Construction and control of AMBs high speed flywheel

• Autorzy: Mystkowski A. , Rowiński A.

Warianty tytułu

PL

Konstrukcja i sterowanie wysokoobrotowym łożyskowanym magnetycznie magazynem energii kinetycznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper reports on investigation and development of a flywheel device intended for an energy storage prototype. The goal was to design and experimentally verify the concept of self-integrated flywheel with smart control of energy flow and accumulation. The Flywheel Energy Storage System (FESS) must has high energy efficiency and structural robustness. Investigation on structural dynamics of the composite flywheel connected with outer type rotor was carried out using Finite Element Method. The FESS is designed to run in vacuum and is supported on low-energy, controlled, active magnetic bearings (AMBs). The flywheel device of 10 MJ energy density and a weight of 150 kg with two integrated rotors/generators of 50 kW power density each is intended to operate up to 40 000 rpm.

PL

W pracy przedstawiono konstrukcję wykonanego prototypu wysokoobrotowego zasobnika energii kinetycznej łożyskowanego magnetycznie. Prototyp został zrealizowany w ramach projektu badawczego realizowanego przez konsorcjum, w którego skład wchodzą: Akademia Górniczo-Hutnicza, Instytut Lotnictwa, Politechnika Warszawska i Politechnika Białostocka. Projekt obejmował wykonanie analiz wytrzymałościowo-sztywnościowych krytycznych elementów zasobnika, projekty techniczne zespołu i poszczególnych podzespołów w tym łożysk magnetycznych, bezszczotkowych silników elektrycznych, wirnika kompozytowego oraz przeprowadzenie prób funkcjonalnych. Zasobnik został przystosowany do pracy w próżni (ciśnienie 1 Pa). Zewnętrzne układy sterowania napędem oraz położeniem wału zasobnika za pomocą silników tarczowych i aktywnych łożysk magnetycznych zostały zaprojektowane, wykonane i opisane w pracy. Prototyp zasobnika energii kinetycznej posiada następujące parametry pracy: użytkowa wartość gromadzonej energii do 10 MJ, masa elementów wirujących 150 kg, moc silników/generatorów 50 kW każdy oraz zakładana maksymalna prędkość obrotowa pracy do 40 000 obr/min.

Słowa kluczowe

EN

flywheel; magnetic bearing; composite rotor; optimal control; strength calculations

PL

magazyn energii dynamiczny; łożysko magnetyczne; wirnik kompozytowy; sterowanie optymalne; obliczenia wytrzymałościowe

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. LVIII, nr 1
• Strony: 79--89
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Mystkowski A.

autor

Rowiński A.

• Białystok University of Technology, Wiejska 45C, 15-351 Białystok, Poland,

Bibliografia

• [1] Kameno H., et al.: Basic design of 1kWh class compact flywheel energy storage system, Koyo Engineering Journal, 2003, No. 163, pp. 44-48.
• [2] Nathan G.W., Jeremiah I.R.: Flywheel system with parallel pumping arrangement, U.S. patent 6 347 925 bl, 2002.
• [3] Ward R.S.: Composite flywheel rim with co-mingled fiber layers and methods of determining the same, U.S. patent 6 884 039 b2, 2005.
• [4] Norman C.B.: Stiff metal hub for an energy storage rotor, U.S. patent 6 817 266 bl, 2002.
• [5] Kameno H., et al.: Basic design of 1 kwh class flywheel energy storage system, Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings, 2002, pp. 575-580.
• [6] Kubo A., et al.: Dynamic analysis and levitation test in 1 kwh class flywheel energy storage system, Proc. of 7th International Symposium on Magnetics Technology, 2003, pp. 144-149.
• [7] Larsonneur R.: Design and control of active magnetic bearing system for high speed rotation, Diss. Eth., 1990, No 9140.
• [8] Charara A., Miras J., Caron B.: Nonlinear control of a magnetic levitation system without premagetization, IEEE Tran, on Control Sys. Tech., 1996, Vol. 4, No. 5, pp. 513-523.
• [9] Lottin J., Mouille P., Ponsart J.C.: Nonlinear control of active magnetic bearings, Proc. of the 4th International Symposium on Magnetic Bearings, Eth., 1994, pp. 101-106.
• [10] Charara A., Caron B.: Magnetic bearing: comparison between linear and nonlinear functioning, Proc. of the 3rd International Symposium on Magnetic Bearings, 1992, pp. 451-463.
• [11] Smith R.D., Weldon W.F.: Nonlinear control of a rigid rotor magnetic bearing system: modeling and simulation with full state feedback, IEEE Tran. on Mag., 1995, Vol. 31, pp. 973-980.
• [12] Torries M., Sira-ramirez H., Escobr G.: Sliding mode nonlinear control of magnetic bearings, Proc. of the IEEE International Conf. on Control Applications, 1999, pp. 743-748.
• [13] Hu T., Lin Z., Allaire P.E.: Reducing power loss in magnetic bearings by optimizing current allocation, IEEE, Tran. on Mag., 2004, Vol. 40, No 3, pp. 1625-1635.
• [14] Sivrioglu S., Nonami K., Takahata R., Kubo A.: Adaptive output backstepping control of a flywheel zero-power amb system with parameter uncertainty, Proc. of 42nd IEEE Conference on Decision and Control, 2003, pp. 3942-3947.
• [15] Schweitzer G.: Active magnetic bearings - chances and limitations, 8th International Symposium on Magnetic Bearings, 2002.
• [16] Maslen E., Hermann P., Scott M.: Practical limits to the performance of magnetic bearings: peak force, slew rate and displacement sensitivity, ASME Journal on Tribology, 1989, Vol. 111, pp. 331-336.
• [17] Gosiewski Z., Mystkowski A.: The robust control of magnetic bearings for rotating machinery, Solid State Phenomena, 2006, Vol. 113, pp. 125-130.
• [18] Gosiewski Z., Mystkowski A.: Robust control of active magnetic suspension: analytical and experimental results, Mech. Sys. & Signal Proc., 2008, Vol. 22, No 6, pp. 1297-1303.