飞轮储能系统推力盘布局优化分析

任正义，杨立平，曹志好，曹飞，孙正路

(哈尔滨工程大学 a. 工程训练国家级实验教学示范中心; b. 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

目前，能源供应与需求不平衡的矛盾普遍存在于全世界，世界各国对于能源的开发也日益重视，传统的储能方式已不能满足人们对能源的需求，飞轮储能系统的出现对能源储存与不间断电池领域带来了一场实质性的革命[1-2]。经过几十年的发展，飞轮储能系统日渐成熟，系统的稳定性也是一直研究的重点。ARSLAN对6种不同横截面形状的金属飞轮性能进行了研究分析[3]。PANDA和DUTT采用梯度法对转子系统的轴承参数进行了优化设计，使转子-轴承系统的响应达到最小和转子的失稳转速达到最大[4]。杨萍为解决结构复杂的转子-轴承系统固有频率的问题，提出结构动力修改的灵敏度方法[5]。徐登辉对飞轮储能系统的轴系进行了优化设计研究，提出了一种以轻量化为目的的轴系优化设计方案[6]。本文在现有飞轮储能系统结构布局的基础上，对推力盘位置进行改进，分析3种结构的力学性能。

1 飞轮转子系统结构

飞轮转子系统是由飞轮本体、电/发一体机、径向主动电磁轴承、轴向磁悬浮轴承、推力盘、滚动保护轴承等主要部件组成。飞轮储能转子系统的保护轴承、动发一体机的模型示意图如图1所示,此结构为推力盘夹式安装。

1—上径向电磁轴承；2—轴向电磁轴承；3—飞轮本体；4—下径向电磁轴承；5—转子主轴；6—推力盘。图1 轴系结构简图

飞轮储能系统中飞轮转子系统的上部安置上径向电磁轴承，下部对应安置下径向电磁轴承，主要作用为在工作状态下提供径向控制电磁力[7]。上径向电磁轴承下方安置轴向电磁轴承-推力盘系统，其主要目的是为飞轮转子系统提供支撑悬浮力，当飞轮转子系统旋转时可以平衡转子系统的质量使其悬浮，飞轮本体安置在轴向电磁轴承与下径向电磁轴承之间，是飞轮储能系统储、放能量的核心部件。在转轴上下两端还安装了滚动保护轴承，在意外情况下可以有效地保护飞轮转子系统。

2 飞轮转子系统推力盘位置改进

轴向电磁轴承-推力盘系统的主要作用是对整个飞轮转子系统重力进行卸载，使飞轮转子系统在轴向方向悬浮，并对其轴向振动进行弹性阻尼控制[8]。当飞轮转子产生不平衡陀螺效应时，其位置决定了陀螺效应的支撑点，而支撑点直接影响不同轴端处横截面轴心轨迹幅度的大小。如图2(a)所示，当飞轮转轴在底端支撑时，即按图3(a)装配图装配时，其由上到下各轴端横截面的轴心轨迹由大变小，上径向电磁轴承处转子轴心轨迹，幅度大于下径向电磁轴承处转子轴心轨迹，上端摆动幅度较大。按图3(b)装配图装配时如图2(b)所示，当飞轮转轴在偏上端支撑时，其由上到下各轴端横截面的轴心轨迹由大变小再变大。上下两轴端摆动幅度过大会导致转子系统失稳。

图2 2种不同陀螺效应支撑点

针对陀螺效应支撑点不同导致上下2轴端轴心轨迹大小变化的现象，设计另外2种推力盘安装位置结构：吊式安装和嵌式安装。

如图3(a)所示的吊式安装方式，从整体来看安装位置在最上方，像“吊”在空中，其安装方便，推力盘结构较小，质量较轻，但安装处轴径小，但悬浮支撑时容易出现类似钟摆的摆动现象。

如图3(b)所示的嵌式安装方式，从整体来看像“嵌”在飞轮中，其安装靠近上下径向电磁轴承中心处，安装复杂，轴向电磁轴承定子固定困难，安装处轴径大，致使推力盘结构较大，但这种安装方式使飞轮转子在产生陀螺效应时上下径向电磁轴承处位移幅度相差较小，对飞轮转子整体转动稳定性好。

图3 2种推力盘安装位置结构图

如图1所示的600Wh飞轮储能系统采用的夹式安装方式，从整体来看安装位置夹在上径向电磁轴承与飞轮本体间，其安装较复杂，轴向电磁轴承定子固定较容易，安装处轴径较大，这种安装方式对于飞轮转子系统稳定性影响处于前2种安装方式的过渡状态。在装配如图1所示的装配体时，基本的技术要求是：

1) 必须按照设计、工艺要求及相关标准进行装配；

2) 装配工作环境必须清洁干净；

3) 所有零件在装配之前应满足清洁度要求；

4) 装配时零件不允许有磕碰和划痕等缺陷；

5) 装配后的零件相对位置要精确；

6) 组装完成后不得拆卸。

在进行轴系装配时遵循的原则是先进行基础部件的安装，保证质心稳定，再进行精密件、重要件的装配。因此在装配时由中间向两端依次进行装配。首先从飞轮毂开始装配，向上依次是推力盘、径向磁轴承转子；向下依次是电机转子、径向磁轴承转子。在进行飞轮毂、径向磁轴承转子、推力盘、电机转子与轴装配时，涉及到过盈装配，采用的方法是热胀法。热胀法装配时，最高加热温度不允许超过被加热件的回火温度。装配完成后，首先对主轴进行径向跳动检测，检测其弯曲程度；其次利用平衡机对轴系进行动平衡，达到所需要的平衡等级；最后进行验收试验，根据相应的技术要求和规定，对轴系进行全面的试验。

3 结构改进仿真分析

3.1 飞轮转子系统结构与材料性能参数

通过三维软件Soildwork对本实验用600Wh飞轮转子系统结构进行模型建立，并导入ANSYS Workbench中进行仿真分析，其建模图如图4所示。

图4 飞轮转子系统结构模型图

由于飞轮转子系统结构模型复杂，并未采用直接生成法建模，而采用实体建模法进行模型的导入与分析。在ANSYS Workbench中对飞轮转子系统结构模型进行前处理分析。飞轮毂、电磁轴承和推力盘的基本尺寸参数如表1、表2所示。

表1 飞轮毂基本尺寸及参数 单位：mm

表2 磁轴承和推力盘基本尺寸 单位：mm

3.2 配合方式与网格划分

600Wh飞轮转子系统各部件在装配过程中配合方式不同，其配合方式在ANSYS Workbench中处理方法为在工作树中选择Connections，对各个部件进行配合方式的定义处理，各部件的配合方式有以下几种：

1) 一体式

在飞轮转子系统中，对于径向电磁轴承上下端盖、飞轮本体的上下端盖等都做一体式(no separation)连接处理。

2) 无摩擦

在飞轮转子系统中，对于两部件相对无摩擦，例如推力盘与轴衬等都做无摩擦(frictionless)连接处理。

3) 过盈

在飞轮转子系统中，对于两部件过盈配合，例如飞轮本体与转轴的配合、推力盘与转轴的配合等都做过盈(bonded)连接处理。

根据刚性转子特点，进行有限元分析方法，对飞轮转子系统进行有限元网格单元划分。主要针对飞轮转子系统进行仿真分析，其结构较为复杂但较为规整，需要对其结构力学与动力学进行分析，因此需要较为均匀的网格划分。网格划分如图5所示。

图5 网格划分

3.3 结构力学仿真

飞轮转子系统不同的结构在工作状态下，其自身的力学性能有不同的差异[9]。对飞轮转子系统不同结构进行力学仿真分析，可以看出，当推力盘采用夹式、嵌式、吊式安装方法时，飞轮转子的力学性能与变形情况如图6所示。

图6 3种结构的变形图

从图6中可以看出，当飞轮转子受到不平衡质量产生离心力和径向磁轴承处不平衡电磁力作用产生姿态的变化而发生不平衡转动时，径向电磁轴承会基于飞轮转子系统一个恢复力矩，对径向电磁轴承转子施加力矩，在对整个飞轮转子施加7000r/min的转动条件下，推力盘嵌式结构的飞轮转子系统变形情况较为均匀，力学性能亦较好，而推力盘吊式安装方法使整个飞轮转子系统产生分层变形，力学性能较差。夹式结构处于两者过渡状态，整个系统各部件变形也发生分层现象。不同结构变形量结果如表3所示。

表3 不同结构变形量表 单位：mm

从表3中可以看出，吊式对整个飞轮转子系统变形影响最大，其最大变形发生在转轴最下端；嵌式结构对整个飞轮转子系统变形影响均匀，上、下径向电磁轴承处变形相对接近，由于飞轮本体的安装位置根据设计要求应尽量处于转轴轴向的中间处[10]，因此推力盘安装位置满足不了使上、下电磁轴承完全对称安装，其安装位置处于飞轮本体下侧，接近于下径向电磁轴承，所以最大变形发生在转轴的最上端；夹式结构对整个飞轮转子系统变形影响较为均匀，推力盘安装位置处于飞轮本体与上径向电磁轴承中间处，因此飞轮本体与上径向电磁轴承变形较为接近，但上、下径向电磁轴承变形相差较大，其最大变形发生在转轴最下端。

4 结语

以600Wh飞轮储能系统为研究对象，结合陀螺效应特性，对飞轮转子系统结构进行了推力盘1轴向电磁轴承系统位置的改进，对不同的飞轮转子系统结构进行结构力学仿真与比较，得出3种结构的力学性能由好到坏的顺序是：嵌式结构、夹式结构、吊式结构。

采用轴向电磁轴承-推力盘系统夹式安装方法的飞轮转子系统的轴心位移轨迹出现上径向电磁轴承处小、下径向电磁轴承处大的不稳定现象，可以通过将推力盘安装位置结构改为嵌式结构的方法得到改善。