永磁磁悬浮飞轮发电装置的设计与研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

能源的开发利用不断提高人们的生活质量，然而由此引发的生态环境问题日益严重，因此如何提高能源利用效率成为人们的关注重点。飞轮电池以其高效无污染的优点得到人们的重视，它已经成为电池行业一支新生的力量，并且有逐步取代化学电池的趋势。与化学电池相比，飞轮电池的优势主要表现在^[1]：（1）储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油还要高,因此可以在短时间内输出更大的能量。（2）使用寿命长,在飞轮电池的整个寿命周期内,不会因为过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命,而且飞轮本身材质也不会受到损害,飞轮电池使用寿命只取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,一般能达到20年左右。（3）能量转化效率高。飞轮电池中飞轮受到磁力轴承提供的电磁力来达到悬浮目的,以此种方式支承可以减少机械摩擦，这样飞轮电池的净效率（输入∕输出）达85%～95%，然而普通化学电池的能量转化效率最高只有75%。（4）充电时间短，易检测放电深度和剩余“电量”。（5）无任何废气废料产生，对环境十分友好。除此以外,它的应用领域非常广泛,包括航空航天、国防工业、汽车行业、电力行业、通讯和医疗等诸多领域。随着高能永磁及高温超导技术的发展，高强纤维复合材料的出现以及电力电子技术的飞速发展，磁悬浮飞轮电池将会有更广泛的应用。

滚珠轴承由于轴与轴承之间存在机械接触，带来的主要问题有：(1)需要高可靠性的润滑系统以保证飞轮的稳定运行 ；(2)较大的摩擦产生的高功耗问题；(3)飞轮高速转动产生的振动影响卫星平台的指向精度等。 然而磁悬浮轴承作为一种新型的轴承形式，与现有的滚珠轴承等传统支承形式相比，实现了轴与轴承的无接触，消除了机械摩擦，无需润滑系统，低功耗，可超高速运转，对各种恶劣环境有很好的适应性。因此设计磁悬浮支承系统成为重要研究内容。主动磁力轴承（amb）需要控制系统并且需要安装多个位置传感器监测转子稳定控制，系统复杂，控制线圈消耗电能，储能效率低，被动磁力轴承（pmb）无需外加主动控制，所以相对于主动轴承来说，结构简单，成本低，功耗小并且在无控制环节的情况下能够实现自动平衡。因此,本课题选用被动磁力轴承（pmb）构建磁悬浮支承系统。

国内外研究现状：

2. 研究的基本内容与方案

飞轮发电装置是一个复杂的装置，其主要构成部件有飞轮转子、电动／发电机、磁悬浮支承系统、控制系统和辅助系统。本文主要是对磁悬浮支承系统及飞轮结构进行设计。本文研究内容主要有以下几个方面：

（1） 飞轮电池原理分析：介绍飞轮发电装置的基本结构及工作原理，分析系统各组成部分的特点，为飞轮的设计工作提供理论依据。

（2） 系统磁路设计与分析：设计永磁磁悬浮支承系统，采用被动磁力轴承与机械轴承联合使用的方法。进行磁力轴承的结构设计，使用ansys软件进行电磁场的有限元分析与计算。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅大量相关的中外文献，完成开题报告和外文翻译。

第4周： 设计永磁磁悬浮支承系统，比较不同的磁路方案，选择一种最佳方案。

第5周： 选择飞轮的材料，设计飞轮的结构与尺寸。对总体方案进行设

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 汤双清.飞轮电池磁悬浮支承系统理论及应用研究[d].武汉:华中科技大学出版社,2004.

[2] 陈湘舜，曾虎彪.飞轮储能用磁力轴承的发展研究[j].机床与液压,2011,39(8):128-132.

[3] 于达维.飞轮储能兴起[j].今日科苑.2010（17）：44-45.