飞轮储能系统的动力学仿真分析

飞轮储能技术是一种新型的机电能量转换与储存系统,它具有大储能量、高功率、无污染、高效率、适用广、无噪声、长寿命等许多优点,具有广阔的应用前景。采用三维建模软件UG建立飞轮储能系统的三维模型,并且通过大型有限元分析软件ANSYS建立飞轮储能系统的有限元模型,然后对该飞轮储能系统进行模态分析和转子动力学分析,研究并得到飞轮储能系统的固有频率和相应振型、临界转速等动态特性,为飞轮储能系统的设计和结构优化奠定了基础。     

电磁力超前控制在磁悬浮飞轮中的应用

对于具有强陀螺效应的磁悬浮飞轮系统,在实际运行时其章动与进动模态会对转子高速下的稳定性产生影响,必须有效地对其进行抑制,以使磁悬浮飞轮系统运行到工作转速。传统的PID控制已经难以满足系统的要求。给出了一种新的抑制磁悬浮飞轮章动的方法——电磁力超前控制。这种方法结合位移交叉能同时对章动与进动进行抑制,并且实现简单。对方法的有效性进行了理论分析,并给出了仿真结果及部分试验数据。     

曲轴-飞轮组合有限元模态测试和模态分析

根据与广西玉柴机器股份有限公司合作项目的要求,对曲轴-飞轮组合进行试验模态分析获取其固有频率、振型和阻尼,对建立的模型进行有限元模态分析,将计算结果与试验结果对比分析。通过有限元模态分析与模态测试结果的对比,验证了有限元模态分析模型与结果合理性。     

磁悬浮飞轮转子系统动态试验分析

以600 Wh飞轮储能系统为研究对象,为计算飞轮转子系统的临界转速分布及评估在高转速下运动稳定性,采用SolidWorks进行三维建模并导入有限元软件SAMCEF Rotor求解其临界转速和模态振型。对飞轮储能系统进行升降速试验采集动态试验数据并通过时域图、频域图、轴心轨迹图进行分析。将有限元分析与试验数据进行对比,结果表明:飞轮转子系统在临界转速时振幅明显大于稳定转速时,在工作转速中,轴心轨迹重复性较好,没有超过气隙值0.3 mm,稳定性良好,为不同储能飞轮转子的改善和设计提供参考和依据。     

基于HyperMesh的磁悬浮储能飞轮模态分析

以模态分析的相关理论为依据,在Hyper Mesh环境下建立了某磁悬浮储能飞轮模态分析模型,利用Radioss求解器求解并提取前6阶固有频率与振型。利用springs单元模拟磁轴承,利用bolt单元与接触单元contact装配零件使计算模型更加接近实际储能飞轮装置。利用单自由度法对系统进行实验模态分析。计算分析结果表明,磁悬浮储能飞轮在低频段的振动模态主要为转子的刚性偏转,在高频段的振动模态主要为定子弯曲与轴向上下振动、转子弯曲振动。模态分析结果为磁悬浮储能飞轮的动态性能研究、结构总体设计优化以及系统控制策略建立提供了重要理论依据。     

接触应力对飞轮转子动力特性的影响

飞轮储能系统中转轴与其过盈配合部件之间的接触应力对转子动态特性有十分重要的影响.以600Wh飞轮储能系统为研究对象,通过理论计算得到各配合处过盈量的范围,并运用有限元分析工具AnsysWorkbench建立有限元模型,通过在轴上各过盈配合处设置过盈量,分析了不同过盈量下对转子系统的应力和模态振型的影响.仿真结果表明,过盈量的选取满足系统的性能要求,不同的过盈量对转子系统的模态和应力有很大的影响,接触应力在同类型飞轮储能系统有限元分析时不能忽略.     

复合材料储能飞轮挠性结构振动的磁轴承控制

储能密度是储能飞轮的重要指标之一,选用碳纤维、玻璃纤维复合材料的储能飞轮可以有效提高储能密度,同时,选用磁悬浮支承则可以适应真空环境及减少损耗。但是,由此也增加了结构的复杂性,例如,连结飞轮转子中金属部件与复合材料之间的挠性薄壳轮毂具有不同于常规刚体飞轮的动力学模型特性。针对薄壳结构的模态振动特征与陀螺效应控制之间的矛盾,描述一种具有挠性结构储能飞轮的磁轴承控制方法。在模态分析的基础上,利用多通道添加相位整形的控制方法有效抑制了系统中的挠性结构的模态振动。试验结果表明,使用所设计的控制器,转子可平稳通过中心频率为340 Hz的轮毂——心轴挠性模态振动区域,运行转速475 Hz(28 500 r/min),轮缘最大线速度达到450 m/s,并成功实现飞轮的充放电过程。     

飞轮材料对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响

为了解磁悬浮轴承转子系统动态特性,进而对其结构进行优化设计,建立了磁悬浮轴承转子系统的动力学模型,假设磁轴承是具有一定刚度的弹簧模型,以7075铝合金材料飞轮为突破口,利用ANSYS Workbench进行转子系统的模态分析,得到了转子的固有频率和振型;并针对不同飞轮材料对转子系统固有频率的影响规律进行对比研究,得出7075铝合金作为飞轮材料优于其他3种合金材料的结论,为转子系统的结构设计和优化提供了重要参考。     

基于特征的复合材料飞轮参数化建模及其在模态分析中的应用

运用基于特征的参数化建模技术建立了某复合材料飞轮实体模型，并采用ANSYS8．0软件对其进行模态分析，计算出该飞轮前十阶固有频率转速。     

高速冲床曲轴飞轮结构动态特性分析

随着先进技术及其装备的快速发展,零部件的加工精度变得越来越重要,其中冲压成型件在航空航天及汽车制造领域有着广泛的应用,而冲压成型零件加工过程中的平稳性是影响零件质量的重要因素。高速冲床在工作过程中主要依靠曲轴飞轮结构提供动力,曲轴飞轮运转的平稳性体现了零件加工质量的优劣,直接影响加工产品的使用效率。以曲轴飞轮为研究对象,借助Solidworks绘制了结构的三维模型,同时建立了曲轴飞轮结构的运动函数,结合ADAMS动力学软件及MATLAB获得了曲轴连杆运动过程的动力学特性变化,得到曲轴飞轮的冲压载荷为330 k N范围。利用ANSYS对曲轴飞轮进行了模态仿真分析,获得了结构前六阶模态振型以及固有频率,结合谐响应分析,利用模态叠加法对曲轴和飞轮盘进行了谐响应分析,得到了平台在正常运行工况下不同频率处的位移变化特性曲线,找到了在5阶（1160.5Hz、）、6阶（1160.4 Hz）对高速冲床曲轴飞轮结构的动态特性影响最大,为合理优化设计曲轴飞轮结构提供重要参考,有利于避开共振的破坏,提高结构的使用寿命。     

Rotor dynamics analysis and experiment study of the flywheel spin test system

The strength study of the flywheel is important to the flywheel energy storage. The motor and bearing are the key challenges for the high-speed flywheel spin test device in vacuum. By using a small stiffness pivot-jewel bearing and a spring squeeze film damper as the lower support of the flywheel, a simple spin system was designed at a low cost and is suitable for longtime operation. The auxiliary support at the top was not removed until the flywheel passed the first critical speed. The flywheel that kept its rigid state in sub-critical state was tested at the high speed without the top support. The dynamic model of the flywheel-bearing-damper was built by means of the Lagrangian equation to calculate critical speeds, mode shapes and modal damping ratios at different speeds. The lower damper??s effects on the modal damping ratios and forced vibration were discussed. The vibrations of the flywheel-bearing-damper system were measured at the different damping coefficients in the experiment. When the lower damper was adjusted to be overdamped, the flywheel ran up to 50000 r/min steadily, and the experimental result was in agreement with the theoretical assumption. The sub-critical rotor dynamics design and pivot-jewel bearing proved to be good solutions to the spin test for the composite flywheel.     

飞轮储能的两种支承结构比较分析

飞轮储能具有储能密度高、寿命长、不受充放电次数限制等特点,是目前最有发展前途的储能技术之一。分析了两种支承结构的飞轮系统形式,从理论分析上比较了两种不同的支承方式下飞轮系统的特点。结果表明,采用3自由度磁力轴承支承方式的飞轮系统具有良好的发展前景。     

双质量飞轮式扭振减振器性能检测试验台的设计

双质量飞轮是一种新型的扭振减振器,能够有效地降低车辆传动系统的扭转振动和噪声.当前国内对双质量飞轮的研究处于起步阶段,尚无成熟的性能检测方法与手段.通过对双质量飞轮减振原理分析,建立了双质量飞轮系统的扭振模型,提出性能检测试验台的设计方法.试验台具有适应性强,试验过程易控制,检测效率高等特点,其应用可有效降低双质量飞轮式扭振减振器实车检测的危险.通过台架试验结果,验证其可以有效检测出传动系统的扭振状况,为双质量飞轮减振效果的评估、双质量飞轮的设计、发动机-动力传动系统参数的匹配性设计提供参考.     

四缸内燃机曲轴-飞轮组结构模态分析

应用Pro/Engineer软件建立了某四缸内燃机的曲轴-飞轮组的三维实体模型,在此基础上应用ANSYS软件对其进行了有限元结构模态分析.研究结果表明:曲轴-飞轮组的结构振动模态在低频段为整体、同步的简单弯曲、扭转振动模态,在高频段为各部分不同步的弯曲、扭转或弯扭组合振动以及复杂的局部振动;以弯曲、扭转及弯扭组合为主要特征的曲轴一飞轮组各阶振动模态极易被作用在曲柄销上的连杆冲击力所激发,因此.在对内燃机曲轴一飞轮组进行设计时.需要在模态分析基础上对其动力学特性进行优化.以保证内燃机获得良好的动力学性能.     

小卫星姿态控制飞轮系统热设计

为了满足小卫星姿态控制飞轮系统热设计的要求,对飞轮系统的热特性进行了分析和试验验证。根据飞轮运行工况,分别对飞轮系统机械损耗和电控损耗进行了理论计算,确定了系统主要热源点的分布情况。然后,依据系统拓扑结构,建立了整机的等效热网络模型;采用有限元法,分别对飞轮相关组件和整机在卫星连续侧摆工况下的热特性进行了分析。最后,研制了实验样机,并对样机进行了热真空试验。在经过8h卫星连续侧摆机动工况下的实验结果表明:当环境温度为45.0℃时,监测点最后平衡温度约为57.8℃,相对于有限元分析结果的53.2℃,误差为8.6%,表明热分析结果与试验结果吻合度较好,可为姿态控制飞轮系统的热设计提供重要参考。     

引入摩擦的周向短弹簧汽车双质量飞轮分析模型及扭振固有特性

首次将摩擦引入周向短弹簧汽车双质量飞轮的转矩和转角关系的分析计算,获得了与测试结果基本一致的转矩特性曲线的力学模型。由所建立的发动机—双质量飞轮式扭振减振器—传动系的动力学模型,分析各参数对系统固有频率的影响。将利用摩擦实现增大转矩和过载保护的理念引入双质量飞轮的设计,为高性能双质量飞轮的产品的开发提供设计思路,揭示引入摩擦的双质量飞轮减振器优良减振的内在本质。得到考虑摩擦特性的分析模型更具真实性和更有利于提高产品的减振性能的结论,以及使共振转速完全被隔离在发动机的工作转速之外,可通过调整双质量飞轮的扭转刚度k1和初级飞轮转动惯量J1及次级飞轮转动惯量J2而实现,增加J1而减小J2对避免共振的产生是有利的。     

轴向磁通飞轮电机印刷电路板定子绕组设计

针对卫星姿态控制用反作用飞轮小型化的要求,设计了采用印刷电路板(PCB)定子绕组形式的轴向磁通反作用飞轮系统,并研究了PCB定子绕组的布线形式。根据系统设计方案和工艺的要求,采用理论分析与有限元仿真相结合的方法,研究了螺旋形绕组的反向转矩产生机理,对比分析了螺旋形和波形PCB定子绕组对飞轮驱动电机性能的影响,并分别对采用两种形式定子绕组的飞轮样机进行了地面性能测试。试验结果表明,飞轮工作在额定转速5 000r/min时,采用波形定子绕组比采用螺旋形定子绕组时的电机功耗降低了26.2%,电磁效率降低了0.8%。试验结果验证了理论分析与仿真结果的正确性,为PCB定子绕组型轴向磁通永磁电机的工程化应用提供了参考。     

600Wh飞轮转子形状优化设计

介绍了极限转速为15000r/min,储能量为600wh的空心飞轮转子的优化设计方法,根据飞轮储能系统设计要求利用三维软件SolidWorks对飞轮模型进行建模与有限元软件ansys workbench进行仿真分析与优化,首先进行初步建模,然后通过改变其模型轮辐曲线找到更优的飞轮形状并提取其轮辐曲线的结构参数,再通过多目标遗传算法对飞轮转子进行优化设计及研究,以飞轮质量更轻,极转动惯量更大以及应力应变更小为约束条件,提取其飞轮结构几何尺寸为设计变量进行优化,得出一种更优的飞轮结构形式。结果表明,优化后得到的飞轮转子形状较原模型相比性能更佳。     

螺旋飞轮运动转换系统的机电比拟设计理论研究

在机械振动系统中采用螺旋飞轮运动转换系统,可以降低系统总质量,并获得良好的振动特性。为了推广螺旋飞轮的应用,降低集成设计的复杂性,通过对螺旋飞轮进行动力学分析,将其动力学特性进行封装。在传统力—电流机电比拟理论的基础上,提出一种新的无并联接地约束的电容元件来比拟螺旋飞轮,一方面解决了螺旋飞轮的比拟对象问题,另一方面完善了传统的机电比拟理论。应用电路网络的方法来研究机械振动网络的设计问题,给出基于螺旋飞轮机电比拟的机械振动系统的设计步骤。按照所提出的设计理论,在一个单自由度隔振系统实例中设计应用螺旋飞轮,实现传统振动元件无法实现的新型机械网络和隔振效果。结果表明所提出理论方法的有效性,为在机械振动系统中集成设计螺旋飞轮运动转换系统奠定了理论基础。