飞轮电池转子动力学分析与仿真

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飞轮电池由于具有一系列独特的性能,已经成为电池行列的一支新生的力量,并在许多方面有取代化学电池的趋势。随着新型复合材料和稀土永磁材料、电机技术、磁悬浮技术和电力电子技术的飞速发展,其应用涉及到航空航天、电动汽车、分布式发电系统、电力质量与蓄能发电、不间断电源等等领域。本文对飞轮电池系统磁悬浮支承磁力轴承耦合情况和转子动力学进行了全面、系统的研究和仿真,主要目的了解转子固有频率,保证转子的振型,振动位移在一定合理的范围内变化,避免发生故障,提高飞轮电池运行的稳定性。  本文所做的工作主要有以下几个方面:  为了研究转子动力学特性,必须了解转子上面磁力轴承的磁力和刚度的变化。介绍了飞轮电池的磁悬浮支承轴承和自归位轴承的模型和磁力计算理论。本文借助有限元法,在不同充磁方向,计算出永磁轴承磁力,探讨锥形磁力轴承磁力的变化,以及刚度的变化情况,不同偏移位移下,转子中导体环产生自归位磁力和刚度的变化。  其次利用PROE和ANSYS软件对常见8种常规转子模型进行计算、仿真,根据计算结果对其进行评价,挑选出理想的转子物理模型。采用振动力学对飞轮电池转子动力学进行了分析,建立转子动力学数学模型。考虑在许多实际的问题中外界的力会引起的飞轮电池内部振动,通过适当改变飞轮电池箱体与地基上连接的减震物的刚度和阻尼,达到减震的效果。  然后探讨转子动力学特性,一种在无外力的情况下,其在轴承约束下,分析转子的振型、位移、固有频率;在没有轴承约束下转子的振型、位移、固有频率,进而讨论两种方式下产生转子的振型、位移、固有频率的差异。利用转子固有频率,计算转子的临界速度,归纳出转子支承磁力刚度与转速之间的关系。  另一种在有外力的情况下,第一种情况是均布载荷,利用ANSYS软件中的稳态响应模块对飞轮转子动力学进行求解,得到转子幅频响应的曲线;第二情况通过加载简谐力和位移,两组不同的刚度和阻尼,建立的微分方程。利用龙格库塔法Runge-Kutta来求解转子动力学方程,可以快速得出结果转子3处轴心处位移图,探讨转子的自归位效果。
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