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飞轮储能系统电机设计与动力学分析

作　者: 陈晓
导　师: 邹继斌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 飞轮储能系统应力分析振动模态临界转速电机设计
分类号: TM351
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

作为一种新型的机电能量转换与存储装置,飞轮储能系统在能量密度、功率密度、转换效率、使用寿命、充电时间、放电深度、对环境的影响等诸多方面具有较大的综合优势,因此已成为近几年的研究热点并取得了飞速的发展。随着人们对储能装置存储容量的需求越来越大,高储能已经成为飞轮储能技术的一个重要发展方向。但对于高储能指标的飞轮储能系统,较高的应力造成的机械强度问题,较低的临界转速导致的轴系振动问题,较高的电频率与严格的效率要求所带来的电机设计问题,都已变得无法回避。针对以上问题,本文进行了以下研究工作:综合考虑储能指标、应力水平、轴系振动、制作成本等问题,设计了立式结构、磁浮卸重、机械轴承径向支承、转子中空的金属飞轮储能系统,并分析了该设计方案的可行性。针对高效电机设计问题,设计了适用于中空飞轮结构的双转子永磁同步电机,推导了内、外气隙磁密解析式、主电抗解析式以及特定极槽配合下的槽漏抗解析式。采用电磁场有限元法进行了电机空载时磁场分布、反电势、齿槽转矩以及负载时电磁转矩的数值计算。基于分离铁耗模型计算了铁心损耗及运行效率,计算结果表明由于该双转子结构省去了定子轭部,使得空载时铁心损耗大大降低,待机效率大大提高。针对机械强度问题,采用结构有限元法对高速旋转的飞轮转子进行了应力分析,并根据得到的径向、周向、轴向应力计算了第一、第二、第三主应力,然后合成出von Mises应力,采用第四强度理论进行了机械强度校核。针对轴系振动问题,采用转子动力学有限元法计算了飞轮轴系的振动模态和临界转速,以及不平衡质量作用下的振动响应,根据所需要的阻尼系数,设计了弹性环式挤压油膜阻尼器。针对中空结构的飞轮转子,提出了一种转子动力学简化模型,分别采用有限元法和传递矩阵法验证了简化模型在求解一阶临界转速附近以及正常工作转速范围内轴系质量偏心不平衡响应的正确性,并且在不影响一阶临界转速的计算精度的同时提高了运算效率。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10
  1.2 飞轮储能系统的发展现状  10-14
  1.3 飞轮储能系统的技术难点及研究方法  14-15
  1.4 本文的主要研究内容  15-16
第2章飞轮储能系统结构设计  16-21
  2.1 飞轮储能系统设计指标  16
  2.2 系统结构及基本运行原理  16-17
  2.3 飞轮储能系统方案设计  17-19
    2.3.1 飞轮材料的选取  17
    2.3.2 轴系结构的确定  17
    2.3.3 飞轮转子结构的确定  17-18
    2.3.4 电机类型的选取  18
    2.3.5 支承方案的确定  18-19
    2.3.6 阻尼器类型的选取  19
  2.4 飞轮转子结构设计  19-20
  2.5 本章小结  20-21
第3章储能飞轮用双转子永磁同步电机设计  21-38
  3.1 引言  21
  3.2 设计指标  21
  3.3 机械结构设计  21-22
  3.4 气隙磁密及电抗的解析分析  22-28
    3.4.1 内、外气隙磁密的解析分析  23
    3.4.2 主电抗的解析分析  23-24
    3.4.3 漏电抗的解析分析  24-28
  3.5 电磁场数值计算  28-37
    3.5.1 空载磁场计算  28-30
    3.5.2 空载反电势计算  30-32
    3.5.3 齿槽转矩计算  32
    3.5.4 电磁转矩计算  32-33
    3.5.5 铁心损耗及电机效率计算  33-37
  3.6 本章小结  37-38
第4章飞轮转子应力分析及强度校核  38-47
  4.1 引言  38
  4.2 实心飞轮应力分析  38-43
    4.2.1 算法验证  38-42
    4.2.2 应力分析  42-43
  4.3 飞轮转子应力分析与强度校核  43-46
    4.3.1 飞轮转子的建模  43
    4.3.2 飞轮转子应力分析  43-44
    4.3.3 飞轮转子强度校核  44-46
  4.4 本章小结  46-47
第5章飞轮轴系振动模态分析及临界转速计算  47-57
  5.1 引言  47
  5.2 单盘转子的振动  47-50
    5.2.1 单盘转子的涡动  47-49
    5.2.2 陀螺效应的影响  49-50
  5.3 振动模态分析的算例验证  50-51
  5.4 飞轮轴系振动模态分析及临界转速计算  51-55
    5.4.1 飞轮轴系振动模态分析  51-53
    5.4.2 飞轮轴系的临界转速计算  53
    5.4.3 中空结构的动力学简化模型  53-55
  5.5 本章小结  55-57
第6章飞轮轴系的质量偏心不平衡响应  57-69
  6.1 引言  57
  6.2 单盘转子的质量偏心不平衡响应  57-59
  6.3 飞轮轴系的质量偏心不平衡响应  59-63
    6.3.1 完整模型求解不平衡响应  59-60
    6.3.2 简化模型求解不平衡响应  60-63
  6.4 弹性环式挤压油膜阻尼器的设计  63-68
    6.4.1 结构设计  63-64
    6.4.2 阻尼系数计算  64-68
  6.5 本章小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-75
致谢  75

飞轮储能系统电机设计与动力学分析

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