飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)推力盤(pán)布局優(yōu)化分析

任正義，楊立平，曹志好，曹飛，孫正路

(哈爾濱工程大學(xué) a. 工程訓(xùn)練國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心; b. 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

目前，能源供應(yīng)與需求不平衡的矛盾普遍存在于全世界，世界各國(guó)對(duì)于能源的開(kāi)發(fā)也日益重視，傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式已不能滿足人們對(duì)能源的需求，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的出現(xiàn)對(duì)能源儲(chǔ)存與不間斷電池領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)實(shí)質(zhì)性的革命[1-2]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)日漸成熟，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是一直研究的重點(diǎn)。ARSLAN對(duì)6種不同橫截面形狀的金屬飛輪性能進(jìn)行了研究分析[3]。PANDA和DUTT采用梯度法對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸承參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的響應(yīng)達(dá)到最小和轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大[4]。楊萍為解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)固有頻率的問(wèn)題，提出結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改的靈敏度方法[5]。徐登輝對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的軸系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，提出了一種以輕量化為目的的軸系優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[6]。本文在現(xiàn)有飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局的基礎(chǔ)上，對(duì)推力盤(pán)位置進(jìn)行改進(jìn)，分析3種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

1 飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是由飛輪本體、電/發(fā)一體機(jī)、徑向主動(dòng)電磁軸承、軸向磁懸浮軸承、推力盤(pán)、滾動(dòng)保護(hù)軸承等主要部件組成。飛輪儲(chǔ)能轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的保護(hù)軸承、動(dòng)發(fā)一體機(jī)的模型示意圖如圖1所示,此結(jié)構(gòu)為推力盤(pán)夾式安裝。

1—上徑向電磁軸承；2—軸向電磁軸承；3—飛輪本體；4—下徑向電磁軸承；5—轉(zhuǎn)子主軸；6—推力盤(pán)。圖1 軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的上部安置上徑向電磁軸承，下部對(duì)應(yīng)安置下徑向電磁軸承，主要作用為在工作狀態(tài)下提供徑向控制電磁力[7]。上徑向電磁軸承下方安置軸向電磁軸承-推力盤(pán)系統(tǒng)，其主要目的是為飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供支撐懸浮力，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)可以平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量使其懸浮，飛輪本體安置在軸向電磁軸承與下徑向電磁軸承之間，是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)、放能量的核心部件。在轉(zhuǎn)軸上下兩端還安裝了滾動(dòng)保護(hù)軸承，在意外情況下可以有效地保護(hù)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

2 飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)推力盤(pán)位置改進(jìn)

軸向電磁軸承-推力盤(pán)系統(tǒng)的主要作用是對(duì)整個(gè)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重力進(jìn)行卸載，使飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在軸向方向懸浮，并對(duì)其軸向振動(dòng)進(jìn)行彈性阻尼控制[8]。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡陀螺效應(yīng)時(shí)，其位置決定了陀螺效應(yīng)的支撐點(diǎn)，而支撐點(diǎn)直接影響不同軸端處橫截面軸心軌跡幅度的大小。如圖2(a)所示，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)軸在底端支撐時(shí)，即按圖3(a)裝配圖裝配時(shí)，其由上到下各軸端橫截面的軸心軌跡由大變小，上徑向電磁軸承處轉(zhuǎn)子軸心軌跡，幅度大于下徑向電磁軸承處轉(zhuǎn)子軸心軌跡，上端擺動(dòng)幅度較大。按圖3(b)裝配圖裝配時(shí)如圖2(b)所示，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)軸在偏上端支撐時(shí)，其由上到下各軸端橫截面的軸心軌跡由大變小再變大。上下兩軸端擺動(dòng)幅度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)。

圖2 2種不同陀螺效應(yīng)支撐點(diǎn)

針對(duì)陀螺效應(yīng)支撐點(diǎn)不同導(dǎo)致上下2軸端軸心軌跡大小變化的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)另外2種推力盤(pán)安裝位置結(jié)構(gòu)：吊式安裝和嵌式安裝。

如圖3(a)所示的吊式安裝方式，從整體來(lái)看安裝位置在最上方，像“吊”在空中，其安裝方便，推力盤(pán)結(jié)構(gòu)較小，質(zhì)量較輕，但安裝處軸徑小，但懸浮支撐時(shí)容易出現(xiàn)類似鐘擺的擺動(dòng)現(xiàn)象。

如圖3(b)所示的嵌式安裝方式，從整體來(lái)看像“嵌”在飛輪中，其安裝靠近上下徑向電磁軸承中心處，安裝復(fù)雜，軸向電磁軸承定子固定困難，安裝處軸徑大，致使推力盤(pán)結(jié)構(gòu)較大，但這種安裝方式使飛輪轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生陀螺效應(yīng)時(shí)上下徑向電磁軸承處位移幅度相差較小，對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子整體轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性好。

圖3 2種推力盤(pán)安裝位置結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示的600Wh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的夾式安裝方式，從整體來(lái)看安裝位置夾在上徑向電磁軸承與飛輪本體間，其安裝較復(fù)雜，軸向電磁軸承定子固定較容易，安裝處軸徑較大，這種安裝方式對(duì)于飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性影響處于前2種安裝方式的過(guò)渡狀態(tài)。在裝配如圖1所示的裝配體時(shí)，基本的技術(shù)要求是：

1) 必須按照設(shè)計(jì)、工藝要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝配；

2) 裝配工作環(huán)境必須清潔干凈；

3) 所有零件在裝配之前應(yīng)滿足清潔度要求；

4) 裝配時(shí)零件不允許有磕碰和劃痕等缺陷；

5) 裝配后的零件相對(duì)位置要精確；

6) 組裝完成后不得拆卸。

在進(jìn)行軸系裝配時(shí)遵循的原則是先進(jìn)行基礎(chǔ)部件的安裝，保證質(zhì)心穩(wěn)定，再進(jìn)行精密件、重要件的裝配。因此在裝配時(shí)由中間向兩端依次進(jìn)行裝配。首先從飛輪轂開(kāi)始裝配，向上依次是推力盤(pán)、徑向磁軸承轉(zhuǎn)子；向下依次是電機(jī)轉(zhuǎn)子、徑向磁軸承轉(zhuǎn)子。在進(jìn)行飛輪轂、徑向磁軸承轉(zhuǎn)子、推力盤(pán)、電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸裝配時(shí)，涉及到過(guò)盈裝配，采用的方法是熱脹法。熱脹法裝配時(shí)，最高加熱溫度不允許超過(guò)被加熱件的回火溫度。裝配完成后，首先對(duì)主軸進(jìn)行徑向跳動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)其彎曲程度；其次利用平衡機(jī)對(duì)軸系進(jìn)行動(dòng)平衡，達(dá)到所需要的平衡等級(jí)；最后進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)要求和規(guī)定，對(duì)軸系進(jìn)行全面的試驗(yàn)。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)仿真分析

3.1 飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與材料性能參數(shù)

通過(guò)三維軟件Soildwork對(duì)本實(shí)驗(yàn)用600Wh飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行仿真分析，其建模圖如圖4所示。

圖4 飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

由于飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜，并未采用直接生成法建模，而采用實(shí)體建模法進(jìn)行模型的導(dǎo)入與分析。在ANSYS Workbench中對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行前處理分析。飛輪轂、電磁軸承和推力盤(pán)的基本尺寸參數(shù)如表1、表2所示。

表1 飛輪轂基本尺寸及參數(shù) 單位：mm

表2 磁軸承和推力盤(pán)基本尺寸 單位：mm

3.2 配合方式與網(wǎng)格劃分

600Wh飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各部件在裝配過(guò)程中配合方式不同，其配合方式在ANSYS Workbench中處理方法為在工作樹(shù)中選擇Connections，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行配合方式的定義處理，各部件的配合方式有以下幾種：

1) 一體式

在飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，對(duì)于徑向電磁軸承上下端蓋、飛輪本體的上下端蓋等都做一體式(no separation)連接處理。

2) 無(wú)摩擦

在飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，對(duì)于兩部件相對(duì)無(wú)摩擦，例如推力盤(pán)與軸襯等都做無(wú)摩擦(frictionless)連接處理。

3) 過(guò)盈

在飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，對(duì)于兩部件過(guò)盈配合，例如飛輪本體與轉(zhuǎn)軸的配合、推力盤(pán)與轉(zhuǎn)軸的配合等都做過(guò)盈(bonded)連接處理。

根據(jù)剛性轉(zhuǎn)子特點(diǎn)，進(jìn)行有限元分析方法，對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?。主要針?duì)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜但較為規(guī)整，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)力學(xué)與動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，因此需要較為均勻的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

3.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真

飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下，其自身的力學(xué)性能有不同的差異[9]。對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析，可以看出，當(dāng)推力盤(pán)采用夾式、嵌式、吊式安裝方法時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能與變形情況如圖6所示。

圖6 3種結(jié)構(gòu)的變形圖

從圖6中可以看出，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子受到不平衡質(zhì)量產(chǎn)生離心力和徑向磁軸承處不平衡電磁力作用產(chǎn)生姿態(tài)的變化而發(fā)生不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，徑向電磁軸承會(huì)基于飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一個(gè)恢復(fù)力矩，對(duì)徑向電磁軸承轉(zhuǎn)子施加力矩，在對(duì)整個(gè)飛輪轉(zhuǎn)子施加7000r/min的轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，推力盤(pán)嵌式結(jié)構(gòu)的飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變形情況較為均勻，力學(xué)性能亦較好，而推力盤(pán)吊式安裝方法使整個(gè)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生分層變形，力學(xué)性能較差。夾式結(jié)構(gòu)處于兩者過(guò)渡狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)各部件變形也發(fā)生分層現(xiàn)象。不同結(jié)構(gòu)變形量結(jié)果如表3所示。

表3 不同結(jié)構(gòu)變形量表 單位：mm

從表3中可以看出，吊式對(duì)整個(gè)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變形影響最大，其最大變形發(fā)生在轉(zhuǎn)軸最下端；嵌式結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變形影響均勻，上、下徑向電磁軸承處變形相對(duì)接近，由于飛輪本體的安裝位置根據(jù)設(shè)計(jì)要求應(yīng)盡量處于轉(zhuǎn)軸軸向的中間處[10]，因此推力盤(pán)安裝位置滿足不了使上、下電磁軸承完全對(duì)稱安裝，其安裝位置處于飛輪本體下側(cè)，接近于下徑向電磁軸承，所以最大變形發(fā)生在轉(zhuǎn)軸的最上端；夾式結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變形影響較為均勻，推力盤(pán)安裝位置處于飛輪本體與上徑向電磁軸承中間處，因此飛輪本體與上徑向電磁軸承變形較為接近，但上、下徑向電磁軸承變形相差較大，其最大變形發(fā)生在轉(zhuǎn)軸最下端。

4 結(jié)語(yǔ)

以600Wh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合陀螺效應(yīng)特性，對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了推力盤(pán)1軸向電磁軸承系統(tǒng)位置的改進(jìn)，對(duì)不同的飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真與比較，得出3種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能由好到壞的順序是：嵌式結(jié)構(gòu)、夾式結(jié)構(gòu)、吊式結(jié)構(gòu)。

采用軸向電磁軸承-推力盤(pán)系統(tǒng)夾式安裝方法的飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心位移軌跡出現(xiàn)上徑向電磁軸承處小、下徑向電磁軸承處大的不穩(wěn)定現(xiàn)象，可以通過(guò)將推力盤(pán)安裝位置結(jié)構(gòu)改為嵌式結(jié)構(gòu)的方法得到改善。