与分析
• 3.1 引言
• 3.2 轴向磁悬浮轴承工作原理及其系统构成
• 3.2.1 轴向磁悬浮轴承的工作原理
• 3.2.2 轴向磁悬浮轴承的典型结构
• 3.2.3 轴向磁悬浮轴承的系统构成
• 3.3 磁悬浮轴承磁力计算及其磁路分析
• 3.3.1 磁路计算
• 3.3.2 等效网路法
• 3.3.3 模型法计算电磁力
• 3.4 基于磁路法的轴向磁悬浮轴承设计
• 3.4.1 轴向磁悬浮轴承的工作条件及其结构
• 3.4.2 轴向磁悬浮轴承的结构设计
• 3.5 基于有限元法的轴向磁悬浮轴承仿真分析
• 3.5.1 轴向磁悬浮轴承的建模
• 3.5.2 轴向磁悬浮轴承的结果提取
• 3.5.3 和永磁轴承组合验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 径向磁悬浮轴承结构设计与分析
• 4.1 径向磁悬浮轴承的系统组成
• 4.2 径向磁悬浮轴承的工作原理
• 4.3 径向磁悬浮轴承的典型结构
• 4.4 基于磁路法的径向磁悬浮轴承的结构设计
• 4.4.1 磁悬浮轴承吸引力的计算
• 4.4.2 磁悬浮轴承尺寸的优化方法
• 4.4.3 径向磁悬浮轴承的结构设计
• 4.5 基于有限元法的径向磁悬浮轴承仿真分析
• 4.5.1 径向磁悬浮轴承的建模
• 4.5.2 径向磁悬浮轴承的结果提取
• 4.5.3 径向磁悬浮轴承磁极间电流变化对磁场分布的影响
• 4.5.4 与模型法的对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 磁浮转子动力学分析
• 5.1 转子动力学基础
• 5.2 转子动力学的研究目的和研究内容
• 5.2.1 转子动力学的研究目的
• 5.2.2 转子动力学的研究内容
• 5.3 转子动力学计算方法
• 5.4 转子模态分析
• 5.4.1 模态分析基础理论
• 5.4.2 转子建模
• 5.4.3 基于MATLAB 的固有频率编程及其讨论
• 5.4.4 基体的模态分析及其与转子比较分析
• 5.5 转子优化设计
• 5.5.1 转子参数设置
• 5.5.2 优化设计变量
• 5.5.3 结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果