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飞轮储能系统机电耦合非线性动力学研究

作　者: 鞠立华
导　师: 蒋书运
学　校: 东南大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 飞轮储能系统机电耦合机电分析动力学拉格朗日-麦克斯韦方程坐标轮换法
分类号: TM919
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

飞轮储能技术具有电能转换效率高、充放电快捷、不受地理环境限制、不污染环境、单位质量储能密度大等突出优势,在电力调峰;电动汽车的飞轮电池;风力、太阳能等发电系统的不间断供电等方面,应用前景广阔。追求大储能量,提高飞轮储能密度使得飞轮系统正向着高速化、大功率方向发展(如国际上飞轮转速可达20万转/分以上)。飞轮转子由于振动引起轴心位置的变化,影响着电磁场参数,而电磁场参数的变化又影响转子的运动与振动形态,两者交互作用。电机的电磁参数与飞轮机械系统的动力参数构成参数耦合,产生自激振动,影响飞轮系统的动力学性能,它不仅降低系统的运行稳定性,甚至会导致灾难性事故。现有的飞轮转子动力学模型中均略去电机参数对转子运动的影响,回避复杂的机电耦合问题,因此有很大的近似性与片面性。针对飞轮动力学研究现状,本文围绕飞轮系统机电耦合动力学而开展工作:(1)基于机电分析动力学基本原理,由广义拉格朗日-麦克斯韦方程建立永磁-机械轴承混合支承式飞轮储能系统的机电耦合非线性动力学数学模型,推导适用于二阶多自由度常微分方程组的四阶隐式龙格-库塔公式,运用高斯-牛顿法求解机电耦合非线性动力学代数方程组,进行飞轮储能系统机电耦合非线性动力学分析。分析结论表明:下阻尼器阻尼系数、电机转子稀土永磁体剩余磁感应强度等参数是影响飞轮储能系统机电耦合共振的关键因素。上阻尼器阻尼系数和支承刚度、下阻尼器支承刚度变化对飞轮储能系统的机电耦合共振频率没有明显的影响,但是使系统的共振峰幅值大幅降低。随下阻尼系数增加,系统的机电耦合共振频率增大,同时系统共振峰幅值下降。随电机转子稀土永磁体剩余磁感应强度增大,系统的机电耦合共振频率减小,同时系统共振峰幅值增大。(2)根据飞轮系统机电耦合动态特性数值模拟结果,选定电机转子稀土永磁体剩余磁感应强度、下阻尼器阻尼系数为设计变量,以|ωmax-ω0|为目标函数,运用坐标轮换法完成飞轮储能系统机电耦合非线性动力学特性解耦设计。研究结论表明:随着电机转子稀土永磁体剩余磁感应强度的减小,相反随着下阻尼器阻尼系数的增大,飞轮储能系统的固有频率逐渐增加,机电解耦设计的目标函数值先逐渐减小,而后逐渐增大;在可接受的误差范围内能够达到系统机电解耦设计的目标。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-14
  1.1 概述  10-12
  1.2 飞轮动力学国内外研究现状分析  12-13
  1.3 论文内容安排  13-14
第二章飞轮储能系统机电耦合非线性动力学模型  14-36
  2.1 概述  14
  2.2 机电耦合动力学方程组建立  14-35
    2.2.1 建模简化  14-15
    2.2.2 建模原理  15
    2.2.3 系统动能  15-19
    2.2.4 系统势能  19
    2.2.5 电机气隙磁场能  19-32
    2.2.6 系统耗散函数  32-33
    2.2.7 飞轮系统机电耦合动力学方程  33-35
  2.3 本章小结  35-36
第三章飞轮储能系统机电耦合非线性动力学特性分析  36-49
  3.1 概述  36
  3.2 机电耦合动力学方程组求解  36-41
    3.2.1 四阶隐式Runge-Kutta 公式  36-39
    3.2.2 高斯－牛顿法  39-41
  3.3 算例  41-47
    3.3.1 机械和电磁参数对动力学特性影响分析  42-47
  3.4 本章小结  47-49
第四章飞轮储能系统机电解耦设计  49-56
  4.1 概述  49
  4.2 机电解耦设计  49-55
    4.2.1 机电解耦设计的数学模型  49
    4.2.2 机电解耦设计的求解方法  49-51
    4.2.3 机电解耦设计  51-53
    4.2.4 机电解耦设计结果与分析  53-55
  4.3 本章小结  55-56
第五章结论和展望  56-58
  1 结论  56
  2 展望  56-58
参考文献  58-61
作者简介  61-62
致谢  62

飞轮储能系统机电耦合非线性动力学研究

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