飞轮电池储能关键技术研究.pdf
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1、合肥工业大学博士学位论文匕轮电池储能关键技术哒 合肥工业大学博士学位论文摘 要飞轮电池是一种新型机电能量转换与储存装置,具有大储能量、高功率、无污染、高效 率、适用广、无噪声、长寿命等优点,有着广阔的应用前景。它主要由高速飞轮转子、磁浮 轴承系统、电动/发电机等组成,是一种典型的机电磁一体化产品。其研究涉及到机械、材料、电工、热工、计算机等多学科的交叉,国内外目前大都在研究原型装置,对设计理论与方法 尚未进行系统深入的研究,本论文则对飞轮电池储能涉及的两大关键技术飞轮转子设计 与英浮轴承及其相关技术进行了系统的理论分析与仿真研究。(第一章阐述了课题的研究背景与意义,分析了飞轮电池的储能原理及其
2、关健技术,综述 了国内外的研究现状及其应用前景,提出了本论文研究的主要内容。第二章对飞轮电池储能能力及其影响因素进行了分析,对不同材料飞轮的储能能力进行 了比较和分析。在分析了飞轮转子各种应力分析方法优缺点的基础上,对不同材料不同结构 的飞轮转子的应力分布作了定量分析和比较。推导了复合材料飞轮的应力计算公式,并对飞 轮转子应力分布的影响因素进行了分析研究,提出了飞轮转子结构参数的设计方法。第三章对永磁轴承的稳定性进行了分析,提出了改善稳定性的方法,推导了永磁轴承磁 力与刚度计算公式,对各种构型永磁轴承的性质进行了分析研究。提出了采用有限元法分析 永磁轴承力学特性的分析方法,并就轴承结构参数对轴
3、承力学特性的影响进行了研究。第四章对电磁轴承的基本理论进行了研究。在磁路分析的基础上,推导了磁力、磁通密 度和电感的计算公式。并对电磁轴承的两种电磁结构无永磁偏置与有永磁偏置电磁铁的 电磁力计算方法进行了研究,提出了一种引入修正系数的磁路计算方法,并对基于PD和PID 控制的电磁轴承力学特性进行了研究。第五章在分析了各种磁轴承系统拓扑结构的基础上,提出了一种新型的由径向永磁轴承 与轴向电磁轴承组成的单轴主动控制的飞轮电池磁轴承系统结构。对磁轴承系统的结构配置、结构参数计算、轴承悬浮特性等方面进行了详细分析与讨论,并建立了系统动力学模型。第六章在上述理论研究的基础上,提出了飞轮电池较为系统的设计
4、过程和方法,并通过 对一种新型飞轮电池装置主体结构全面的设计分析与仿真研究,包括金属飞轮与复合材料飞 轮的设计、永磁轴承与电磁轴承的结构计算、控制系统设计以及电机选择、充放电控制等,验证了其设计方法的可行性。第七章对全文的研究工作进行了总结,给出了主要的研究成果和结论,并分析了本论文 的主要创新点,提出了有待进一步深入研究的问题方飞轮电池是一种应用前景广阔的新型绿色动力电池,论文对其储能关键技术的研究,既 有很大的理论和技术难度,又有重大的工业应用价值。关键词:飞轮电池,飞轮转子,永磁轴承,电磁轴承,力学特性,结构设计合肥工业大学博士学位论文ABSTRACTFl ywheel battery
5、is a novel energy storage devic e whic h c an real ize energy c onversion between mec hanic al energy and el ec tric energy.It has many advantages inc l uding high energy storage,high power,no pol l ution,high storage effic ienc y;wide appl ic ation,noise free,l ong c yc l e l ife,and so on.Fl ywhee
6、l battery is a typic al l y el ec tromec hanic al and el ec tromagnetic al produc t with some main parts:high speed fl ywheel,magnetic bearing system,motor/generator,etc.The study of fl ywheel battery c onc erns the interc ross of many disc ipl ines,suc h as mec hanism,material,el ec tronic engineer
7、ing,heat engineering,c omputer,and so on.In this dissertation,two main k ey tec hniq ues,the high speed fl ywheel rotor and the magnetic bearing,are investigated deepl y and systematic al l y.The main c ontents of this dissertation are as fol l owing:In Chapter 1,the bac k ground,sourc e,purpose and
8、 signific anc e of the subjec t are introduc ed.The princ ipl e and k ey tec hniq ues of energy storage for the fl ywheel battery are anal yzed.The international researc h situation and appl ic ation prospec ts of fl ywheel battery are al so presented.Based on this,the author brings up the main stud
9、ying c ontents of this dissertation.In Chapter 2,the energy storage abil ity of the fl ywheel battery and its affec ting fac tors are anal yzed.The energy storage abil ity of different material fl ywheel s are c ompared and anal yzed.On the basis of the anal ysis of al l sorts of stress anal ysis me
10、thods,the stress distributions of fl ywheel rotors with different struc tures and different material s are anal yzed q uantitativel y and c ompared.The c omputation expressions of the stress fbr c omposite fl ywheel are derived.The affec ting fac tors on the stress distribution for the fl ywheel rot
11、ors are anal yzed and investigated.And the design method of struc ture parameters for the fl ywheel rotor is presented.In Chapter 3,the stabil ity of permanent magnet bearings is anal yzed.And the modified methods whic h c an improve the stabil ity of the permanent magnet bearings are studied.The c
12、omputation expressions of the magnetic forc e and stiJBfhess of the permanent magnet bearings are derived.The c harac teristic s of the magnetic bearings with different struc tures are studied.The anal ysis method is presented,whic h c an anal yze the mec hanic al c harac teristic s of permanent bea
13、rings by using finite el ement method.And the infl uenc e of the struc ture parameters on c harac teristic s of the bearings is studied.In Chapter 4,the basic theory of magnetic bearings is investigated.Based on the anal ysis of the magnetic c irc uit,the c omputation expressions of the magnetic for
14、c e,magnetic fl ux density and induc tanc e are derived.Two c al c ul ation methods of the el ec tromagnetic forc e are studied fbr two typic al c onfigurations of the magnetic bearings.One c onfiguration util izes the permanent magnet to provide a bias fl ux and the other c onfiguration has no sour
15、c e of bias fl ux.Based on the simpl ified anal ytic al model,an improved anal ytic al model is devel oped by adding c orrec tion fac tors to the 合肥工业大学博士学位论文simpl ified model.The c harac teristic s of the magnetic bearings are studied based on PD and PID c ontrol strategies.In Chapter 5,based on th
16、e anal ysis of al l sorts of topol ogy struc tures of magnetic bearing systems,one singl e-axis c ontrol l ed system struc ture of hybrid magnetic bearings fbr fl ywheel battery is presented,whic h is made of two radial permanent magnet bearings and one axial magnetic bearing.The c omputation of the
17、 struc tural parameters and the suspension c harac teristic s of the magnetic bearing system are anal yzed and disc ussed in detail s.And the system dynamic model is buil t.In Chapter 6,on the basis of the above theory studies,the design proc ess and method of the fl ywheel battery is presented.The
18、feasibil ity of the design method is al so verified through the designing a smal l fl ywheel battery devic e.The design c ontents inc l ude the design of the fl ywheel rotor of metal and c omposite material s respec tivel y,the struc ture c omputation of the permanent magnet bearing and magnetic bea
19、ring,the c ontrol design of the magnetic bearing system,the sel ec tion of the motor/generator and the c ontrol mode of energy input and output,and so on.The design sampl e and simul ation resul ts are al so provided.In Chapter 7,the main researc h findings and c onc l usions of whol e thesis are su
20、mmarized.Til e main innovations are mentioned.And the future researc h projec ts of the fl ywheel battery are proposed.As a novel and green power battery,the fl ywheel battery has broad appl ic ation prospec ts.In this dissertation,the investigations on the k ey tec hniq ues of the energy storage fb
21、r fl ywheel battery,not onl y overc ome many theory and tec hnic al diffic ul ties,but al so have great val ue in industrial appl ic ation.Key Words:Fl ywheel battery,Fl ywheel rotor,Permanent magnet bearing,Magnetic bearing,Mec hanic al c harac teristic s,Struc ture design合肥工业大学博士学位论文致 谢论文是在导师赵韩教授的
22、精心指导和热情关怀下完成的,在此逆向导师表示最衷心的感 谢和最真挚的敬意。在我攻读博士学位期间,无论在学业、工作上,还是在生活上,都得到 了赵老师悉心的指导和真诚的关怀。特别是赵老师为学生创造了良好的科研条件和环境,将 作者引入到一个全新而宽广的学科研究领域,生活上给予极大的关怀和帮助,学生在研究工 作中取得的每一点进步和成绩都浸注了赵老师大置的心血与汗水。赵老师治学严谨,诚恳待 人,诲人不倦。赵老师宽广的知识面、活跃开阔的思维,对问题敏锐的洞察力,对科学的浓 厚兴趣,对学科的深刻认识,对产业的深入理解,都给我留下了深刻的印象。他那严谨治学 的态度、忘我敬业的精神、平易近人的工作作风,永远是学
23、生学习的楷模,无时无刻不在感 染和激励着学生不断开拓和进取。衷心感谢师母张辉女士三年来对我学习、生活和工作等方面的帮助、关心和照顾。衷心感谢新型机电传动与控制研究所成员杨红博士后、董玉德博士后、田杰博士后、陈 科博士、黄康博士、王其东博士、钱立军博士、王勇博士、方艮海博士、高先圣博士、吕召 全硕士、朱凌云硕士、张彦硕士、张斌斌硕士、刘琼学士等在学习、工作上的帮助。衷心感谢机械与汽车工程学院刘正士教授、桂贵生教授仔细审阅了全文,并提出了宝贵 的意见.衷心感谢机械与汽车工程学院机械零件教研室各位老师的帮助和关心。衷心感谢上海交通大学机械与动力工程学院叶铭博士的帮助和关心。衷心感谢大学本科、硕士、博
24、士各阶段的同学们,在与他们的一次次交流使我得以不断进步和提高。我能够专心学习,顺利完成学业,与我的父母、哥嫂的培养、鼓励和支持,女友袁晓梅 的鼓励、支持和帮助,以及她的父母的培养、鼓励和支持是密切相关的,在此向他们表示最 诚挚的感谢。感谢文中引用文献的所有作者们。感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。合肥工业大学博士学位论文第一章绪论1.1 引言21世纪人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战,环境和能源问题已成为全球 最重要的话题。面对6。多亿巨大的人口,人类对能源的需求量越来越大。人们强烈地意识到,一方面要大力开发太阳能、风能等新能源和可再生能源,另一方面要大力节省能源、高
25、效利 用能源。然而,能量存储是实现能源高效利用的重要途径,是当今社会解决能源危机的一个 重要方向。为此,无论是先进国家,还是发展中国家都制定出各自的政策,开展多种能源相 关技术的研究和开发,以达到用洁净的能源满足人民生活的需要。飞轮储能(Fl ywheel Energy Storage)是一种古老的储能思想。飞轮作为一种简单的机械 储能元件,已被人类利用了数千年。在古代从陶工的制坯机械、古老的纺车,到18世纪工业 革命时期发明的蒸汽机:在现代从小孩玩具、汽车发动机,到航天飞行器姿态控制用的陀螺,都用到了飞轮。但这些大大小小的飞轮都是以均速为目的,储存的能量少,储存的时间短。然而,一种以大容量储
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