储能飞轮混合支撑系统的研究

论文摘要

飞轮储能系统具有高功率密度、高能量密度、充放电时间短、无污染、高效、寿命长等优点,一直是储能技术中的研究热点,有希望在电动汽车、电网调峰等领域应用,对节约能源、缓解环境污染问题有着重要的意义。如今飞轮储能正朝着大功率、大容量的方向发展,飞轮体积、重量和转速的增大直接影响支撑系统的寿命,从而限制了储能容量的提升,储能飞轮的支撑问题已经成为飞轮技术发展的瓶颈。本文针对储能飞轮的支撑系统进行了相关问题得研究。针对立式结构飞轮转子由于重量大而产生过大的静态载荷问题,采用永磁卸载的支撑方案,卸去需要混合支撑中机械轴承承受的大部分重量,提高机械轴承的寿命。比较了不同磁极排布的卸载轴承的力密度,得出了径向磁化永磁卸载轴承卸载能力强的结论。对所研究的飞轮转子径向磁化永磁卸载轴承进行了设计,利用有限元计算分析了结构参数与力密度和永磁体卸载质量比的关系。研究了飞轮支撑系统阻尼器对转子动力学行为的影响,利用拉格朗日方程对储能飞轮的转子-支撑系统进行了数学建模和求解方法的研究。以数学模型为基础计算了阻尼器阻尼系数对临界转速和模态阻尼比的影响。针对飞轮在临界转速的共振问题,研究了单阻尼器和双阻尼器的阻尼系数和作用位置对振动的抑制作用。计算分析了支撑系统电磁阻尼器结构和设计参数对阻尼系数的影响。为了避免3D有限元的计算的复杂性,用本质相同的平板型被动电磁阻尼器代替实际的磁环阻尼器进行计算分析。研究了阻尼器的阻尼系数与振动频率的关系,得出了阻尼系数的频率特性。为了实验研究支撑系统的效果,对径向位移传感器用线性差动变压器进行了设计和输出特性的研究。分析了线性差动变压器的原理和在电压源、电流源激励下的输出电压。最后对线性变压器的输出特性进行了有限元计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 飞轮储能支撑系统其相关理论的发展概况
• 1.2.1 储能飞轮常用的支撑方式分析
• 1.2.2 电磁轴承的理论及发展概况
• 1.2.3 永磁轴承的理论及发展概况
• 1.2.4 阻尼器的发展概况
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 混合支撑系统永磁卸载轴承的分析计算
• 2.1 储能飞轮的混合支撑方案
• 2.2 永磁卸载轴承的结构形式
• 2.2.1 永磁卸载轴承的基本形式
• 2.2.2 结构形式的选择
• 2.3 单侧放置永磁体的卸载轴承方案对比
• 2.3.1 卸载轴承的永磁体排布结构
• 2.3.2 对比结果及分析
• 2.4 径向磁化永磁卸载轴承的设计计算
• 2.4.1 径向磁化卸载轴承轴向磁力的计算
• 2.4.2 卸载轴承的设计结果
• 2.5 设计参数对卸载轴承力密度和质量比的影响
• 2.5.1 气隙长度的影响
• 2.5.2 磁环与磁极宽度比的影响
• 2.5.3 磁环高度与磁极宽度比值的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 储能飞轮转子-支撑系统动力学行为的分析
• 3.1 飞轮储能系统转子-支撑系统动力学数学模型
• 3.1.1 模型的简化
• 3.1.2 基于拉格朗日方程的储能飞轮转子-支撑系统动力学模型
• 3.1.3 自由振动方程的求解
• 3.1.4 强迫振动方程的求解
• 3.1.5 模型验证
• 3.2 阻尼对自由振动的影响
• 3.3 阻尼对共振的抑制作用
• 3.3.1 阻尼系数的影响
• 3.3.2 阻尼器位置的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 混合支撑系统电磁阻尼器的研究
• 4.1 电磁阻尼器的分类和原理
• 4.1.1 电磁阻尼器的分类
• 4.1.2 被动电磁阻尼器的原理
• 4.1.3 储能飞轮支撑系统转子径向阻尼器的特点
• 4.1.4 普通结构的阻尼器及阻尼系数
• 4.2 改进的单边永磁体型电磁阻尼器的研究
• 4.2.1 改进的单边型阻尼器及阻尼系数
• 4.2.2 极数的影响
• 4.2.3 铜板厚度的影响
• 4.2.4 动态性能
• 4.3 双边永磁体型阻尼器的研究
• 4.3.1 双边型的结构及阻尼系数
• 4.3.2 铜板厚度的影响
• 4.3.3 动态性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 支撑系统径向差动变压器的计算
• 5.1 差动变压器的原理和特性
• 5.1.1 差动变压器的结构
• 5.1.2 电压源激励下的输出
• 5.1.3 电流源激励下的输出
• 5.2 径向差动变压器的设计和分析
• 5.2.1 径向差动变压器设计
• 5.2.2 径向差动变压器的参数计算
• 5.3 差动变压器输出特性
• 5.3.1 差动变压器的外电路
• 5.3.2 差动变压器的输出特性计算
• 5.3.3 转子振动情况下的输出
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢