飞轮储能作为一种高效、清洁的储能方式,目前受到广泛的关注;利用碳纤维复合材料制备高速储能飞轮具有广阔的应用场景。这里以提升飞轮转子的储能密度为目标,对复合材料高速储能飞轮的结构进行了优化设计。首先针对T700某型号碳纤维复合材料转子,建立了储能密度优化的数学模型;然后结合粒子群优化算法,通过MATLAB编程实现了对储能转子的结构参数优化,得到优化后的轮毂外径为170mm,层间过盈量为0.3mm,复合材料轮环各层的径向厚度为15mm,最终使得飞轮的储能密度提升了22.8%。

为了研究储能飞轮的外形轮廓优化结构特征,提出一种基于有限元分析的优化结构方法并结合神经网络进行飞轮外形轮廓的深度优化。深入分析了传统飞轮储能结构优化方式的优点和不足。建立飞轮转动的应力应变物理方程,得到飞轮旋转的应力分布曲线。将神经网络模型引入到飞轮结构优化上,与有限元模型得到的结果进行对比分析,得到最优的飞轮结构轮廓。利用神经网络得到的优化模型与有限元得到的结果对比误差较小,表明了神经网络模型的准确性,并且利用神经网络构建的优化模型程序化更简单,整个设计过程更高效、简洁。

以模态分析的相关理论为依据,在Hyper Mesh环境下建立了某磁悬浮储能飞轮模态分析模型,利用Radioss求解器求解并提取前6阶固有频率与振型。利用springs单元模拟磁轴承,利用bolt单元与接触单元contact装配零件使计算模型更加接近实际储能飞轮装置。利用单自由度法对系统进行实验模态分析。计算分析结果表明,磁悬浮储能飞轮在低频段的振动模态主要为转子的刚性偏转,在高频段的振动模态主要为定子弯曲与轴向上下振动、转子弯曲振动。模态分析结果为磁悬浮储能飞轮的动态性能研究、结构总体设计优化以及系统控制策略建立提供了重要理论依据。