[發明專利]一種車載球面磁懸浮飛輪電池支承系統動態建模方法

在審

• 申請號: 202310090396.2
• 申請日: 2023-02-09
• 公開（公告）號: CN116029054A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 朱志瑩;綦光鑫;許健;李鑫雅
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 王素琴

本發明屬于磁懸浮電機領域，公開了一種車載球面磁懸浮飛輪電池支承系統動態建模方法，以車載球面磁懸浮飛輪電池為研究對象，首先建立了七自由度的車輛動力學模型，分析了車輛啟動加速和制動減速，以及因路面不平整引起的基礎縱向振動、橫向振動和俯仰振動對飛輪電池支承系統的干擾，其次推導并建立飛輪電池轉子徑向精確懸浮力模型，然后搭建飛輪電池支承系統的動態模型并進行了仿真驗證。本發明可實現飛輪轉子的快速起浮響應，并在復雜的路況以及多變的車輛行駛狀態下保持飛輪轉子的穩定，模型誤差精度符合要求，為后續進一步研究車載工況下不同運動狀態對球面磁懸浮飛輪電池支承系統動態特性的影響提供理論依據和模型參考。

技術領域

本發明屬于磁懸浮電機的技術領域，具體的說是涉及一種車載球面磁懸浮飛輪電池支承系統動態建模方法。

背景技術

飛輪電池作為一種新型儲能裝置，具有比能量高、比功率大、充電速度快、質量輕、無污染、壽命長等優點。近年來，隨著復合材料技術和電力電子元器件的快速發展，飛輪電池在電動汽車領域得到了廣泛的應用。然而，車輛不同的行駛狀態以及因路面不平整引起的汽車各向振動，都會對飛輪電池產生附加載荷并影響飛輪電池的穩定運行，嚴重時甚至可能造成飛輪轉子的失穩。

支承技術作為車載飛輪電池的核心技術之一，直接決定了整個車載飛輪電池的運行品質和穩定性。近些年來，國內外研究人員針對車載飛輪電池的支承技術的相關研究主要可分為磁懸浮支承拓撲結構、磁懸浮支承系統動態建模和磁懸浮支承控制策略三個方面。在磁懸浮支承拓撲結構方面，傳統的磁懸浮支承拓撲結構多圍繞“長慣性主軸”進行排布，但該類拓撲使得飛輪電池系統的軸向體積增大，且穩定工作轉速區間小，不適用大儲能量要求且受空間限制等應用場合。進一步地，“短軸”甚至“無軸”式拓撲結構被設計出來，該類拓撲結構實質是通過改變轉子的轉動慣量比獲得系統的穩定性能，可以解決現有長軸式飛輪電池系統的不足，但同時也存在陀螺效應嚴重、控制難度高等弊端。然而，僅僅依賴于飛輪電池軸系拓撲結構的改進遠遠不夠，磁軸承部件是實現飛輪系統穩定性的關鍵保障，而典型的磁軸承拓撲結構多為柱面磁軸承支承系統，當飛輪受到自激振動或強迫振動發生偏轉或偏移時，會導致其較大的干擾力矩，此時柱面磁軸承產生的電磁力不能始終指向轉子質心位置，這種情況下需要依賴精確的數學模型以實現系統的穩定控制。為進一步提高磁軸承拓撲上的自穩定優勢，保障各類振動中飛輪系統的穩定性，突破柱面拓撲的約束，引入新型軸向永磁球面磁懸浮飛輪電池既實現飛輪、電機和支承系統的高度集成，又達到電磁轉矩和懸浮力在磁路上解耦；且通過定轉子磁極球面型設計，提升氣隙磁密在徑向、軸向和周向上全域均勻性，實現飛輪電池在懸浮支承剛度和精度上雙重提升，同時懸浮力過轉子球心，克服平動懸浮對扭動懸浮的影響，滿足車載飛輪轉子陀螺效應抑制和強抗擾的要求。然而，在現有研究中，鮮見對于球面磁懸浮飛輪電池支承系統的動態建模研究。

發明內容

針對現有鮮見對于球面磁懸浮飛輪電池支承系統的動態建模研究，本發明公開一種車載球面磁懸浮飛輪電池支承系統動態建模方法，以車載球面磁懸浮飛輪電池為研究對象，首先建立了七自由度的車輛動力學模型，分析了車輛啟動加速和制動減速，以及因路面不平整引起的基礎縱向振動、橫向振動和俯仰振動對飛輪電池支承系統的干擾；其次，推導并建立了精確的飛輪電池轉子徑向懸浮力模型；然后，通過ADAMS和MATLAB軟件搭建了飛輪電池支承系統的動態模型并進行了仿真驗證。仿真結果表明，車載球面磁懸浮飛輪電池支承系統可實現飛輪轉子的快速起浮響應，并在復雜的路況以及多變的車輛行駛狀態下保持飛輪轉子的穩定。

為實現上述技術目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明是一種車載球面磁懸浮飛輪電池支承系統動態建模方法，包括以下步驟：

S1、建立車輛動力學模型，利用有限元分析，基于等效磁路法建立兼顧轉子偏心和擴散磁通，同時結合氣隙磁密矯正公式的徑向精確懸浮力數學模型；