储能飞轮系统振动测量与分析

论文摘要

飞轮储能是一种应用前景广阔并已经得到实际应用的先进储能技术。储能飞轮系统能够实现充放电功能的先决条件是飞轮能够平稳地升速到较高的转速。本文研究对象为20kW/1kWh飞轮储能系统。为使转子达到较高的转速,对转子轴承系统开展了深入的理论研究和大量的实验工作。飞轮本体材料为高强度合金钢。转子上端采用永磁轴承卸载,两端辅以滚珠轴承作为径向支承。轴承座外侧套有O型橡胶圈,作为系统的阻尼器。此飞轮样机的转子结构和轴系设计与实验室以往的储能飞轮系统样机有较大区别,因此其动力学特性的理论分析和实验研究也是较新的工作。O型橡胶圈的刚度和阻尼是影响系统动力学特性的关键参数。设计了O型橡胶圈刚度和阻尼的测量方案,据此搭建了一个实验平台。通过测量载荷随位移变化的曲线,计算得到O型圈的刚度;并用自由振动衰减法对O型圈的阻尼进行测量。对飞轮储能系统的动力学特性进行了深入的理论研究。对转子支承系统进行动力学模型简化,运用拉格朗日方程,建立了振动微分方程组,并用MATLAB编程求解,得到了转子支承系统各阶模态频率、模态振型以及模态阻尼比随转速的变化规律。调整上、下阻尼器刚度和阻尼,分析了其对系统动力学特性的影响,为转子系统动力学优化提供了理论依据。在安装调试完成之后,做了一系列旋转实验。转子多次运行到260r/s以上,最高转速达280r/s,对应的转子外缘线速度为277.8m/s,储能量0.52kWh,储能密度5.2Wh/kg。设计制作了几个电涡流传感器,对系统的振动情况进行监测。计算共振频率与实验结果基本吻合。对系统的升降速功率进行分析,发现电机输出功率不足50%,是现阶段限制飞轮储能系统各项指标的关键因素之一。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 飞轮储能系统简介
• 1.2.1 基本原理
• 1.2.2 系统组成
• 1.2.3 性能指标
• 1.2.4 关键技术
• 1.3 发展现状
• 1.3.1 国外研究进展
• 1.3.2 国内研究进展
• 1.3.3 清华大学储能飞轮实验室研究情况
• 1.4 应用
• 1.5 论文工作简介
• 1.5.1 课题研究对象
• 1.5.2 研究思路
• 1.5.3 论文工作内容
• 第2章 O型圈刚度与阻尼的测量
• 2.1 测量原理
• 2.1.1 刚度的测量
• 2.1.2 阻尼的测量
• 2.2 实验平台的设计
• 2.3 实验设备简介
• 2.3.1 位移百分表和测力传感器
• 2.3.2 传感器
• 2.4 实验结果
• 2.4.1 刚度
• 2.4.2 阻尼
• 2.5 小结
• 第3章 飞轮储能系统转子动力学计算
• 3.1 系统振动方程的建立和计算
• 3.1.1 动力学模型简化
• 3.1.2 系统的动能、势能和耗散函数
• 3.1.3 振动微分方程
• 3.1.4 振动微分方程的求解
• 3.2 动力学参数
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 模态振型
• 3.3.2 模态频率图
• 3.3.3 模态阻尼比
• 3.3.4 支承系统参数分析
• 3.4 机座模态
• 3.5 小结
• 第4章 飞轮转子运行实验与振动测量
• 4.1 电涡流传感器
• 4.1.1 原理
• 4.1.2 传感器探头的设计与制作
• 4.1.3 传感器的标定
• 4.1.4 传感器的安装
• 4.2 飞轮旋转实验
• 4.3 振动分析
• 4.3.1 第一阶段实验
• 4.3.2 第二阶段实验
• 4.3.3 第三阶段实验
• 4.3.4 动力学计算与实验结果对比
• 4.4 功率分析
• 4.5 系统改进方案
• 4.6 小结
• 第5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