基础激励下立式磁悬浮储能飞轮转子系统的振动特性分析

【摘要】：飞轮储能系统是通过高速旋转的飞轮实现能量储存与释放的一种储能装置。为了减少能量损失,飞轮转子安装在真空环境中,并由电磁轴承支承。本文以立式磁悬浮飞轮储能系统为研究对象,分析了在6000rpm转速下转子的振动特性及其在外部基础激励下的动态响应。根据电磁力计算公式推导了电磁轴承电磁支承力的模型,计算了电磁轴承的等效刚度与等效阻尼,分析了控制参数对电磁轴承等效刚度与等效阻尼的影响;根据拉格朗日能量方程、欧拉角和陀螺力矩的相关理论,建立了包含基础在内的磁悬浮飞轮转子-基础十自由度耦合动力学微分方程。在已建立的动力学微分方程的基础上,采用龙格-库塔法计算了飞轮储能系统的各自由度下的固有频率和转子的临界转速,并与Workbench仿真软件的计算结果进行对比,得到了系统的坎贝尔图;当自由转动的飞轮储能系统受到径向瞬时冲击、简谐激励和随机激励时,通过数值计算的方法得到了对应的转子运动轨迹,分析了在不同外部基础激励时的转子的振动响应。当转子转速接近临界转速或外部基础激励频率接近于系统某个固有频率时,转子会发生共振。通过已建立的转子动力学微分方程分析了具有质量偏心的转子-基础系统的运动轨迹,通过数值计算的方法得到了飞轮转子和基础的振动时域轨迹图和频域图,分析了质量偏心转子-基础系统的振动特性,同时分析了在转子质量偏心与外部基础激励同时作用下系统的振动响应;通过比较转子在不同支承刚度下的振动图像,分析了基础支承刚度对转子振动的影响。对600Wh飞轮储能试验样机进行调试和数据采集,分析了600Wh储能飞轮转子在实际运行过程中的振动响应,通过对数据的滤波处理得到了转子的振动波形和上、下轴承处的振幅和振动轨迹,通过对振动轨迹图像和频域图的分析验证了计算结果的正确性。