[发明专利]抑制磁悬浮飞轮章动的液体阻尼器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明的技术解决问题是：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。

本发明的技术解决方案是：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。

本发明的原理是：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：J_e-飞轮的赤道惯量

H-飞轮的自旋动量矩，H＝J_zω_s

J_z-飞轮的极转动惯量

ω_s-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(J_e+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。