纤维缠绕飞轮强度分析与高效永磁轴承设计

论文摘要

储能飞轮的发展存在追求高储能密度和追求大输入输出功率两个方向,近来此二者有融合趋势形成同时具备两项优点的更先进储能飞轮。本人在前人工作基础上,在飞轮技术以上两个发展方向,具体到转子结构与支承关键技术,展开了深入的理论研究与试验工作。在复合材料环向缠绕高储能密度飞轮转子的强度研究工作中:(1)引入轮体固化降温工艺应力概念。通过理论计算和实例对比分析,得出此固化应力重要性仅次于离心载荷所致应力、对复合材料飞轮成功制造及最终储能指标有重大影响的结论。提出工艺改进措施,在理论上将现有转子结构储能密度提高37%。(2)提出加力缠绕配合在线固化的轮体制造新思路。发展完善了厚壁圆筒缠绕理论方法及计算手段。确立了精确抑制飞轮径向应力所需加力缠绕张力制度的定义及计算方法。设计出的预应力飞轮在现有材料及结构尺寸下,可以达到140Wh/kg的高储能密度指标。研究中提出一种计算方法解决复材缠绕飞轮体加工及使用过程中遇到的大多数力学问题。针对立式20kW/1kWh储能飞轮系统,研制出上端高效永磁轴承。轴承以轴向反向充磁的内外双钕铁硼永磁环为磁源,同时配以合金钢导磁铁轭及转环形成微漏磁磁路,实现工作间隙1mm时,承载力在kN量级。此新结构永磁轴承具有结构紧凑、可超高速旋转并不受转子温升影响的优良特性。为提高飞轮储能密度和实现飞轮系统较大功率充放电,开展了大量的工程实际试验研究工作。对复合材料环向缠绕的高储能密度飞轮转子进行强度试验,达到实验极限转速905r/s,轮缘线速度796m/s,储能密度48Wh/kg的国内优秀指标;深入分析初步得出试验转子失效机制。建立一套20kW/1kWh储能飞轮样机,有效的力学设计计算以及大量的系统运行试验初步掌握了此新结构样机的动力学特性,为进一步的结构参数调整打下良好基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 飞轮储能技术原理及关键技术
• 1.1.2 飞轮储能技术历史发展与最新进展
• 1.1.3 国内以及实验室储能飞轮研究情况
• 1.2 论文工作简介
• 1.2.1 课题研究目的与难点
• 1.2.2 工作具体内容
• 1.2.3 主要创新工作
• 1.3 论文内容安排
• 第2章 复合材料环向缠绕飞轮轮体应力分析
• 2.1 复合材料环向缠绕圆环弹性分析
• 2.1.1 平面应力方程及其解
• 2.1.2 各载荷项贡献
• 2.1.3 变转速与剪应力
• 2.1.4 多层圆环的协调
• 2.2 计算程序的实现
• 2.3 固化降温工艺应力
• 2.3.1 固化降温工艺应力算例1
• 2.3.2 固化降温工艺应力理论分析
• 2.3.3 飞轮实例计算分析
• 2.4 加力缠绕及在线固化
• 2.4.1 新工艺方法的提出
• 2.4.2 加力缠绕计算
• 2.4.3 厚壁圆筒缠绕理论分析
• 2.4.4 飞轮加力缠绕张力制度与简易逆算法
• 2.4.5 计算方法总结及其他相关计算问题
• 2.5 结论
• 第3章 高效永磁轴承设计试验及研究
• 3.1 应用背景及设计要求
• 3.2 轴承结构设计计算
• 3.2.1 磁力轴承分类
• 3.2.2 磁路原理与尺寸估算
• 3.2.3 有限元计算方法
• 3.2.4 计算结果与实际方案
• 3.3 测试方案及测试结果
• 3.3.1 永磁轴承组装
• 3.3.2 测试方案与结果
• 3.4 高效永磁轴承研究
• 3.4.1 轴承径向刚度研究
• 3.4.2 影响卸载力的结构主要参数辨析
• 3.4.3 结构主要参数对卸载力的影响
• 3.4.4 参数选择与卸载力密度
• 3.5 结论
• 第4章 复合材料试验飞轮实验研究与分析计算
• 4.1 强度试验过程、所遇问题及试验结果
• 4.1.1 试验方法简述
• 4.1.2 试验情况介绍
• 4.1.3 低频进动现象
• 4.1.4 飞轮失效过程及原因
• 4.2 强度计算方法分析
• 4.2.1 平面应力、平面应变与轴对称计算比较
• 4.2.2 金属轮毂与复合材料飞轮体“解耦”计算
• 4.3 飞轮整体有限元计算
• 4.3.1 有限元线弹性校核
• 4.3.2 轮毂弹塑性计算
• 4.4 总结与改进
• 第5章 永磁-机械混合轴承飞轮系统实验研究
• 5.1 项目背景
• 5.2 系统方案
• 5.3 力学设计计算
• 5.3.1 转子强度校核
• 5.3.2 转子支承动力学设计计算
• 5.3.3 机座模态计算
• 5.4 系统运行试验
• 5.5 总结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果