20 kW／1 kWh飞轮储能系统轴系动力学分析与试验研究 (2013年)
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第
32
卷第
1
期
振动与冲击
JOURNAL
OF
VIBRATION
AND
SHOCK
Vo
l.
32
No.l
2013
20
kW/l
kWh
飞轮储能系统轴系动力学分析与试验研究
唐长亮戴兴建王健
2
李奕良
3
(1.清华大学工程物理系，北京
100084;2.
中核集团，北京
10
∞
82;3
国家海洋局第三海洋研究所，厦门
361005 )
摘
要:大功率高储能量是飞轮储能技术的发展趋势。以城市轻轨刹车动能再生为应用背景，研制了
20
kW/l
kWh
的飞轮储能系统。采用
ANSYS
对该飞轮转子支承系统进行动力学建模与仿真，计算出轴系主振型、临界转速与模态
阻尼比;并对机座、真空套筒等非转动部件进行模态分析。进行了多次飞轮升降速试验，实时监测并记录飞轮运行全过程
的幅频特性。试验结果与数值仿真的一致性较好，为飞轮系统的优化与改进提供可靠的理论与试验依据。
关键词:飞轮储能;动力学;主振型;模态分析
中图分类号:
TH133
文献标识码
A
Shafting
dynamic
analysis
and
test
for
a
20kW/lkWh
flywheel
energy
storage
system
TANG
Ch
α
ng-li
α
ng
1
，
DAI Xing-jian
1
,
WANG
Ji
α
n
2
，
LI
Yi-li
α
ni
(1.
Department
of
Engineering
Physics
,
Tsinghua
University
,
Beijing
10
∞
84
，
China;
2.
China
National
Nuclear
Corporation
,
Beijing
100082 , China;
3.
Third
Institute
of
Oceanography
,
State
Oceanic
Administration
,
Xiamen
361005 , China)
Abstract:
The development trend of flywheel energy storage technology is high power and large capacity. A
20
k W /
1 k
wh
of flywheel energy storage system was developed for an application hackground of regenerating hrake energy in urhan
rail-traffic. Based on ANSYS software
, the dynamic model of the flywheel rotor-hearing-damper system was huilt. Its
critical speeds
, modal shapes and modal damping ratios were calculated, the modal analysis of the flywheel frame and
vacuum container was also performed. The amplitude-frequency responses of the flywheel dynamic system were recorded
with a numher of its operating tests.
Th
e experimental results agreed well with those of numerical simulation , they
provided a reliahle theoretical and test hasis for optimization and improvement of a flywheel system.
Key
words:
flywheel energy storage; dynamics; mode
shape;
modal analysis
飞轮储能是将动能储存在高速旋转的飞轮中，利
用电动机/发电机实现电能与机械能相互转换
[1
-2]
具
有储能密度高、效率高、寿命长、无污染等优点，可以广
泛应用于不间断电源、电力调频、平滑风电功率输出、
轻轨动能再生、航空航天等众多领域
[3
-6]
。
飞轮应用于航天储能/姿控领域，对其重量和体积
要求苛刻，轮体材料应使用纤维复合材料;而对飞轮重
量和体积要求不苛刻的环境，如不间断电源，多采用成
本低廉的金属材料制作转子，使用大功率电动机/发电
机实现快充快放，金属材料飞轮转速一般低于
10
000
r/min
，主要通过大质量来增加储能，总量，如
Active
Pow-
er
公司
240
kW/O. 8 kWh,
Vycon
公司的
140
kW/O. 58
k
Wh、
Pentadyne
公司的
120
kW/0.67
kWh
等飞轮储能
电池均为大质量金属转子的快速充放电系统，为用户
提供几十秒至数分钟的短时电力保障。
收稿日期
2011
-09
一
06
修改稿收到日期
:2011
-12
-27
第一作者唐
L~
亮男，博士生，
1984
年
1
月生
自上世纪
90
年代开始，清华大学与中科院电工研
究所等单位开始飞轮储能研究，但研制的飞轮系统单
个发电功率不到
1
kW
，适用于储能原理的验证性研究。
为开展飞轮技术的实用性研究，需要研制较大功率的
高储能量飞轮系统。以城市轻轨刹车动能再生为应用
背景，研制了
20
kW/l
kWh
的飞轮储能系统(图1);系
统采用电动/发电一体的永磁元刷高速直流电机，电机
转子须安装在飞轮上，因此飞轮转子轴向细长，使转子
按梁模型的一阶弯曲自振频率降低，飞轮工作转速有
可能高于→阶弯曲自振频率，运行在超临界柔性转子
状态。另外，为便于试验，飞轮安装在机座上，机座与
真空套筒固接，其固有频率有可能处于飞轮工作转速
内，引发共振。
飞轮工作时，要通过频繁升降速来实现充放电，因
此工作转速范围内除了不能有临界转速以外，更应着
力避免弹性体自振频率。国外大功率飞轮技术已转人
商业化运作，鲜有飞轮轴系动力学的公开报道;
Dai
等
[2
，
7
-8]
进行了亚临界刚性飞轮轴系的动力学设计与
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