6.1蓄能裝置概述

6.2飛輪儲能

6.3飛輪儲能的控制

6.4儲能的穩(wěn)定性分析6.1蓄能裝置概述風能是隨機性的能源,具有間歇性,并且是不能直接儲存起來的,因此,即使在風能資源豐富的地區(qū),把風力發(fā)電機作為獲得電能的主要方法時,必須配備適當?shù)男钅苎b置。在風力強的期間,除了通過風力發(fā)電機組向用電負荷提供所需的電能以外,將多余的風能轉換為其他形式的能量在蓄能裝置中儲存起來;在風力弱或無風期間,再將蓄能裝置中儲存的能量釋放出來并轉換為電能,向用電負荷供電。可見蓄能裝置是風力發(fā)電系統(tǒng)中實現(xiàn)穩(wěn)定和持續(xù)供電必不可少的裝置。當前風力發(fā)電系統(tǒng)中的蓄能方式主要有蓄電池蓄能、飛輪蓄能、抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、電解水制氫蓄能等幾種。1.蓄電池蓄能在獨立運行的小型風力發(fā)電系統(tǒng)中,廣泛使用蓄電池作為蓄能裝置,蓄電池的作用是當風力較強或用電負荷減小時,可以將來自風力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部分儲存在蓄電池中,也就是向蓄電池充電;當風力較弱、無風或用電負荷增大時,蓄電池中的電能向負荷供電,以補足風力發(fā)電機所發(fā)電能的不足,達到維持向負荷持續(xù)穩(wěn)定供電的作用。風力發(fā)電系統(tǒng)中常用的蓄電池有鉛酸電池(亦稱鉛蓄電池)和鎳鎘電池(亦稱堿性蓄電池)。單格鉛酸蓄電池的電動勢約為2V,單格堿性蓄電池的電動勢約為1.2V,將多個單格蓄電池串聯(lián)組成蓄電池組,可獲得不同的蓄電池組電勢,例如12V、24V、36V等,當外電路閉合時蓄電池正負兩極間的電位差即為蓄電池的端電壓(亦稱電壓)。蓄電池的端電壓在充電和放電過程中,電壓是不相同的,充電時蓄電池的電壓高于其電動勢,放電時蓄電池的電壓低于其電動勢,這是因為蓄電池有電阻的緣故,且蓄電池的內(nèi)阻隨溫度的變化比較明顯。蓄電池的容量以Ah表示,容量為100Ah的蓄電池代表該蓄電池若放電電流為10A,可連續(xù)放電10h;若放電電流為5A,則可連續(xù)放電20h。在放電過程中,蓄電池的電壓隨著放電而逐漸降低,放電時鉛酸蓄電池的電壓不能低于1.8V,堿性蓄電池的電壓不能低于1.1V,蓄電池放電時的最佳電流值為10h放電率電流,蓄電池的最佳充電電流值等于其最佳放電電流值。蓄電池經(jīng)過多次充電及放電以后,其容量會降低,當蓄電池的容量降低到其額定值的80%以下時,就不能再使用了,也就是蓄電池有一定的使用壽命。影響蓄電池壽命的因素很多,如充電或放電過度、蓄電池的電解液溶度太大或純度降低以及在高溫環(huán)境下使用等都會使蓄電池的性能變壞,降低蓄電池的使用壽命。2.飛輪蓄能從運動學知道,做旋轉運動的物體皆具有動能,此動能也稱為旋轉的慣性能,其計算公式為式中:A為旋轉物體的慣性能量,J;J為旋轉物體的轉動慣量,N·m·S2;Ω為旋轉物體的旋轉角速度,rad/s。式(61)所表示的為旋轉物體達到穩(wěn)定的旋轉角速率Ω時所具有的動能,若旋轉物體的旋轉角速度是變化的,例如由Ω1增加到Ω2,則旋轉物體增加的動能為這部分增加的動能儲存在旋轉體中,反之,若旋轉物體的旋轉角速度減小,則有部分旋轉的慣性動能被釋放出來。同時由動力學原理知,旋轉物體的轉動慣量J與旋轉物體的重力及旋轉部分的慣性直徑有關,即式中:G為旋轉物體的重力,N;D為旋轉物體的慣性直徑,m;g為重力加速度,9.81m/s2。風力發(fā)電系統(tǒng)中采用飛輪蓄能,即在風力發(fā)電機的軸系上安裝一個飛輪,利用飛輪旋轉時的慣性儲能原理,當風力強時,風能以動能的形式儲存在飛輪中;當風力弱時,儲存在飛輪中的動能則釋放出來驅動發(fā)電機發(fā)電。采用飛輪蓄能可以平抑由于風力起伏而引起的發(fā)電機輸出電能的波動,改善電能的質(zhì)量。風力發(fā)電系統(tǒng)中采用的飛輪,一般多由鋼制成,飛輪的尺寸大小則視系統(tǒng)所需儲存和釋放能量的多少而定。3.電解水制氫蓄能眾所周知,電解水可以制氫,而且氫可以儲存,在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用電解水制氫蓄能就是在用電負荷小時,將風力發(fā)電機組提供的多余電能用來電解水,使氫和氧分離,把電能儲存起來;當用電負荷增大,風力減弱或無風時,使儲存的氫和氧在燃料電池中進行化學反應而直接產(chǎn)生電能,繼續(xù)向負荷供電,從而保證供電的連續(xù)性,故這種蓄能方式是將隨時的不可儲存的風能轉換為氫能儲存起來;而制氫、儲氧及燃料電池則是這種蓄能方式的關鍵技術和部件。燃料電池是一種化學電池,其作用原理是把燃料氧化時所釋放出來的能量通過化學變化轉化為電能。在以氫作燃料時,就是利用氫和氧化合時的化學變化所釋放出來的化學能,通過電極反應,直接轉化為電能,即

電能。由此化學反應式看出,除產(chǎn)生電能外,只能產(chǎn)生水,因此,利用燃料電池發(fā)電是一種清潔的發(fā)電方式,而且由于沒有高溫高壓等條件要求,工作起來更安全可靠,利用燃料電池發(fā)電的效率很高,例如堿性燃料電池的發(fā)電效率可達到50%~70%。在這種蓄能方式中,氫的儲存也是一個重要環(huán)節(jié),儲氫技術有多種形式,其中以金屬氧化物儲氫最好,其儲氫度高,優(yōu)于氣體儲氫及液態(tài)儲氫,不需要高壓和絕熱的容器,安全性能好。國外還研制出一種再生式燃料電池,這種燃料電池既能利用氫氧化合直接產(chǎn)生電能,反過來應用它可以電解水而產(chǎn)生氫和氧。毫無疑問,電解水制氫蓄能是一種高效、清潔、無污染、工作安全、壽命長的蓄能方式,但燃料電池及儲氫裝置的費用則較貴。4.抽水蓄能這種蓄能方式在地形條件合適的地區(qū)可采用,所謂地形條件合適,就是在安裝風力發(fā)電機的地點附近有高地,在高地處可以建造蓄水池或水庫,而在低地處有水。當風力強而用電負荷所需要的電能少時,風力發(fā)電機發(fā)出的多余的電能驅動抽水機,將低地處的水抽到高處的蓄水池或水庫中儲存起來;在無風期或是風力較弱時,則將高地蓄水池或水庫中儲存的水釋放出來流向低地水池,利用水流的動能推動水輪機轉動,并帶動與之相連接的發(fā)電機發(fā)電,從而保證用電負荷不斷電,實際上,這時已是風力發(fā)電機和水力發(fā)電同時運行,共同向負荷供電。當然,在無風期,只要是在高地蓄水池或水庫中有一定的蓄水量,就可靠水力發(fā)電來維持供電。5.壓縮空氣蓄能與抽水蓄能方式相似,這種蓄能方式也需要特定的地形條件,即需要有挖掘的坑或是廢棄的礦坑或是地下的巖洞,當風力強,用電負荷少時,可將風力發(fā)電機發(fā)出的多余的電能驅動一臺由電動機帶動的空氣壓縮機,將空氣壓縮后儲存在地坑內(nèi);而在無風期或用負荷增大時,則將儲存在地坑內(nèi)的壓縮空氣釋放出來,形成高速氣流,從而推動渦輪機轉動,并帶動發(fā)電機發(fā)電。6.2飛

輪

儲

能6.2.1飛輪電池的組成與工作原理1.飛輪電池的組成典型的飛輪儲能系統(tǒng)一般是由三大主體、兩個控制器和一些輔件所組成:①

儲能飛輪;②

集成驅動的電機;③

磁懸浮支承系統(tǒng);④

磁力軸承控制器和電機變頻調(diào)速控制器;⑤

輔件(冷卻系統(tǒng)、顯示儀表、真空設備和安全容器等)。本書重點研究儲能飛輪、集成驅動的換能電機、磁懸浮支承系統(tǒng),控制、冷卻、顯示不研究。圖61所示為一種飛輪電池的結構簡圖。其中:1為飛輪;2為含有水冷卻的徑向磁軸承的定子;3為徑向磁軸承;4為軸向磁軸承;5為含有水冷卻的電機定子;6為電機內(nèi)轉子部分;7為電機外轉子部分;8為真空殼體。2.飛輪電池的工作原理飛輪電池類似于化學電池,它有以下兩種工作模式。(1)“充電”模式。當飛輪電池充電器插頭插入外部電源插座時,打開啟動開關,電動機開始運轉,吸收電能,使飛輪轉速提升,直至達到額定轉速時,由電機控制器切斷與外界電源的連接。在整個充電過程中,電機作電動機用。(2)“放電”模式。當飛輪電池外接負載設備時,發(fā)電機開始工作,向外供電,飛輪轉速下降,直至下降到最低轉速時,電機控制器停止放電。在放電過程中,電機作為發(fā)電機使用。這兩種工作模式全部由電機控制器負責完成。飛輪轉子在運動時由磁力軸承實現(xiàn)轉子無接觸支承,而接觸軸承則主要負責轉子靜止或存在較大的外部擾動時的輔助支承,避免飛輪轉子與定子直接相碰而導致災難性破壞。真空設備用來保持殼體內(nèi)始終處于真空狀態(tài),減少轉子運轉的風耗。冷卻系統(tǒng)則負責電機和磁懸浮軸承的冷卻。安全容器用于避免一旦轉子產(chǎn)生爆裂或定子與轉子相碰時發(fā)生意外。顯示儀表則用來顯示剩余電量和工作狀態(tài)。6.2.2飛輪電池轉子的支承、

驅動和控制飛輪電池是一種儲能裝置,當“充電”時,電動機通過變頻調(diào)速控制逐步提高飛輪轉子的轉速,將電能轉換為飛輪的動能儲存起來;而“放電”時,則通過發(fā)電機向外穩(wěn)定輸出電能,使飛輪轉速逐步下降。飛輪電池作為一種儲能裝置,其主要技術指標有:可提取的能量(簡稱凈能量);充電/放電電壓(或充電/放電電流);充電速率或功率(影響充電時間)和放電速率或功率(決定帶動負載的能力)。飛輪電池的可提取的能量與飛輪的最大安全運轉速度、最小穩(wěn)定運轉速度以及飛輪的轉動慣量等有關。一般來說,提高飛輪的最大安全運轉速度比提高飛輪的轉動慣量可得到更好的儲能效果,原因是旋轉物體的動能與旋轉速度是二次關系,而與轉動慣量是一次關系。除通過提高飛輪的最大安全運轉速度和轉動慣量來提高飛輪電池的可提取的能量外,盡量降低最小穩(wěn)定運轉速度也可提高飛輪電池的可提取的能量。飛輪電池的充電速率主要影響充電時間,充電速率越高,充電時間越短。放電速率的大小則決定飛輪電池帶動負載的能力,放電速率越大,帶動負載的功率越大。衡量飛輪電池的主要性能指標有:能量轉換效率;儲能密度(比能量);怠速損耗;使用溫度、壽命、可靠性、安全性等。能量轉換效率越高,動能與電能之間相互轉化的損耗就越小,經(jīng)濟性也就越好。儲能密度一般主要取決于飛輪材料的抗拉強度,抗拉強度越高,飛輪可安全運轉的轉速就越高,儲存的能量就越多,相對的儲能密度就越高。而高的可靠性和高的安全性則是所有儀器和設備所追求的目標。一般來說,一個好的飛輪電池除了要達到用戶所提出的主要技術指標(如可提取的能量、充電時間和最大放電功率)外,還應該具有低的怠速損耗、長壽命、高的能量密度、高的能量轉換效率、高的可靠性、高的安全性和良好的經(jīng)濟性。這些技術性能指標有的是由飛輪電池的某些部件單獨體現(xiàn)的,有些則是由幾個或所有零部件共同體現(xiàn)的。1.飛輪電池系統(tǒng)結構飛輪電池系統(tǒng)總體結構方案與飛輪的結構、飛輪轉子的支承方案、集成式電動機/發(fā)動機和其他一些輔件的結構密切相關。按理說,它應該在所有零部件的結構方案形成后才能確定下來,為了方便理解后面各章節(jié)內(nèi)容,在這里建立飛輪電池的系統(tǒng)結構方案,增強大家對飛輪電池的感性認識。針對固定應用(指的是基礎或機架固定不動)的飛輪電池,提出了一種新型的磁懸浮支承系統(tǒng),并在考慮飛輪電池內(nèi)部各關鍵零部件的結構和布置情況下,構造出飛輪電池的結構方案,如圖62所示。這種方案的最大特點是它的磁懸浮支承系統(tǒng)采用了一種新型磁力軸承(即電動磁力軸承)作為轉子的徑向支承,并結合軸向永磁磁力軸承構成飛輪轉子無接觸磁懸浮式支承。對于固定應用的飛輪電池,由于不存在陀螺效應,所以軸承主要承受飛輪轉子的自重。為了充分利用永磁磁力軸承承受靜態(tài)或堆靜態(tài)負載的能力,飛輪轉子作垂直布置,其重量完全由永磁磁力軸承來承受,而徑向電動磁力軸承則主要用來承受由于轉子徑向偏移運動所產(chǎn)生的動載荷,并確保轉子運動過程中的自動定心作用,即確保轉子始終在預定中心附近回轉。與其他磁懸浮支承系統(tǒng)相比,這種組合的磁懸浮支承系統(tǒng)由于既沒有采用電磁軸承,又沒有采用超導磁力軸承,因而消除了電磁軸承由于需要位置傳感器和反饋控制系統(tǒng)所帶來的失效可能性和費用的增加,以及電磁線圈的能量損耗;也避免了超導磁力軸承由于需要液態(tài)氮制備設備所帶來的結構尺寸增加和制冷設備失效導致的可靠性降低以及費用的增加,是目前經(jīng)濟性和可靠性都較高的支承系統(tǒng),所以值得大力研究開發(fā),也是本書重點研究的內(nèi)容之一。2.支承飛輪轉子的磁力軸承飛輪電池中的磁懸浮軸承(也稱磁力軸承或磁軸承)與機床主軸所用的磁懸浮軸承的作用基本相同,都是用來支承高速旋轉的轉子,但工作要求大不相同。對于機床中支承主軸的磁力軸承,主要承受來自刀具切削作用于轉子上的徑向力和軸向力(通常這些力的變化范圍是非常大的),以及轉子自身的重量,這就要求磁力軸承的剛度大,并且可調(diào),因而必須使用有源磁力軸承,即電磁軸承,此外還要求軸承對主軸進行精確定位以確保機械加工的精度。而飛輪電池中的磁懸浮軸承,它主要承受飛輪轉子自身的重量和由于轉子的偏移運動引起的動載荷,以及由于固定飛輪電池的基礎或機架的運動而引起的附加陀螺效應力,此外,飛輪電池轉子無需精確定位。如果飛輪電池用在那些機架固定不動的應用中,則飛輪轉子將不受陀螺效應力。目前的飛輪儲能系統(tǒng)經(jīng)常選擇幾種類型的軸承組合起來使用,而在高速飛輪系統(tǒng)中,使用最多的還是磁懸浮軸承,這是由于磁力軸承無磨損(無機械接觸)、壽命長和免維護等優(yōu)點,使得傳統(tǒng)的機械接觸軸承無法比擬。目前可供使用的磁力軸承主要有:電磁軸承;超導磁力軸承;永磁磁力軸承和電動磁力軸承。前者稱為主動磁力支承,后三者稱為被動磁力支承。電磁軸承是通過改變電磁鐵線圈的電流來控制懸浮力的大小,從而適應外界干擾力的變化;超導磁力軸承是利用超導體在臨界溫度以下所表現(xiàn)出來的邁斯納效應,即磁力線不能穿過超導體而表現(xiàn)出的完全抗磁性來懸浮物體;永磁磁力軸承則是利用永磁體之間或永磁體與軟磁體之間的吸力或斥力來懸浮物體。在一些轉速不是太高的場合,除磁力軸承外,有時也用到一種軸向球軸承,只不過球軸承的材料一般選用摩擦系數(shù)非常小又非常耐磨的材料,如金屬陶瓷或紅寶石等。3.組合磁懸浮的支承系統(tǒng)目前,飛輪電池的支承系統(tǒng)方案主要有兩大類:一類是含電磁軸承的主動磁懸浮支承系統(tǒng);另一類是被動磁懸浮支承系統(tǒng)。主動磁懸浮支承系統(tǒng)主要有三種組合方案:第一種是徑向采用電磁軸承,軸向采用被動磁力軸承或機械接觸軸承;第二種是軸向采用電磁軸承,徑向采用被動磁力軸承;第三種是徑向和軸向均采用主動磁力軸承。由于主動磁懸浮支承系統(tǒng)中含有電磁軸承,盡管承載能力高(剛度和阻尼可調(diào)),穩(wěn)定性也好,但存在前面提到的不足,如果將它用到機架固定的飛輪電池上,則由于只承受穩(wěn)定的靜態(tài)載荷,電磁軸承的優(yōu)點沒法體現(xiàn),而缺點卻變得尤為突出,因而對固定應用的飛輪電池,使用主動磁懸浮支承系統(tǒng)是沒有必要的。被動磁懸浮支承系統(tǒng)目前也有三種組合方案:第一種是在徑向采用被動磁力軸承,軸向采用機械接觸軸承;第二種是在徑向采用永磁磁力軸承,軸向采用超導磁力軸承;第三種是在軸向采用永磁磁力軸承,徑向采用超導磁力軸承。對于第一種支承方式,盡管支承可靠,但由于采用了機械接觸軸承,將降低軸承的最高轉速,同時能量損耗較大,壽命較低。對于第二種和第三種支承方式,由于采用了超導磁力支承,就要附加一套液態(tài)氮的制冷裝置,增加了電池的體積,降低了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。設計飛輪電池磁懸浮支承系統(tǒng)時,除了要利用現(xiàn)有的磁力軸承外,還要充分考慮磁力軸承的最新發(fā)展。根據(jù)目前磁力軸承的特點,結合最新研究的成果,現(xiàn)提出一種全新的被動磁懸浮支承系統(tǒng),如圖63所示。其中,轉子的徑向支承是由分別安裝在兩個定子上的兩對環(huán)形磁鐵6、7、8、9和鑲嵌在轉子上的導體環(huán)10構成,環(huán)形磁鐵6和7提供導體環(huán)10內(nèi)圓弧附近的磁場,環(huán)形磁鐵8和9提供導體環(huán)外圓弧附近的磁場;而軸向支承則是由一對帶錐面“接觸”的環(huán)形永磁體3和4構成,磁鐵3安裝在轉子上,充當動磁環(huán),磁鐵4安裝在定子上,充當定磁環(huán)。在這種組合磁懸浮支承系統(tǒng)中,轉子軸垂直布置,軸向水磁磁力軸承主要承受飛輪轉子的自重,同時也能對徑向起到一定的輔助支承作用,徑向電動磁力軸承則主要承受由于轉子的徑向偏移運動所產(chǎn)生的動載荷。這種支承方式,盡管承受變載荷的能力不高,但對那些僅承受靜態(tài)載荷(如固定應用)的飛輪電池來說,這種支承方式的承載能力是足夠的。而且由于它既沒有采用主動磁力軸承,又沒有采用超導磁力軸承,因而完全消除了電磁軸承結構和控制的復雜性和超導磁力軸承的液態(tài)氮或氦的制備系統(tǒng),而且結構簡單,費用低廉,可靠性高,且能十分有效地降低飛輪電池的費用,是一種值得研究和提倡的支承方式。6.2.3飛輪電池的應用飛輪電池的應用十分廣泛,但主要分為兩大類型:一是作為儲能用的,如衛(wèi)星和空間站的電源,車輛的動力裝置,各種重要設備(如計算機、通信系統(tǒng)、醫(yī)療設備等)的不間斷電源(UPS)等;二是作為峰值動力用的,如電力系統(tǒng)峰值負載的調(diào)節(jié),分布式發(fā)電系統(tǒng)中電網(wǎng)電力的波動調(diào)節(jié),混合動力車輛負載的調(diào)節(jié)、運載火箭和電磁炮等的瞬時大功率動力供應源、脈沖動力設備等。1.在電動汽車和軍用車輛上的應用目前,飛輪儲能系統(tǒng)可以單獨或與其他動力裝置一起混合用于電動汽車上,極大地改善汽車的動力性和經(jīng)濟性以及汽車尾氣的排放狀況。飛輪儲能系統(tǒng)在軍事車輛的脈動負載和運行負載調(diào)節(jié)方面也擔負重要角色,如德克薩斯大學奧斯丁電動力學研究中心就為軍用車輛開發(fā)了脈動負載和運行負載調(diào)節(jié)的飛輪儲能系紛核系統(tǒng)能儲存25MJ的能量,能提供5MW的瞬時功率,可滿足14T級軍用車輛的脈動動力要求。2.在衛(wèi)星和航天器上的應用Fare公司、馬里蘭大學及受NAsA資助的劉易斯(Lewis)研究中心共同開發(fā)了空心飛輪系統(tǒng),它是將馬里蘭大學的500Wh的空心飛輪系統(tǒng)按比例縮小成50Wh的空心飛輪系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于近距離地球軌道(LEO)衛(wèi)星和地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星的動力裝置,取代了原先的化學電池。同時,它結合飛輪儲能和衛(wèi)星的姿態(tài)控制,使飛輪儲能和衛(wèi)星的姿態(tài)控制一體化,其優(yōu)勢更加明顯。3.在電熱化學炮、電磁炮上的應用飛輪儲能系統(tǒng)在電磁炮應用中具有明顯優(yōu)勢,有一種8級逐級驅動的線性感應線圈發(fā)射炮能將2kg的炮彈以2km/s的速度發(fā)射。電熱化學炮要求在1~5ms內(nèi)將脈動動力傳到槍炮后膛,而由飛輪儲能裝置構成的脈沖交流發(fā)電機(PDA)就能適應這種要求。4.用于電力質(zhì)量和電網(wǎng)負載調(diào)節(jié)電力質(zhì)量問題是一直困擾著電力工業(yè)的老大難問題。但隨著UPS市場的發(fā)展壯大,各種重要的敏感設備受電網(wǎng)電力波動或突然的電力供應中斷而造成的損失問題逐步得到了解決。作為飛輪儲能系統(tǒng),它完全可以擔負起UPS的職能,而且電力供應質(zhì)量可大大改善,供電時間可大大延長。此外,大功率、高儲能的飛輪儲能系統(tǒng)還可以用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)用電高峰的電力供應,使其心網(wǎng)負載更加平穩(wěn)。在以風力發(fā)電的機組中,應用飛輪儲能系統(tǒng)可使輸比電壓更加平穩(wěn)。5.不間斷電源(UPS)小間斷供應電源有者強大的應用市場。除目前通用的UPS外,飛輪電池作為一支新生的能源儲存方式已經(jīng)逐步參與到UPS市場中來。6.3飛輪儲能的控制6.3.1飛輪能量轉換器飛輪電池中的電動機/發(fā)電機是一個集成部件,主要充當能量轉換的角色,簡稱能量轉換器,充電時充當電動機,將風能的機械能中的電能轉變?yōu)轱w輪電池的機械能儲存起來,而放電時充當發(fā)電機,將飛輪電池的機械能轉換為電能向外輸出。飛輪電池用作高速電機應該兼有高效率的電動機和發(fā)電機的特性。通常要求盡可能同時具有以下特點:較大的轉矩和輸出功率;較長的穩(wěn)定使用壽命;空載損耗極低;能量轉換效率高;能適應大范圍的速度變化。對于飛輪電池,目前主要有5種可供選擇的電機,即感應電機、開關磁阻電機、“寫極”電機、永磁無刷直流電機和永磁同步電機。幾種可用的電機相關性能數(shù)據(jù)對比見表61。與傳統(tǒng)的直流電機相比,感應電機有許多優(yōu)點:高效率、高能量密度、低廉的價格、高可靠性和維護方便。但感應電機的缺點是:轉速不能太高;轉子轉差損耗大;極數(shù)少的感應電機用銅、鐵量大增加了電機的重量。開關磁阻電機采用雙凸極結構。定子采用集中繞組,轉子無勵磁。因此,轉子不用維護,結構堅固,易于實現(xiàn)零電流、零電壓關斷,適用于大范圍調(diào)速運行。其缺點是振動和噪聲較大,與永磁電機比較,效率和功率密度較低。永磁無刷直流電機是將直流電機轉子上的勵磁繞組換成永久磁鐵,由固態(tài)逆變器和軸位置檢測器組成電子換向器。位置傳感器用來檢測轉子在運動過程中的位置,并將位置信號轉換為電信號,保證各相繞組的正確換向。永磁無刷直流電機在工作時,直接將方波電流輸入電機的定子中,控制永磁無刷直流電機運轉。它的最大優(yōu)點是去掉了傳統(tǒng)的直流電機中的換向器和電刷,因此消除了由于電機電刷換向引起的一系列問題。它的另一個優(yōu)點是由于矩形波電流和矩形波磁場的相互作用,在電流和反電勢同時達到峰值時,能產(chǎn)生很大的電磁轉矩,提高了負載密度和功率密度。永磁同步電機實際上就是永磁交流同步電機,它是將永久磁鐵取代他勵同步電機的轉子勵磁繞組,將磁鐵插入轉子內(nèi)部,形成可同步旋轉的磁極。轉子上不再用勵磁繞組、集電環(huán)和電刷等來為轉子輸入勵磁電流,輸入定子的是三相正弦波電流。該電機具有較高的能量密度和效率,體積小,功耗低,響應快?！皩憳O”電機實際上是一種變極電機,在外轉子的內(nèi)表面鋪設了一層永磁材料,這層材料一般是一種高各向異性的陶瓷鐵氧體,厚度在15mm~50mm不等。除在定子上布置有主繞組外,在勵磁極周圍還布置有集中勵磁線圈。當電機旋轉時,這種磁性材料能夠被勵磁線圈磁化(或者“被寫”)為任意期待的磁極形式。因此,這種電機的磁極數(shù)和位置可以連續(xù)變化,可在小電流情況下實現(xiàn)快速啟動,在不同的轉速下實現(xiàn)常頻率輸出,這種特征非常適用于風力發(fā)電。針對飛輪轉子特定的結構,不可能在其上制造出凸極,因而排除了使用開關磁阻電機的可能。又由于感應電機一般只能在中低轉速下才能可靠地運行,也排除了使用感應電機的可能。永磁無刷直流電機的工作磁場是步進式旋轉磁場,很容易產(chǎn)生轉矩脈動,同時伴有較大的噪聲。永磁交流同步電機的工作磁場是均勻旋轉磁場,轉矩脈動量很小,運行噪聲也很小,而且它既具有交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點,又具有直流電機的運行效率高、無勵磁損耗、調(diào)節(jié)控制方便、調(diào)速范圍寬、易于實現(xiàn)雙向功率轉換等諸多優(yōu)點,非常適合于飛輪電池中作為能量轉換器使用。因此,一般選用永磁同步電機作為飛輪電池的驅動電機是比較理想的。為了降低噪聲,提出了如圖64所示的永磁同步電機外轉子構形。在這種構形中,轉子上的永磁體采用加硼稀土永磁材料,并采用Halbach陣列的偶極子布置方式,以形成均勻旋轉磁場,而定子上的繞組線圈采用利茲(Litz)導線(也稱為漆包絞線),盡量減少銅耗。這種結構采用了定子軸線與轉子軸線重合,從而可以做到循環(huán)冷卻液體完全位于真空容器外面,以利于真空容器的密封。Halbach陣列實際上是用多塊小磁體構成的環(huán)形漸變磁體,以便在環(huán)形體內(nèi)緣或外緣附近產(chǎn)生極強的磁隙。它最早是由勞倫斯伯克利實驗室的物理科學家Halbach提出,并以此來命名。Halbach已經(jīng)制定了各種電磁系統(tǒng)構形,如雙極、四極和六極等,而且可以根據(jù)多體環(huán)形漸變磁體電磁場的計算理論,很容易地計算空氣隙中任意一點的磁場,計算公式為式中:M為永久磁鐵的磁化強度;r2為Halbach陣列的外徑;r1為內(nèi)徑;r0為場點到軸心的距離。知道磁場后,就可計算電機的各種參數(shù)。根據(jù)Halbach陣列設計的能量轉換器,由于無需安裝任何鐵心或扼鐵,因此,也就不存在端部負載或不平衡力矩作用在轉子或它的懸浮物上,外部漏磁通可以忽略,定子內(nèi)無磁滯損耗和渦流損耗,而且轉子和定子的氣隙無需作為關鍵尺寸來控制。通過使用利茲導線作為定子繞組,飛輪電池將具有較低的怠速損耗和較高的效率。6.3.2永磁同步電機的數(shù)學模型分析正弦波電流控制的調(diào)速永磁同步電機最常用的方法就是建立數(shù)學模型,它不僅可用于分析正弦波永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)運行性能,也可用于分析電機的瞬態(tài)性能。為建立正弦波永磁同步電機的數(shù)學模型,則需(1)忽略電機鐵心的飽和;(2)不計電機中的渦流和磁滯損耗;(3)電機的電流為對稱的三相正弦波電流。由此可以得到以下的電壓、磁鐵、電磁轉矩和機械運動方程(式中各量為瞬態(tài)值)。電壓方程:if為永磁體的等效勵磁電流(A),當不考慮溫度對永磁體性能的影響時,其值為一常數(shù),if=ψf/Lmd;ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈;J為轉動慣量(包括轉子轉動慣量和負載機械折算過來的轉動慣量;RΩ為負載轉矩;TL為阻力系數(shù)。電機的d、q軸中各量與三相系統(tǒng)中實際各量間的聯(lián)系可通過坐標變換實現(xiàn)。如從電機三相實際電流iU

、iV

、iW

到d、q內(nèi)坐標系的電流id、iq,采用功率不變約束的坐標變換(復指數(shù)變換)時有:式中:θ為電機轉子的位置信號,即電機轉子磁極軸線(直軸)與定子繞組軸線的夾角(電角度)。i0為零軸電流,對三相對稱系統(tǒng),變換后的零軸電流i0=0。對于絕大多數(shù)正弦波調(diào)速永磁同步電機,轉子上不存在阻尼繞組,因而電機電壓、磁鐵和電磁轉矩方程可以簡化。6.3.3永磁同步電機的控制策略1.永磁同步電機控制方式通過檢測到的定子電壓和電流,借助電機轉矩和磁鏈的數(shù)學模型計算得到電機的轉矩和定子磁鏈,實現(xiàn)對電機瞬時磁鏈和轉矩的直接控制。該控制策略將電機和變換器作為一個整體,在靜止兩相坐標系進行控制,省去了坐標旋轉變換環(huán)節(jié),控制系統(tǒng)結構簡單,特別是提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。其中電機的定子磁鏈模型為在連接轉矩控制系統(tǒng)中,根據(jù)計算得到的轉矩、磁鏈與給定值的誤差進行滯環(huán)控制,選取適當?shù)碾妷嚎臻g矢量及其作用時間,不足之處在于低速性能不佳,調(diào)速范圍不夠大,轉矩波動較大,其原因在于低速時電機端電壓較低,造成定子磁鏈模型的誤差增大,因此這種控制策略仍需進一步完善。2.飛輪電池的控制方案飛輪電池的充電過程就是電機的升速過程。在充電過程中要求系統(tǒng)有盡可能快的速度,對應于這一要求,電機升速可以采用兩種變頻控制方式:恒轉矩控制和恒功率控制。恒轉矩控制是以系統(tǒng)能承受的最大轉矩為加速轉矩,保持系統(tǒng)的加速轉矩不變,恒功率控制是以系統(tǒng)能承受的最大功率為加速功率,保持系統(tǒng)的加速功率不變。設飛輪轉子最大轉速與最小轉速之比為5∶1,則飛輪電池總儲能量的96%能夠得到利用。電機由角速度ω/5加速到ω,按照恒轉矩控制方式,電機最大功率與加速時間分別為6.3.4結論比較式(615)與式(618)可知,恒功率控制所需的儲能時間t2為恒轉矩控制tL

的3倍,而所需要的電機功率為恒轉矩控制的1/2。根據(jù)上述分析,飛輪電池的基速取飛輪額定轉速的1/5,當飛輪從零轉速開始起動直至加速到基速(ωmax/5)時,采用恒轉矩控制方式調(diào)速;在ωmax/5至ωmax之間的升速時,采用恒功率控制方式。6.4儲能的穩(wěn)定性分析6.4.1引言新設計的磁軸承,對其進行運動穩(wěn)定性分析將是非常必要的,尤其對電動磁力軸承更是如此。電動磁力軸承由于并不參與靜態(tài)載荷的支承,它主要是用來當轉子由于外界或自身的原因產(chǎn)生徑向偏移時仍能確保轉子在預定中心附近穩(wěn)定回轉。當轉子中心偏移預定位置時,轉子除受到沿偏移方向相反的恢復力外,還受到與偏移方向垂直的切向力的作用,這種切向力將使轉子在自轉的同時還要產(chǎn)生公轉。因此在轉子的運動分析時,轉子的中心再也不能只停留在Y軸上,而應考慮更一般的情況?，F(xiàn)將轉子的偏移方向設定為任意方向,但徑向偏距仍然是r。下面分析的目的就是要找出轉子在什么條件下能確保始終在預定中心附近穩(wěn)定回轉。6.4.2飛輪蓄能系統(tǒng)穩(wěn)定運轉當轉子的質(zhì)心與其幾何中心重合,轉子的受力構形圖如圖65所示。當系統(tǒng)不穩(wěn)定時要恢復穩(wěn)定,一是降低導體環(huán)回路的電阻R;二是增加導體環(huán)回路的電感L;最后就是提高轉子自轉的角速度ω。因此,隨著轉子的自轉速度的增大,阻尼系數(shù)的減小,系統(tǒng)將越來越穩(wěn)定。以上分析是當轉子的質(zhì)心與其幾何中心重合時的情況。在圖66中,由于制造原因,轉子中心與幾何中心不可能完全重合。幾何中心和質(zhì)心重合與否都不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因而對轉子的動平衡沒有什么特殊要求。6.4.3阻尼系統(tǒng)的設計要想讓電動磁力軸承穩(wěn)定運轉,必須給系統(tǒng)提供適當?shù)淖枘帷Ｗ枘嵯到y(tǒng)的結構簡圖如圖67所示,它的線圈安裝在定子上,而永磁體安裝在轉子上。在圖67中,當轉子作徑向偏移時,定子上的線圈將會切割由永磁體產(chǎn)生的磁場的磁力線,從而在線圈上會產(chǎn)生感應電動勢式中:N為線圈的匝數(shù);l為線圈的有效長度;v為轉子的徑向偏移速度;B為線圈的內(nèi)圓弧附近的磁通密度。6.4.4結論電動磁力軸承的可行性和特性分析,可以從以下幾個方面來論述。首先,利用電磁學原理在理論上經(jīng)過嚴密的數(shù)學推導證實這種軸承是可行的,即只要滿足穩(wěn)定運轉條件,系統(tǒng)就能穩(wěn)定運轉;其次,電動磁力軸承要求的材料很容易獲得,如兩對沿軸向充磁的環(huán)形永磁體、普通的線狀導線和非磁性材料圓盤(如復合材料圓盤),電動磁力軸承的結構簡單,而且電動磁力軸承的轉子實際上是繞其質(zhì)心回轉,因而對動平衡的要求大為降低,從而降低了制造要求,也容易安裝;除此之外,電磁力實現(xiàn)旋轉物體的非接觸懸浮的運轉,可以更加穩(wěn)定運轉。由此可見,電動磁力軸承不論是從它的機理、磁力分析和運動穩(wěn)定性分析,還是從它的結構、材料、制造等方面都表明是可行的。7.1風機葉片的設計

7.2葉片的有限元設計方法

7.3儲能飛輪的設計7.1風機葉片的設計虛擬原型技術是在虛擬的逼真環(huán)境下,對產(chǎn)品設計信息進行協(xié)同仿真驗證的有效手段,它可以有效支持并行設計,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。在分析了虛擬原型與并行設計的關系后,提出了基于域對象的虛擬原型建模與仿真方法,并闡述了支持虛擬原型的集成框架的關鍵技術。面對現(xiàn)代高技術產(chǎn)品的設計復雜性障礙和激烈的市場競爭,產(chǎn)品設計生產(chǎn)部門非常需要能有效地提高產(chǎn)品設計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期、降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本的新技術的支持。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品

設

計

與

制

造

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了

驗

證

產(chǎn)

品

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往

采

用

物

理

原

型(方法,但是這種方法生產(chǎn)周期長、成本高。進入90年代后,隨著計算機技術和CIMS技術的迅猛發(fā)展,虛擬原型方法在產(chǎn)品設計和制造過程中起到越來越大的作用。虛擬原型是根據(jù)產(chǎn)品設計信息或產(chǎn)品概念產(chǎn)生的在功能、行為以及感官(視覺、聽覺、觸覺等)特性方面與實際產(chǎn)品盡可能相似的可仿真數(shù)字模型。本文分析了虛擬原型與并行設計的關系,提出了基于域對象的虛擬原型建模與仿真方法,重點闡述了利用計算機進行風力發(fā)電風機葉片的設計,并模擬葉片的空氣動力學過程。由于虛擬原型技術對推動并行工程和擬實制造技術的發(fā)展有重要意義,國外許多研究機構和軟件供應商都很重視研究、開發(fā)和應用虛擬原型技術,現(xiàn)已深入到機械、電子、航空、船舶、汽車與通訊等多個領域。7.1.1物理原型、

數(shù)字原型與虛擬原型的概念原型是一個產(chǎn)品的最初形式,它不必具有最終產(chǎn)品的所有特性,只需具有進行產(chǎn)品某些方面測試所需的關鍵特性。在設計制造任何產(chǎn)品時,都有一個叫“原型機”的環(huán)節(jié)。所謂原型機,是指對于某一新型號或新設計,在結構上的一個全功能的物理裝置。通過這個裝置,設計人員可以檢驗各部件的設計性能以及部件之間的兼容性,并檢查整機的設計性能。產(chǎn)品原型分數(shù)字原型和虛擬原型兩種。開發(fā)一種新產(chǎn)品,需要考慮諸多因素。例如,在開發(fā)一種新型水泵時,其創(chuàng)新性要受到性能、人機工程學、可制造性及可維護性等多方面要求的制約。為了在各個方面作出較好的權衡,往往需要建立一系列小比例的產(chǎn)品試驗模型,通過重新裝配試驗模型并進行試驗,供設計、工藝、管理和銷售等具有不同經(jīng)驗背景的人員進行討論和校驗產(chǎn)品設計的正確性。為了反映真實產(chǎn)品的特性,這種試驗模型通常需要花費設計者相當多的時間和經(jīng)費才能制造出來,甚至還可能影響系統(tǒng)性能的確定和進一步優(yōu)化,我們通常稱這種模型為物理原型或物理原型機。對物理原型機進行評價的來自不同部門的人員不僅希望能看到直觀的原型,而且還希望原型最好能夠被迅速地、方便地修改,以便能體現(xiàn)出討論的結果,并為進一步討論做準備,但這樣做要花費大量的時間和經(jīng)費,有時甚至是不可能的。圖71是采用虛擬原型的產(chǎn)品并行設計流程示意圖。在上游結構功能設計與驗證完成后,根據(jù)產(chǎn)品功能結構信息、庫元件信息及一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)生成產(chǎn)品的虛擬原型。虛擬原型中包含有所需的系統(tǒng)結構行為、結構和物理設計信息。以虛擬原型為基礎,并行設計規(guī)劃綜合考慮各種約束,對虛擬原型進行仿真和測試,對物理參數(shù)信息進行分析和規(guī)劃,判斷性能指標是否能夠滿足,設計方案是否合理,并給出產(chǎn)品的工程可實現(xiàn)性評價。如果發(fā)現(xiàn)性能指標和各種約束不能滿足,則提出相應的修改建議,重新生成虛擬原型或修改設計方案,否則,規(guī)劃出設計優(yōu)化約束規(guī)則,驅動下游設計。1.數(shù)字原型數(shù)字原型是應用CAD實體造型軟件和特征建模技術設計的產(chǎn)品模型,是物理原型的一種替換技術。在CAD模型的基礎上,可進行有限元、運動學和動力學等工程分析,以驗證并改善設計結果。這些分析程序可以提供有關產(chǎn)品功能的詳細信息,但只有專業(yè)人員才能使用。然而,在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段,例如在進行概念設計時,往往不需要進行詳細的分析,這一階段所考慮的重點是外觀、總體布置以及一些諸如運動約束、可接近性等特征。這樣,基于傳統(tǒng)CAD/CAM的數(shù)字原型就不能滿足要求了。2.虛擬原型虛擬原型是通過構造一個數(shù)字化的原型機來完成物理原型機的功能,在虛擬原型上能實現(xiàn)對產(chǎn)品進行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。它是在CAD模型的基礎上,使虛擬技術與仿真方法相結合,為原型機的建立提供的一種方法。這一定義包括以下各個要點:(1)對于指定需要虛擬的原型機的功能應當明確定義并仿真。(2)如果人的行為包含于原型機指定的功能之中,那么人的行為應當被逼真地仿真或者人被包含于仿真回路之中,即要求實現(xiàn)實時的人在回路中的仿真。(3)如果原型機的指定功能不要求人的行為,那么離線仿真即非實時仿真是可行的。同時,定義指出,虛擬原型機還有如下要點:首先,它是部分的仿真,不能要求對期望系統(tǒng)的全部功能進行仿真;其次,使用虛擬原型機的仿真缺乏物理水平的真實功能;最后,虛擬原型就是在設計的現(xiàn)階段,根據(jù)已有的細節(jié),通過仿真期望系統(tǒng)的響應來做出必要判斷的過程。同物理樣機相比,虛擬樣機的一個本質(zhì)的不同點就是能夠在設計的最初階段就構建起來,遠遠先于設計的定型。當然,虛擬原型不是用來代替現(xiàn)有的CAD技術,而是要在CAD數(shù)據(jù)的基礎上進行工作。虛擬原型給所設計的物體提供了附加的功能信息,而產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)庫包含完整的、集成的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)及對產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的管理,從而為產(chǎn)品開發(fā)過程各階段提供共享的信息。虛擬原型仿真在域對象的功能基礎上進行。其模型在邏輯上是由多個域對象構成的網(wǎng)絡,由一個服務器統(tǒng)一管理。參與虛擬原型仿真的用戶通過客戶結點連接到服務器上,如圖72。服務器結點的核心是對象管理器,它通過對一組領域實體對象的管理,集中體現(xiàn)了產(chǎn)品的整體結構信息。客戶結點由視圖對象、仿真客戶代理和協(xié)作虛擬原型仿真界面構成。視圖對象由對象管理器根據(jù)用戶的仿真需求動態(tài)產(chǎn)生,記錄了用戶希望得到的信息的內(nèi)容和形式,其主要作用是配合仿真客戶代理,為用戶提供所需的產(chǎn)品仿真視圖,以減少信息冗余。不同領域設計者關心的內(nèi)容及認識問題的角度都有不同。仿真客戶代理在各領域對象產(chǎn)生的仿真輸出結果中查找用戶需要的信息,經(jīng)過一定轉換后送到虛擬原型界面上產(chǎn)生可視化的輸出。用戶在界面上對虛擬原型所加的操作,被虛擬原型界面感知后,也通過仿真客戶代理轉化為域對象可識別的激勵形式,并通過虛擬原型服務器發(fā)往各域對象。3.虛擬原型技術虛擬原型技術是一種利用數(shù)字化的或者虛擬的數(shù)字模型來替代昂貴的物理原型,從而大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周朝的工程方法。它是物理原型的一種替換技術。在國外相關文獻中,出現(xiàn)過”VirtualPrototype”和”VirtualPrototyping"兩

種

提

法。“VirtualPrototype”是指一個基于計算機仿真的原型系統(tǒng)或原型子系統(tǒng),相比于物理原型機,它在一定程度上達到功能的真實,因此可稱為虛擬原型機或虛擬樣機?！癡irtualPrototyping”是指為了測試和評價一個系統(tǒng)設計的特定性質(zhì)而使用虛擬樣機來替代物理樣機的過程,它是構建產(chǎn)品虛擬原型機的行為,可用來探究、檢測、論證和確認設計,并通過虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)給開發(fā)者、銷售者,使用戶在虛擬原型機構建過程中與虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行交互,我們稱其為虛擬原型化。虛擬原型化屬于虛擬制造過程中的主要部分。而一般情況下簡稱的VP則是泛指以上兩個概念。美國國防部將虛擬原型機定義為利用計算機仿真技術建立與物理樣機相似的模型,并對該模型進行評估和測試,從而獲取關于候選的物理模型設計方案的特性。開發(fā)虛擬原型的目的在于便于用戶對產(chǎn)品進行觀察、分析和處理。7.1.2虛擬原型開發(fā)方法的特點同傳統(tǒng)的基于物理原型的設計開發(fā)方法相比,虛擬原型開發(fā)方法具有以下特點。首先,它是一種全新的研發(fā)模式。虛擬原型技術真正地實現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化,它基于并行工程,使得在產(chǎn)品的概念設計階段可以迅速地分析、比較多種設計方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過可視化技術設計,預測產(chǎn)品在真實工況下的特征以及所具有的響應,直至獲得最優(yōu)工作性能。其次,它具有更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期和更高的產(chǎn)品質(zhì)量。通過計算機技術建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型,可以克服成本和時間條件的限制,完成無數(shù)次物理樣機無法進行的虛擬試驗,從而無須制造及試驗物理樣機就可獲得最優(yōu)方案,這樣不但克服了成本和時間條件的限制,而且縮短了研發(fā)周期,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。最后,它是實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟的重要手段。虛擬原型機是一種數(shù)字化模型,它通過網(wǎng)絡傳輸產(chǎn)品信息,具有傳遞快速、反饋及時的特點,進而使動態(tài)聯(lián)盟的活動具有高度的并行性。7.1.3風力發(fā)電風機葉片研究的意義風力發(fā)電風機葉片開發(fā)的基本構思是用計算機完成整個產(chǎn)品開發(fā)過程。工程師在計算機上建立產(chǎn)品模型,對模型進行各種分析,然后改進產(chǎn)品設計方案。VPD通過建立產(chǎn)品的數(shù)字模型,用數(shù)字化形式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物原型試驗,在數(shù)字狀態(tài)下進行產(chǎn)品靜態(tài)和動態(tài)的性能分析,然后再對原設計重新進行組合或者改進。即使對于復雜的產(chǎn)品,也只需要制作一次最終的實物原型,使新產(chǎn)品開發(fā)能夠一次獲得成功。VPD是由從事產(chǎn)品設計、分析、仿真、制造以及產(chǎn)品銷售和服務等方面的各種人員所組成,他們通過網(wǎng)絡通信組建成“虛擬”的產(chǎn)品開發(fā)小組,將設計和制造工程師、分析專家、銷售人員、供應廠商以及顧客聯(lián)成一體,不管他們所處何地,都可實現(xiàn)異地協(xié)同工作。VPD技術的應用過程是用數(shù)字形式“虛擬地”創(chuàng)造產(chǎn)品,并在制造實物原型之前對產(chǎn)品的外形、部件組合和功能進行評審,快速地完成新產(chǎn)品開發(fā)。由于在VPD環(huán)境中的產(chǎn)品實際上只是一種數(shù)字模型,因此可以對它隨時隨地進行觀察、分析、修改及更新版本,這樣使新產(chǎn)品開發(fā)所涉及的方面,包括設計、分析以及對產(chǎn)品可制造性、可裝配性、易維護性、易銷售性等的測試,都能同時相互配合進行。7.1.4建立虛擬原型的主要步驟美國密執(zhí)安大學的虛擬現(xiàn)實實驗室曾經(jīng)在克萊斯勒汽車公司的資助下對建立汽車虛擬原型的過程進行了研究,包括如何從一個產(chǎn)品的CAD模型創(chuàng)建虛擬原型以及如何在虛擬環(huán)境中使用虛擬原型,同時還開發(fā)了人機交互工具、自動算法和數(shù)據(jù)格式等,結果使創(chuàng)建虛擬原型所需的時間從幾周降低到幾小時。建立虛擬原型的主要步驟如下:(1)從CAD/CAM模型中取出幾何模型。(2)鑲嵌:用多面體和多邊形逼近幾何模型。(3)簡化:根據(jù)不同要求刪去不必要的細節(jié)。(4)虛擬原型編輯:著色、材料特性渲染、光照渲染等。(5)粘貼特征輪廓,以更好地表達某些細節(jié)。(6)增加周圍環(huán)境和其他要素的幾何模型。(7)添加操縱功能和性能。7.1.5支持虛擬原型的集成框架實現(xiàn)虛擬原型需要有仿真工具的支持,需要有領域設計工具的支持,也需要有開放的集成框架平臺的支持。集成框架集數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理能力、網(wǎng)絡的通訊能力及過程的控制能力于一體,它不僅能實現(xiàn)分布環(huán)境中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,還能夠很好地實現(xiàn)對虛擬原型的支持。1.支持虛擬原型的集成框架的結構支持虛擬原型的集成框架基于Client/Server結構,客戶和服務器對象間的通訊通過基于CORBA的Client/Server中間件連接,其結構如圖73所示。從軟件角度看,它是一種層次結構,上層是用戶服務器,反映了虛擬原型系統(tǒng)所支持的主要功能,用戶通過客戶端用戶界面使用服務方提供的高層次的用戶服務,不必關心底層實現(xiàn)結構。每類服務由多個Agent構成,Agent間以靈活的方式通訊和互操作。用戶服務分為4類:數(shù)據(jù)服務、集成服務、交互服務、應用服務。數(shù)據(jù)服務對領域數(shù)據(jù)和原型數(shù)據(jù)進行存儲和管理,并負責產(chǎn)生虛擬數(shù)據(jù),它使用面向對象方法對數(shù)據(jù)建模,用數(shù)據(jù)語言描述虛擬原型。集成服務支持工具集成和團隊集成,包括共享電子記事本,用于多領域設計團隊中人的通訊,也包括工具集成和封裝機制。交互服務提供3D虛擬環(huán)境,支持產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可視化和交互,為用戶產(chǎn)生沉浸感。應用服務管理相對靜態(tài)的應用(大多為商品化工具),這些應用為虛擬原型用戶執(zhí)行特定功能。應用服務包括一些與虛擬原型設計驗證相關的工具,如虛擬原型生成工具、虛擬原型仿真工具,也包括一些特定的服務,如過程管理、項目管理、工具調(diào)度、并行設計規(guī)劃等。在上述結構中,數(shù)據(jù)服務是實現(xiàn)支持虛擬原型的集成框架的核心和難點。在這些用戶服務之下,是底層支持結構,這種底層結構對用戶不可見。該結構的主要是支持高層次Agent間通訊需求,它包含3個層次(1)信息共享層:與系統(tǒng)內(nèi)實體間的高層次通訊需求相關。(2)對象管理層:在分布異構計算環(huán)境中,對用戶和應用隱藏通訊細節(jié)。(3)高性能計算和通訊網(wǎng)絡接口層:分離網(wǎng)絡級的底層硬件和通訊與對象管理層及其它高層次Agent。2.數(shù)據(jù)服務圖74是基于域對象的虛擬原型數(shù)據(jù)服務的結構。領域數(shù)據(jù)庫中存放域對象。虛擬原型是對域對象的更高層次封裝,是以產(chǎn)品為核心包含多領域信息的完備功能實體,為用戶提供一個數(shù)字的產(chǎn)

品

仿

真

模

型。原

型

數(shù)

據(jù)

庫

存放虛擬原型使用的多領域數(shù)據(jù)集合,包括所有域對象、域對象之間的關系以及相關的設計數(shù)據(jù)與虛擬數(shù)據(jù)等。用戶界面一方面通過仿真界面服務器接受用戶的仿真操作,并將該操作轉化成向虛擬原型提出的仿真請求;另一方面將仿真的結果數(shù)據(jù)以圖形方式顯示,以便人機交互。領域數(shù)據(jù)庫和原型數(shù)據(jù)庫分別置于物理上分布的多個Server中,各Client中仿真界面直接訪問原型數(shù)據(jù)庫所在的Server,該Server再根據(jù)內(nèi)部的域對象管理機制,向各領域數(shù)據(jù)庫所在的Server上的域對象發(fā)出服務請求。最后,將服務返回的結果提供給用戶界面或視圖對象。領域數(shù)據(jù)庫為虛擬原型提供的數(shù)據(jù)服務功能主要有以下4個方面:域對象的生成與存儲;面向仿真的數(shù)據(jù)服務;與相關領域的數(shù)據(jù)交換;面向虛擬數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)服務。原型數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)管理功能上由對象管理器、仿真數(shù)據(jù)服務器和虛擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生器構成。對象管理器負責域對象與視圖對象的創(chuàng)建、維護和刪除工作。仿真數(shù)據(jù)服務器主要根據(jù)界面服務器對用戶操作的感知,通過對域對象的訪問,為仿真界面提供相應的仿真與數(shù)據(jù)服務。數(shù)據(jù)產(chǎn)生器按照一定的規(guī)則,結合領域數(shù)據(jù)庫中的設計信息,自動生成虛擬原型中的虛擬數(shù)據(jù)。7.1.6基于計算機技術在風力發(fā)電風機葉片設計中的應用計算機技術在風力發(fā)電風機葉片設計系統(tǒng),在實際工程項目中得到成功應用。系統(tǒng)構建流程是:首先在3DCAD系統(tǒng)中建立變電柜產(chǎn)品的CAD模型;然后將建好的模型通過STEP中間轉化格式引入到3DSMAX中,并進行相應的材質(zhì)貼圖、渲

染、動

畫、優(yōu)

化

等

操

作

使

虛

擬

模

型

更

加

逼

真;通

過3DSMAX的VRML97ExporIer插件將虛擬模型保存為VRML文件;在VRML中添加相應的動畫事件并優(yōu)化VRML文件,使其便于在網(wǎng)上傳輸;最后將處理后的模型發(fā)布在基于虛擬原型技術的風力發(fā)電風機葉片設計系統(tǒng)中供用戶使用。7.1.7基于計算機技術在風力發(fā)電風機葉片設計中的優(yōu)勢(1)成本低,速度快,節(jié)省了制造物理原型的昂貴費用。并且,在計算機上建立虛擬原型的時間遠遠小于物理原型的制作時間。(2)有利于設計優(yōu)化,虛擬原型易于修改,可以利用虛擬原型對各種設計方案進行綜合比較,并選出最優(yōu)設計。(3)可有效支持并行設計,可以方便地實現(xiàn)上下游并行設計和多專家協(xié)同設計。(4)有利于實現(xiàn)擬實制造,虛擬原型數(shù)據(jù)可直接用于擬實制造。虛擬原型是多學科和多領域技術的交叉和集成,除應用專業(yè)技術外,還涉及CAD/CAE、并行工程、虛擬現(xiàn)實、CSCW、逆向工程、人工智能、計算機仿真、分布計算等技術,技術難度很大。我們正以機電一體化的電子設備設計應用為背景,研究虛擬原型的實現(xiàn)技術,開發(fā)實用地支持并行設計的虛擬原型環(huán)境。7.2葉片的有限元設計方法有限元方法作為一種數(shù)學計算方法,自其問世以來,在工程計算領域中起著越來越重要的作用。二維和三維有限元法在工程中得到了廣泛應用,本文重點研究基于計算機的有限元分析中的一些基本原理和方法等。不少工程問題都可用微分方程和相應的邊界條件來描述。例如一個長為l的螺旋槳風葉葉片在自由端受集中力F作用時,其變形撓度Y滿足的微分方程和邊界條件是:式中:E為彈性模量;l為截面慣量。由微分方程和相應邊界條件構成的定解問題稱為微分方程邊值問題。除少數(shù)幾種簡單的邊值問題可以求出解析解外,一般都只能通過數(shù)值方法求解。而有限元法就是一種十分有效的求解微分方程邊值問題的數(shù)值方法,也是CAE軟件的核心技術之一。7.2.1有限元法的基本原理與分析方法有限元法是一種數(shù)值離散化方法。根據(jù)變分原理進行數(shù)值求解。因此適合于求解結構形狀及邊界條件比較復雜、材料特性不均勻等力學問題,能夠解決幾乎所有工程領域中各種邊值同題(平衡或定常問題、特征值問題、動態(tài)或非定常問題),如彈性力學、彈塑性與黏彈性、疲勞與斷裂分析、動力響應分析、流體力學、傳熱、電磁場等問題。有限元法的基本思想是:在對整體結構進行結構分析和受力分析的基礎上,對結構加以簡化,利用離散化方法把簡化后的連續(xù)結構看成是由許多有限大小、彼此只在有限個節(jié)點處相連接的有限單元的組體;然后,從單元分析入手,先建立每個單元的剛度方程,再通過組合各單元,得到整體結構的平衡方程組(也稱總體剛度方程);最終引入邊界條件,并對平衡方程組進行求解,便可得到問題的數(shù)值近似解。用有限元法進行結構分析的步驟是:離散化處理一單元分析一整體分析一引入邊界條件求解。有限元法分為三類。(1)位移法。取節(jié)點位移作為基本未知量的求解方法。利用位移表示的平衡方程及邊界條件先求解位移未知量,然后根據(jù)幾何方程與物理方程求解應變和應力。(2)力法。取節(jié)點力作為基本未知量的求解方法。(3)混合法。取一部分節(jié)點位移、一部分節(jié)點力作為基本未知量的求解方法。其中位移法易于實現(xiàn)計算機自動化計算。下面以圖75所示的兩段截面大小不同的螺旋槳葉片為例來說明有限元法的基本原理和步驟。該梁一端固定,另一端受一軸向載荷作用p3=10N,已知兩段的橫截面面積分別為A(1)=2cm2

和A(2)=1cm2,長

度

為L(1)=L2=10cm,所

用

材

料

的

彈

性

模

量E(1)=E(2)=1.96×107N/cm2。以下是用有限元法求解這兩段軸的應力和應變的過程。(1)結構和受力分析。在圖75所示的結構和受力情況均較簡單,可直接將此螺旋槳風葉葉片簡化為由兩根桿件組成的結構,一端受集中力P3作用,另一端為固定約束。(2)離散化處理。將這兩根桿分別取為兩個單元,單元之間通過節(jié)點2相連接。這樣,整個結構就離散為兩個單元、三個節(jié)點。由于結構儀受軸向載荷,因此各單元內(nèi)只有軸向位移?，F(xiàn)將三個節(jié)點的位移量分別記為φ1、φ2、φ3。(3)單元分析。單元分析的目的是建立單元剛度矩陣?，F(xiàn)取任一單元e進行分析。當單元兩端分別受有兩個軸向力P1(e)和P2(e)的作用時,如圖75(c)所示,它們與兩端節(jié)點1(e)和2(e)處的位移量φ1(e)和φ2(e)之間存在一定的關系。根據(jù)材料力學知識可知該矩陣中任一元素kij,都稱為單元剛度系數(shù)。它表示該單元內(nèi)節(jié)點j處單位位移時,在節(jié)點i處所引起的載荷。利用上述方法,可以進行負載分析。7.2.2有限元分析中的離散化處理由于實際機械結構常常很復雜,即使對結構進行了簡化處理,仍然很難用單一的單元來描述。因此,在對機械結構進行有限元分析時,必須選用合適的單元并進行合理的搭配,對連續(xù)結構進行離散化處理,以便使所建立的計算力學模型能在工程意義上盡量接近實際結構,提高計算精度。在結構離散化處理中需要解決的主要問題是:單元類型選擇、單元劃分、單元編號和節(jié)點編號。1.單元類型選擇的原則在進行有限元分析時,正確選擇單元類型對分析結果的正確性和計算精度具有重要的作用。選擇單元類型通常應遵循以下原則。(1)所選單元類型應對結構的幾何形狀有良好的逼近程度。(2)要真實地反映分析對象的工作狀態(tài),例如,機床基礎大件在受力時,彎曲變形很小,可以忽略,這時宜采用平面應力單元。(3)根據(jù)計算精度的要求,并考慮計算工作量的大小,恰當選用線性或高次單元。2.單元類型及其特點1)螺旋槳風葉葉片單元一般把截面尺寸遠小于其軸向尺寸的構件稱為桿狀構件。桿狀構件通常用桿狀單元來描述。桿狀單元屬于一維單元。根據(jù)結構形式和受力情況,螺旋槳風葉葉片單元模擬桿狀構件時,一般還應分為桿單元和梁單元兩種形式。(1)桿單元有兩個節(jié)點。每個節(jié)點僅有一個軸向自由度,如圖76(a)所示,因而它能承受軸向拉壓載荷。常見的鉸接桁架,通常就使用這種單元來處理。(2)平面梁單元也只有兩個節(jié)點。每個節(jié)點在圖示平面內(nèi)具有三個自由度,即橫向自由度、軸向自由度和轉動自由度,如圖76(b)所示。該單元可以承受彎矩切向力和軸向力,如機床的主軸、導軌可使用這種單元處理。(3)空間螺旋槳風葉葉片單元實際上是平面螺旋槳風葉葉片單元向空間的推廣。因而單元的每個節(jié)點具有六個自由度,如圖76(c)所示。當梁截面的高度大于

長度時,一般要考慮剪切應變對撓度的影響,通常的方法是對梁單元的剛度矩陣進行修正。2)薄板單元薄板構件一般是指厚度遠小于其輪廓尺寸的構件。薄板單元主要用于薄板構件的處理,但對那些可以簡化為平面問題的受載結構,也可使用這類單元。這類單元屬于二維單元。按其承載能力又可分為平面單元、彎曲單元和薄殼單元三種。常用的平面單元有三角形單元和矩形單元兩種。它們分別有三個節(jié)點和四個節(jié)點。每個節(jié)點有兩個平面內(nèi)的平動自由度,如圖77所示。這類單元不能承受彎曲載荷。薄板彎曲單元主要承受橫向載荷和繞兩個水平軸的彎矩,它也有三角形和矩形兩種單元形式,分別具有三個節(jié)點和四個節(jié)點。每個節(jié)點都有一個橫向自由度和兩個轉動自由度,如圖78所示。所謂薄殼單元,實際上是平面單元和薄板彎曲單元的組合。它的每個節(jié)點既可承受平面內(nèi)的作用力,又可承受橫向載荷和繞水平軸的彎矩。顯然,采用薄板單元來模擬工程中的板殼結構,不僅考慮了板在平面內(nèi)的承載能力,而且考慮了板的抗彎能力,這是比較接近實際情況的。3)多面體單元多面體單元是平面單元向空間的推廣。圖79所示的多面體單元屬于三維單元(四面體單元和長方體單元),分別有四個節(jié)點和八個節(jié)點。每個節(jié)點有三個沿坐標軸方向的自由度。多面體單元可用于對三維實體結構的有限元分析。目前大型有限元分析軟件中,多面體單元一般都被8~21節(jié)點空間等參單元所取代。在有限元法中單元內(nèi)任意一點的位移是用節(jié)點位移進行插值求得的,其位移插值函數(shù)一般稱為形函數(shù)。如果單元內(nèi)任一點的坐標值也用同一形函數(shù),按節(jié)點坐標進行插值來描述,那么這種單元就稱為等參單元。等參單元有許多優(yōu)點。它可用于模擬任意曲線或曲面邊界,其分析計算的精度較高。等參單元的類型很多,常見的有平面4~8節(jié)點空間等參單元和8~21節(jié)點空間等參單元。7.2.3離散化處理在完成單元類型選擇之后,便可對分析模型進行離散化處理,將分析模型劃分為有限個單元。單元之間僅在節(jié)點上連接,單元之間僅通過節(jié)點傳遞載荷。在進行離散化處理時,應根據(jù)要求的計算精度、計算機硬件性能等決定單元的數(shù)量。同時,還應注意下述問題:①

任意一個單元的頂點必須同時是相鄰單元的頂點,而不能是相鄰單元的內(nèi)點。圖710(a)正確,圖710(b)錯誤。②

盡可能使單元的各邊長度相差不要太大。在三角形單元中最好不要出現(xiàn)鈍角。圖710(c)正確,圖710(d)不妥。③

在結構的不同部位應采用不同大小的單元來劃分。重要部位網(wǎng)格密、單元小,次要部位網(wǎng)格稀、單元大。④

對具有不同厚度或由幾種材料組合而成的構件,必須把厚度突變線或不同材料的交界線取為單元的分界線,即同一單元只能包含一個厚度或一種材料常數(shù)。⑤

如果構件受集中載荷作用或承受突變的分布載荷作用,應當把受集中載荷作用的部位或承受突變的分布載荷作用的部位劃分得更細,并且在集中載荷作用點或載荷突變處設置節(jié)點。⑥

若結構和載荷都是對稱的,則可只取一部分來分析,以減小計算量。7.2.4單元分析單元分析的目的是通過對單元的物理特性分析,建立單元的有限元平衡方程。1.單元位移插值函數(shù)在完成結構的離散化后,就可以分析單元的特性。為了能用節(jié)點位移表示單元體內(nèi)的位移、應變和應力等,在分析連續(xù)體的問題時,就必須對單元內(nèi)的位移分布作出一定的假設,即假定位移是坐標的某種簡單函數(shù)。這種函數(shù)就稱為單元的位移插值函數(shù),簡稱位移函數(shù)。選擇適當?shù)奈灰撇逯岛瘮?shù)是有限元分析的關鍵。位移函數(shù)應盡可能地逼近實際的位移,以保證計算結果收斂于精確解。位移函數(shù)必須具備三個條件:①

位移函數(shù)在單元內(nèi)必須連續(xù),相鄰單元之間的位移必須協(xié)調(diào)。②

位移函數(shù)必須包含單元的剛體位移。③

位移函數(shù)必須包含單元的常應變狀態(tài)。2.單元剛度矩陣單元剛度矩陣由單元類型決定,可用虛功原理或變分原理等導出。前述三角形單元的單元剛度矩陣為單元剛度矩陣的每一元素與單元的幾何形狀和材料特性有關,表示由單位節(jié)點位移所引起的節(jié)點力分量。單元剛度矩陣具有三個性質(zhì):①

對稱性,單元剛度矩陣是一個對稱陣;②

奇異性,單元剛度矩陣各行(列)的各元素之和為零,因為在無約束條件下