新型磁悬浮飞轮储能实验装置的设计及应用
赵萌 杜平 张秀海 林蔚然 陈远洋 杨忠昌 周冰科
（清华大学基础工业训练中心，北京 100084）
摘 要：飞轮储能装置是一种在电能和机械能之间进行能量转换的装置，它通过飞轮高速旋转的形式来储存能量。普通机械轴承由于摩擦阻力，飞轮储存的能量有很大一部分耗散在此处。设计的新型磁悬浮轴承可以有效降低摩擦阻力，从而提高飞轮储能效率。从飞轮系统的搭建及机械部分系统进行了完整的设计，并完成了样机产品的测试。此装置可以应用到机械类和电类专业本科生的工程实践教学中，以PBL项目驱动的教学方式，使学生深入理解产品设计原理、制造技术、装配调试方法等，从而有效培养学生的工程能力、创新能力、实践能力和团队协作能力。
关键词：飞轮储能；磁悬浮轴承；工程实践；项目驱动
中图分类号：（TH12;G642） 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(××××) ××－××－××
Design and Application of a Novel Magnetically Suspended Flywheel Experimental Device For Energy Storage
Zhao Meng, Du Ping, Zhang Xiuhai, Lin Weiran, Chen Yuanyang, Yang Zhongchang, Zhou Bingke
(Fundamental Industry Training Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: Flywheel energy storage device is a device that converts energy between electrical energy and mechanical energy. It stores energy in the form of high-speed flywheel rotation. Due to the friction resistance of ordinary mechanical bearings, a large part of the energy stored in the flywheel is dissipated. This article introduced a novel magnetic suspending bearing, which could effectively reduce the friction resistance and improve the flywheel energy storage efficiency. The flywheel system and mechanical system are designed completely, and the prototype product is tested. This device can be applied to the engineering practice teaching of mechanical and electrical undergraduates. With the PBL project driven teaching method, students can deeply understand the product design principle, manufacturing technology, assembly and debugging methods, so as to effectively cultivate students' engineering ability, innovation ability, practical ability and team cooperation ability.
Key words: flywheel energy storage; Magnetic bearing; Engineering practice; Project driven
0 引言
飞轮储能技术是一种机械储能方式，它以动能的形式存储能量，经过功率变换器，完成机械能-电能相互转换[1]。飞轮储能具有安全可靠性高、功率密度高、充放电响应速度快、使用寿命长、环境适应性强、建设周期短、运行维护简单、全生命周期绿色无污染等优点，因此非常适合作为脉冲功率电源的能量存储介质[2]。目前飞轮储能技术在许多领域都已经有广泛的应用，特别是在美国、日本、德国等发达国家，储能技术已经发展得比较成熟，主要应用于UPS不间断电源，微电网调频，削峰填谷，制动动能回收，电磁弹射等多个领域[3-6]。
飞轮在运行过程中的最大转速不仅受自身材料限制，另外配套的支撑轴承系统的选取也会一定程度的影响运行效率。轴承系统是飞轮装置的支撑系统，在飞轮旋转过程中产生的摩擦损耗大小与轴承系统关系紧密。目前轴承可分为机械轴承和磁悬浮轴承两大类，随着超导体和永磁材料的发展，后者又可进一步分为永磁轴承、超导体磁轴承和电磁轴承等[7-10]。其中机械轴承是传统的轴承类别，其结构紧凑成本低廉，但摩擦力大，运行损耗多，适用于充电放电时间短的飞轮储能系统；磁悬浮轴承则是利用磁力实现无接触的承载飞轮，其物理摩擦损耗非常低，运行稳定性也有保障，缺点是系统复杂、成本较高。鉴于两种轴承各有其优缺点，现实中往往采用混合组合的方式使用，以达到优势互补的效果。
飞轮储能系统由多个零部件组成，对关键零部件（如飞轮、主轴、轴承）的加工和装配有较高要求，同时需要相应的控制电路实现充放电功能，是机械和电子学科紧密结合的典型产品。本文设计了一套飞轮储能实验装置，应用于电机专业本科生的《金工实习》课程。通过PBL项目驱动的教学方式，有机整合传统金工实习中的焊接、铸造、车工、钳工、、检测、智能制造、数控加工等工种，完成整个飞轮储能系统的设计、加工制造和组装调试。此模式可有效调动学生的学习兴趣和主观能动性，帮助学生建立产品全生命周期的概念，提高学生的工程能力、创新能力、实践能力和团队协作能力，为未来的战略性新兴产业和经济培养综合素质优秀的人才。
1 技术方案及设计
飞轮储能技术主要是借助电能驱动带动装置飞轮旋转，实现电能到动能的转化，所生成的动能将被存储在装置加速质量块中，需要发电时，飞轮将借助自身动能为发电机提供能源，继而实现动能到电能的转化[11]。
1.1 机械结构设计
飞轮储能装置总体结构如图1所示，主要由四部分组成，飞轮模块、飞轮支撑模块、控制模块以及发电模块，总体尺寸400×530×310（mm）。各个模块主要功能如下：
1 飞轮模块：包括飞轮、主轴以及电机。
2 飞轮支撑模块：使用两个轴承座进行支撑。
3 控制模块：电机控制。
4 发电模块：定子使用12对正反安装的磁铁，转子使用9匝S线圈进行发电，发出的电经过整流模块与稳压模块最终输出给用电器。
图1 飞轮储能装置总体图
1.2 主要设计参数
飞轮储能装置设计容量0.01Wh，重量2.39kg，飞轮材料选择为铝，选用电机功率为100W。飞轮储能装置需要在电机停止供电之后，通过飞轮实现电流电压的显示以及5w节能灯的供电，持续时间不少于40s[12]。
1.3 飞轮模块设计
飞轮通过两个z21胀套与主轴相连[12]，主轴两端通过6200轴承与飞轮支撑连接。连轴器与电机主轴相连接。其设计尺寸如图2所示，参数设计如下表1所示，储能装置整体剖面如图3所示：
表1 飞轮主要参数
D/mm | A/mm | B/mm | L/mm | n/rpm |
28 | 150 | 50 | 166 | 1000 |
图2 飞轮尺寸
1 动能计算[12]
式 1
代入数值后得[12]，
Wh
2 最高线速度[12]
式 2
代入数值后得[12]，
m/s
3 飞轮总质量[12]
式 3
kg
4 充能速度[12]
s 式 4
当电机满功率运行时，整个飞轮达到预定储能需要1 s[12]。
5 强度校核[12]
假设转动过程，偏离轴心1mm如下：
a. 转动离心力
飞轮在转动离心力计算公式，
N 式 5
b. 轴的最大正应力
式 6
MPa
c. 轴的最大剪应力
式 7
MPa
d. 轴的最大挠度
式 8
式 9
mm
最后可得表2所示：
表2 飞轮强度校核
离心力/N | 最大正应力/MPa | 最大切应力/MPa | 最大挠度/mm |
26.17 | 3.36 | 0.099 | 5.2e-8 |
图 3 整体剖面图
1.4 飞轮支撑装置设计
飞轮重量较大，转速较高，要求其转动时同心度主轴轴心跳动少于0.1mm，飞轮外径跳动少于0.2mm。同时要求其转动时摩擦阻力尽可能小以降低能量损耗。所以考虑使用电磁轴承进行支撑，但电磁轴承重量大，控制复杂。选择被动式磁力支撑与深沟球轴承相互结合的方式进行支撑。被动式磁力支撑提供一部分支撑力，减小对轴承的压力从而减小轴承的摩擦，降低转动时的阻力。轴承支撑如图4所示,红圈标出的为主轴，主轴下的四个支撑为轴向磁铁。
图4 飞轮转动支撑装置结构
1.5 飞轮控制模块
（1）电机控制模块
电机选择无刷永磁电机，电压24 V，速度可调，最高转速8000 rpm。如图5所示。电机控制板选择配套的可调速电机控制板。
（a）4260电机 （b）电机控制板
图5 4260电机（a）和电机控制板（b）
（2）稳压整流模块
发电机产生的为交流电，所以需要通过全桥整流将其变为直流电。全桥整流如图6所示[12]。
图6 整流模块电路
全桥整流模块输出半正弦波，需要通过稳压模块将其电压稳定至5 V。此处购买成熟产品LM2596SDC-DC可调降压模块如图7所示，输出稳定的5 V电压[12]。
图7 DC-DC降压显示模块
1.6 发电模块设计
首先需要保证在飞轮转速在1000rpm时，产生的电压不少于5.0V。主体结构分为两个转子以及一个定子。发电机结构如图8所示，其中转子为永磁体，定子为线圈。转子由12对永磁体构成，12对永磁体组成4对极，正反交替安装。定子线圈为9匝线，共3相，每相3匝线。转子转动时会产生三组相差120°的正弦波交流电。当转速达到1000 rpm且正确安装时，发出的平均电压＞5 V。转子通过z21型胀套与轴相连，发电机转子中安装有10×10×20（mm）的铷磁铁，相邻的铷磁铁磁感方向相反。
（a）发电机转子 （b）发电机剖面图
图8 发电机结构图
2 储能装置结果验证
将飞轮通过两个磁悬浮止推轴承固定，电机通过联轴器与飞轮相连，发电装置通过联轴器与飞轮相连，飞轮装置控制板置于装置上方，整个固定装置最终固定于
的平板上（如图9），平板通过地钉固定于底面，飞轮储能测试结果如下：
a. 启动阶段：接通电源后飞轮转动给飞轮充电。飞轮转速从0-1000转，满功率运行充电需要0.4s；
b．储能阶段：飞轮达到恒定转数并保持转数保持不变，其储存能量值不变；
c. 放电过程：飞轮储能额定值不变，电机停转，离合器使电机与飞轮脱离，此时，发电装置继续发电，LED灯继续发亮持续200s。
图9 磁悬浮储能装置
3 工程实践课程实施方案
项目式教学方式可以拓展教学内容深度和广度，优化课程体系。以实际产品为项目驱动，每一个产品都是一个独立的个体，包含基础工程训练中的若干环节，实践课程主要由焊接、铸造、车工、铣工、检测、钳工等工种组成，每个工种的教学内容和制作的产品，都有关联不可分开的实践环节如图10所示。通过飞轮储能装置的设计，以团队的方式完成零件的加工，加工好的零件通过检测得到最终零件，并且完成产品的装配调试验证验证等工作。满足工程实践教学融合的人才培养需求。
图10 飞轮项目式实践教学加工过程
飞轮储能装置技术方案与设计过程，合理安排项目实施过程是保证综合性项目式教学的前提，综合基础加工方法是工程训练的关键。本次项目主要选择车削、铣削、铸造、焊接、智能制造、钳工装配等工种。结合各个工种特点，项目具体安排如表3所示。
表3 实践教学安排
工种 | 内容 | 时长 |
概论 | 储能装置的分类及设计 | 8学时 |
铸造 | 学习砂型铸造，进行装置中各个零件的毛坯制作 | 8学时 |
车削 | 根据铸造毛坯料，车削轴类零件，并控制尺寸精度在公差范围之类 | 16学时 |
检测 | 检测、三坐标、动平衡 | 8学时 |
焊接 | 飞轮储能装置支架的焊接及各种焊接方法练习 | 8学生 |
智能制造 | 了解3D打印+智能制造，自制电机，arduino调速 | 16学生 |
钳工装配 | 根据加工和标准件进行装配、调试，最终达到设计要求 | 12学时 |
汇报 | 样机运行，项目汇报 | 4学时 |
4 总结
磁悬浮飞轮储能装置，将在在本科工程实践教育中开展，培养大学生工程能力、创新能力、实践能力和团队协作能力的重要途径。目前已有的飞轮储技术，从飞轮的储能原理、系统的搭建及机械部分系统的进行完整的设计，并完成样机产品的测试。从多个方面调动学生的学习兴趣和主观能动性，通过专业相关的教学载体，帮助学生建立产品全生命周期的概念，提高学生的综合素质。飞轮储能技术是目前最有发展前途的储能技术之一，是能源领域低碳环保的发展方向。磁悬浮飞轮储能装置教学项目实践，为相关专业方向培养了具有扎实数理基础及实践能力的拔尖创新人才。
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