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1、飞轮储能与速度调节⑴范帝楷11060132摘要：本文主要介绍了飞轮储能调速的原理，背景及部分设计和控制方法关键字：飞轮.原理.储能、控制1背景在工程实际中，机构原动件的运动规律是山其各构件的质量、转动惯杲和作用于其上的驱动力与阻抗力筹因素决定的。在一般情况下，原动件的速度和加速度是随时间而变化的,因此为了对机构进行精确的运动分析，就需要决定其真实的运动规律，这对于高速、高精度和高口动化程度的机械设计是十分車要的。在一般的情况下，机械由于原动件作非等速运动,会不可避免地产生机械振动，这种振动对机械寿命、效率和工作质量都有负而效应，于是,控制机械振动成了工程中研究的一大课题。2机
2、械运动方程的推演与飞轮储能原理2.1运动学普遍方程牛顿第二定理:工芦=竺旦dt动量定理寸工尬=P1-P动量矩定理寸Mdt=r2xP2-nxP1动能定理：J工F•dr=丄一丄工加X2.2机械系统的等效力学模型由运动学普遍方程可得:&（艺弩么+艺丄
3、么）=（艺巧匕cos%±^Micoilt取勺为独立广义坐标得：令:>2F(上-cosoc(±Mf.59)cOjdt可得:性心少为等效力矩△W叭冷几（血X-此n）“COmax—cosaj±VA/f—cOja)j由此，复杂的机构可以筹效为一个简单的单自由度曲柄机构。2.3周期性运动飞轮的速度调节定义二：一个周期内平均角速度为:其中"n
4、wc（©血）为该周期内最大（小）角速度。定义三：机械运转不均匀系数为：飞轮调速的基本原理:不失一般性，假设等效转动惯量人为常数，市动能定理冇:maxAW因此要是/减小，只需使得竺罟减小，由此只需要在机构上安装i飞轮，增人机构J州的转动惯量即可。在该过程中，飞轮的作川是将最大的速度减小，最小的速度增人，即在加速的过程屮吸收电能，减速的过程中释放电能，达到一个平衡的效果。飞轮的力学分析：为了简单起见，不妨设E轮质量分布均匀，速度恒定，且截而上各点应力相等。如右图所示，设飞轮外径为R,厚度为横截面面积为A,密度为Q转动角速度为⑵，则飞轮收到惯性力，受力分析如右图:Y方向受力平衡nJ
5、得因此飞轮的材料选取与其转动角速度的犬小密切相关。3工程中飞轮的设计3.1高储能密度飞轮结构设计方法⑴背景1973年，Pos（提出利用玻璃纤维和凯夫拉尔纤维复合材料来制造飞轮,这让飞伦的储能密度有了很大的提高空间［4］。追20世纪90年代,rh于高强度纤维材料、低损耗轴承、电力电子学等方而科技的发展取得了突破，给飞轮储能的工程应川提供了坚实的技术基础。飞轮储能系统的主要性能指标右储能密度、转速、储能量、如动量、功率以及充放电效率等。飞轮结构设计技术指标储能密度（也称比能量）U0是反映系统性能的关键指标，是E轮结构设计优劣的评价标准。对于单一材料制成的飞轮：(1)其中:P为飞轮
6、材料密度,Ks为飞轮结构形状系数,0max为转子的最大应力。令omax=Kmob,其中:。b为材料强度极限,Km为飞轮材料利用系数，贝lj对于［+1多种材料制成的飞轮:其中:mi为材料质量,Ksi为材料形状结构系数,Pi为材料密度,Kmi为材料利川系数，①,为材料强度极限。caS亠令J=不~si二-,得U厂工G©⑷"々）Pi»=1对于加工完成的飞轮,Ci在各转速卞为常量，此吋系统理论上所能达到的最大储能密度,是当飞轮在转到最高转速吋，各材料的利用系数同吋达到材料的许用系数，其中：K爲为材料许用系数，［c］‘为材料许用应力飞轮结构的设计原则是:从满足应用需求出发,依据现有技术条
7、件下，通过设计使飞轮系统到尽可能高的储能密度，从而减少质量，降低成本。材料选取转子的材料选取、形状设计、强度分析是飞轮转子结构设计的主要内容。由式（2）和式（5）可知，高储能密度飞轮必须选取强度高、密度低，即比强度高的材料。飞轮常川高比强度材料如表1所示。«t飞轮材料特性◎材料纤维强«/GPa材料强＞5/GPa材料密度/（族・山'）材料许用系散址大比能铝合金—0.628000.823.8高强度钢—2.880(X)0.838.6玻璃纤维/树脂31.821000.671.4碳纤维•/树脂3.52.116()00.6109.4碳纤维••/树脂74.216(X)0.6218.7♦:T
8、3OO；••:T7OO；:K•=0.5>转子形状设计与强度分析对于金属材料，采用筹应力板是最优的，但是等应力和近似等应力板、以及圆锥截面圆板,山于加工闲难，所以工程上较少采用。实心圆板加工方便、形状系数也比较大，为常用转子形状。复合材料的比强度高，是bl前国内外制作飞轮的首选材料。复合材料具有可设计性,但缠绕加工工艺较复杂，不易制作复杂形状的飞轮，因此复合材料飞轮大多采用圆环形状。圆环状复合材料飞轮通常以高强度纤维环向缠绕为主，因而飞轮的环向模量E0和环向许用应力F（）鮫高，而径向模量Er和径向许用应力
