抑制磁悬浮飞轮章动的液体阻尼器制造技术

磁悬浮飞轮的液体阻尼器是一种能够有效的抑制飞轮章动的装置。液体阻尼器的主要部分是一个细长的圆管，两端分别有两个圆筒与圆管相连，粘滞流体充满圆管和圆筒的半部，在两个筒之间由另一根充气的管子相接，可以使液体在管内来回自由流动时对圆筒不产生压力。液体在管内流动受到的粘滞力所做的功就是阻尼器吸收的动能。本发明专利技术可以有效地抑制磁悬浮飞轮的章动，可以大幅度降低对电气控制系统的频率响应带宽要求，而且不需要进行相位补偿，从而可以大幅度降低控制系统的技术难度和成本。

【技术实现步骤摘要】
抑制磁悬浮飞轮章动的液体阻尼器
本专利技术涉及到了一种液体阻尼器的装置，用于抑制磁悬浮储能飞轮的章动，特别适用于超高速大惯量的磁悬浮储能飞轮陀螺效应抑制。
技术介绍
磁悬浮储能飞轮(又称飞轮电池)是一种将机电能量转换的高效节能储能装置。磁悬浮储能飞轮采用磁悬浮轴承支撑，利用超高速旋转的飞轮储存能量，并通过机电能量转换装置实现机械能和电能的相互转换。基于其储能密度高、瞬时功率大、电能和机械能之间的转化效率高、充电时间短、使用寿命长、无环境污染、充放电次数无限制、可实现免维护和具有良好的性能价格比等特点，磁悬浮储能飞轮在电动汽车、航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力调峰、通讯(UPS)及电动汽车等领域有着广泛的应用前景。磁悬浮储能飞轮在高速运转时，有时会发生章动而失稳。由于章动的频率远远高于其他的谐振模态(平动和进动)的频率，所以如何抑制章动模态，是磁悬浮储能飞轮控制系统的一个比较困难的问题。目前尚未有磁悬浮储能飞轮采用被动阻尼器的应用报导，但是同属于自旋转子的自旋式人造卫星，早已成功应用了被动阻尼器来抑制其章动，因此可以尝试把被动阻尼器抑制章动这一技术应用到磁悬浮储能飞轮上。由于磁悬浮储能飞轮的转速远比自旋卫星高，被动阻尼器受到的离心力很大，为了避免离心力形成摆杆在铰链处的强度问题和在铰链处可能出现的油膜失稳的隐患，所以磁悬浮储能飞轮的被动阻尼器选择了液体阻尼器。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对主动控制方法存在的问题，在磁悬浮储能飞轮中高转速时，章动的频率基本与飞轮电池的转速成正比，对于频率非常高的章动模态而言，就会造成控制力严重的相位滞后，当滞后量超过90°时，抑制章动进行的角速度负反馈就会变成正反馈，反而加剧了章动震荡而使系统失稳。为此要求控制系统具有足够高的频率响应带宽，还必须对从传感器接收到的不同频率的信号到电磁铁产生的控制力的时间滞后量，要有精准的估计和补偿。但是当磁悬浮储能飞轮的重量到了几百公斤，甚至几千公斤时，电磁铁的时间滞后量也会随着电感系数的增加而增大，从而使控制系统的相位补偿更加困难。当飞轮的极转动惯量与赤道惯量的比值大于1时，就更容易发生章动而失稳，因此目前飞轮的惯量比都小于1，质量利用率偏低。为克服主动控制方法存在的上述缺点，磁悬浮储能飞轮采用液体阻尼器来抑制章动，从而大幅度降低飞轮控制系统的技术难度和成本。本专利技术的技术解决方案是：液体阻尼器的主要部分是一个细长的圆管，两端分别有两个圆筒与圆管相连，液体阻尼器内部装有可流动的阻尼液体，粘滞流体充满圆管和圆筒的半部，在两个筒之间由另一根充气的管子相接，可以使液体在管内来回自由流动时对圆筒不产生压力。当磁悬浮储能飞轮沿自旋轴运动时，阻尼液体在阻尼器内部相对运动，耗散章动的动能，液体在管内流动受到的粘滞力所做的功就是阻尼器吸收的动能，或者说阻尼液体对储能飞轮的惯性反作用力矩，起到消除章动角的作用。此外还需要将液体阻尼器在储能飞轮圆盘上对称布置，这样可以使飞轮的平动和摆动完全相互解耦。本专利技术的原理是：液体阻尼器内部装有阻尼液体，当储能飞轮自旋轴运动时，阻尼液体将在阻尼器内部做相对运动，液体阻尼器产生的阻尼力矩正好与储能飞轮章动的角速度的方向相反，耗散章动的动能，而且没有时间滞后，因此可以很好的抑制章动。单独由液体阻尼器抑制储能飞轮章动的动力学方程如下：其中：Je-飞轮的赤道惯量H-飞轮的自旋动量矩，H＝JzωsJz-飞轮的极转动惯量ωs-飞轮的自旋角速度K-阻尼器的角速率反馈系数α，β-飞轮轴沿基座X轴，Y轴的偏转角以此方程的角速度α和β为输出的特征行列式和特征方程为(Je+K)2+H2＝0，其特征值的实部为因此可以使系统渐近稳定。这样就可以对储能飞轮的不同谐振模态的控制进行分工。频率相对比较低的平动和进动模态(通常可在10-20Hz以内)由电气的主动控制系统来承担，而频率基本随飞轮转速线性增长的高频章动模态，则由非电气的液体阻尼器来抑制。这样一方面可以有效地抑制飞轮的章动，而且可以大幅度降低对电气控制系统的频率响应带宽要求，而且不需要进行相位补偿。本专利技术有益效果是：本专利技术采用液体阻尼器来抑制储能飞轮的章动，可以将飞轮的惯量比提高到大于1，从而大大提高飞轮的质量利用效率。无需提高电气控制系统的频率响应带宽，只需要让其控制飞轮的质心平动和进动的低频模态，因此电气控制系统的技术难度和成本都比较低。液体阻尼器的制造成本很低，对飞轮的装配调试基本没有产生新的技术难度，在工程上容易实现。附图说明图1为液体阻尼器的结构组成图及液体阻尼器的对称布置图具体实施方式如图1所示，液体阻尼器的主要部分是一个细长的圆管1，两端分别有两个圆筒2与圆管1相连，在两个圆筒2之间由另一根充气的管子3连接，阻尼液体4充满圆管1和圆筒2的半部，圆管1与圆筒2之间连接的拐弯处以及圆筒2与充气管3之间连接的拐弯处均为圆弧连接，可以避免阻尼器中阻尼液体4在快速流动时出现漩涡，使液体4在管内来回自由流动时更加平顺。当储能飞轮自旋轴运动时，阻尼液体4将在液体阻尼器内部做相对运动，液体阻尼器产生的阻尼力矩正好与储能飞轮章动的角速度的方向相反，耗散章动的动能，因此可以很好的抑制章动。液体阻尼器液体流动的圆管管道1与储能飞轮自旋轴平行，距离为l0，当储能飞轮出现章动时，管内的阻尼液体4就会来回流动，从而产生阻尼力以抑制储能飞轮的章动。设液体在圆管1内的流动为层流，在直径为2d的管道内的速度分布呈抛物线形式。其中s0为圆管1内阻尼液体4的平均速率。液体的动能为其中ρ为液体的密度，管内的液体质量为m＝πd2lp，两端的2b为直径的圆筒2内的液体动能为此部分可以视为小量被忽略。(此处b＞d)当液体在圆管1内的平均位移为s0时，液面在圆筒2内的位移为液体4的流动量为πpb2s，这些液体在离心力l0ωs2作用下的势能为其中μ为动粘滞系数。储能飞轮章动时，在沿2d直径的圆管1轴线(即平行于储能飞轮的自旋轴z轴)上的惯性力为Fz＝-mazcos(Ωτt+φ0)，其中m的管内阻尼液体4的质量，az为惯性加速度在2d圆管轴的分量az＝-ωt(Ωτt-ωs)10，液体运动的拉格朗日方程为式中L＝Ek-Ep。将以上各有关公式代入上面方程式，可以得到用平均位移s0表示的液体运动方程。因此，液体的流动是一个二阶震荡运动，阻尼液体4在管内流动的自振频率为且与储能飞轮自旋转速成正比。管内液体4在周期性惯性力的作用下，运动情况为ψ0为液体流动的滞后角。液体流动时做的功在单位章动周期内的平均值就是能量耗散速率。当阻尼器的自然频率ωn与储能飞轮的章动频率Ωτ相等时，ωn＝Ωτ，阻尼器的震荡与储能的章动出现耦合。此时的章动模态的能量耗散最快。利用质量m和加速度az的公式，耦合时能量的耗散式为其中ωt为储能飞轮章动的横向角速度。所以，阻尼器的液体质量只占储能飞轮质量的1/1000，已经能有效抑制章动。将两个液体阻尼器在储能飞轮电池圆盘上对称布置，当其自旋轴发生摆动时，两个液体阻尼器产生的阻尼力矩是单个阻尼器的两倍。而对质心沿飞轮自旋轴线的阻尼力可相互抵消。而当储能飞轮的质心沿自旋轴有轴向移动时，两个阻尼器会产生两倍的轴向阻尼力，而它们的摆动力矩则又能相互抵消。这样就可以使飞轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制磁悬浮储能飞轮章动的液体阻尼器，其特征在于：液体阻尼器的主要部分是一个细长的圆管(1)，两端分别有两个圆筒(2)与圆管(1)相连，在两个圆筒(2)之间由另一根充气的管子(3)连接，阻尼液体(4)充满圆管(1)和圆筒(2)的半部，圆管(1)与圆筒(2)之间连接的拐弯处以及圆筒(2)与充气管(3)之间连接的拐弯处均为圆弧连接，可以避免阻尼器中阻尼液体(4)在快速流动时出现漩涡，使液体(4)在管内来回自由流动时更加平顺。当储能飞轮自旋轴运动时，阻尼液体(4)将在液体阻尼器内部做相对运动，液体阻尼器产生的阻尼力矩正好与储能飞轮章动的角速度的方向相反，耗散章动的动能，因此可以很好的抑制章动。将两个液体阻尼器在储能飞轮电池圆盘上对称布置，这样就可以使飞轮的平动和摆动完全相互解耦。

【技术特征摘要】
1.一种抑制磁悬浮储能飞轮章动的液体阻尼器，其特征在于：液体阻尼器的主要部分是一个细长的圆管(1)，两端分别有两个圆筒(2)与圆管(1)相连，在两个圆筒(2)之间由另一根充气的管子(3)连接，阻尼液体(4)充满圆管(1)和圆筒(2)的半部，圆管(1)与圆筒(2)之间连接的拐弯处以及圆筒(2)与充气管(3)之间连接的拐弯处均为圆弧连接，可以避免阻尼器中阻尼液体(4)在快速流动时出现漩涡，使液体(4)在管内来回自由流动时更加平顺。当储能飞轮自旋轴运动时，阻尼液体(4)将在液体阻尼器内部做相对运动，液体阻尼器产生的阻尼力...

【专利技术属性】
技术研发人员：解雪玲，俞文伯，彭龙，王志强，
申请(专利权)人：北京泓慧国际能源技术发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11