機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)_磁懸浮飛輪電池設(shè)計(jì).doc

武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄摘 要2abstract31 緒論41.1 前言41.2 研究的目的與意義41.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.4 研究內(nèi)容52 磁懸浮飛輪電池的總體結(jié)構(gòu)方案的確定72.1 飛輪電池的原理72.2 結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)83 電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的選擇和連接123.1 電機(jī)的選擇123.2 中心轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)123.3 中心轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵芯的安裝143.4 定子的安裝154 飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)174.1 材料的選擇174.2 飛輪轉(zhuǎn)速范圍確定174.3 飛輪結(jié)構(gòu)及其參數(shù)計(jì)算175 其他結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)225.1 軸端軸承的選擇225.2 上端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)225.3 外圓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)235.4 下端蓋1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)235.5 下端蓋2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)246 結(jié)束語25參考文獻(xiàn)26致謝27摘要磁懸浮飛輪電池是一種新型的儲(chǔ)能裝置，具有比能量高、比功率大、體積小、充電快、壽命長、無任何廢氣廢料污染等特點(diǎn)。隨著真空技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、集成驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電力電子裝置以及磁懸浮技術(shù)的迅速發(fā)展，這一新型儲(chǔ)能裝置的開發(fā)和應(yīng)用成為可能，并有著良好的發(fā)展前景。本文對(duì)磁懸浮飛輪電池整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和理論進(jìn)行了研究，提出了幾套設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過計(jì)算和分析選擇了一套合適的方案并借助專業(yè)繪圖軟件solidworks和autocad將其總體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。本文對(duì)發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)同軸相連的方法做出了探討，詳細(xì)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)，對(duì)飛輪的材料和結(jié)構(gòu)作了研究，并在軸承的選擇上進(jìn)行了細(xì)致的分析。關(guān)鍵詞：飛輪電池；結(jié)構(gòu)方案；飛輪；轉(zhuǎn)軸；abstractmagnetic flywheel battery is a new energy storage devices with high specific energy, high specific power, small volume, fast charge, long cycle life, non-pollution and so on. with the vacuum technology, composite materials technology, integrated drive motor/generator, power electronic devices and the rapid development of magnetic levitation technology. it is becoming possible that these new energy storage devices have a development and application, and have good prospects for development.this paper shows the studies of the magnetic flywheel battery on the overall structural design methods and theory. several sets of design are also proposed in this paper. through calculation and analysis, ive chosen a suitable program, and use the professional graphics software solidworks and autocad to draw its overall structure.this paper discussed the method of connecting the motors to the coaxial. detailed designed of the shaft structure, studied the materials and the structures of the flywheel, and have a good analysis on the choice of the bearing.keywords: flywheel battery; structure of the program; flywheel; shaft.1 緒論1.1 前言飛輪儲(chǔ)能(flywheel energy storage)是一種有著悠久歷史的儲(chǔ)能思想，它通過一種簡單的機(jī)械裝置飛輪來儲(chǔ)存能量用于生活和生產(chǎn)上，早已屢見不鮮，但真正的飛輪電池的思想起源于上世紀(jì)70年代早期，最初只是想將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，并沒有得到發(fā)展。主要有以下幾個(gè)方面:l)長時(shí)間保持真空的技術(shù);2)復(fù)合材料飛輪;3)集成驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī);4)電力電子裝置;5)磁懸浮支承。直到20世紀(jì)90年代由于電路拓?fù)渌枷氲陌l(fā)展，碳纖維材料的廣泛應(yīng)用，磁懸浮技術(shù)的發(fā)展以及全世界范圍對(duì)污染的重視，這種新型電池又得到了高速發(fā)展。典型的飛輪系統(tǒng)包含懸浮的轉(zhuǎn)子和飛輪，以及一個(gè)電動(dòng)機(jī)和一個(gè)發(fā)電機(jī)，通常電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，然后通過電子電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功能的轉(zhuǎn)換來完成能量的輸入和輸出，并且飛輪電池的整個(gè)容器被設(shè)計(jì)成真空的用以減小摩擦。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通過使飛輪加速到很高的速度而將電能以轉(zhuǎn)動(dòng)的形式存儲(chǔ)到系統(tǒng)中，通過降低飛輪的轉(zhuǎn)速電能又被轉(zhuǎn)換回來。1.2 研究的目的與意義在飛輪儲(chǔ)能裝置中，決定輸入輸出能量的是外接的電力電子裝置，而與外部的負(fù)載沒有關(guān)系，還可以很方便地通過控制飛輪的旋轉(zhuǎn)速度來控制飛輪的充電，這種特點(diǎn)在化學(xué)電池中實(shí)現(xiàn)起來要困難得多。并且伴隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展，這種電池顯示出更加廣闊的應(yīng)用前景，現(xiàn)正迅速地從實(shí)驗(yàn)室走向社會(huì)。目前飛輪技術(shù)的發(fā)展速度很快，再加上飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電速度可以非?？?，飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度越來越大，效率和壽命也在不斷提高。在放電的時(shí)候，是機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化，所以飛輪的壽命和放電的深度沒有關(guān)系，這樣飛輪可以應(yīng)用的放電深度范圍非常寬，特別適用于放電深度不規(guī)則的場合，由于飛輪的快速充放電和獨(dú)立而且穩(wěn)定的能量輸出，當(dāng)設(shè)備需要能量突然增加或者在能量轉(zhuǎn)換時(shí)需要平穩(wěn)過渡的時(shí)候，經(jīng)常考慮到使用飛輪技術(shù)。飛輪技術(shù)是電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，不會(huì)造成污染，這種無污染或污染小的能量供給方式在汽車行業(yè)中已受到人們的關(guān)注。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降或者突然停電的情況發(fā)生時(shí)將有可能導(dǎo)致許多嚴(yán)重的損壞，特別是在數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、鐵路和通訊系統(tǒng)，這種情況的發(fā)生所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果是難以想象的，但是飛輪系統(tǒng)的研究可以很好的解決這一難題，將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)中，由于飛輪系統(tǒng)會(huì)存儲(chǔ)一定的能量，當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降或是停電情況發(fā)生時(shí)，飛輪系統(tǒng)就會(huì)迅速做出反應(yīng)，將自己存儲(chǔ)的能量貢獻(xiàn)出來，最大情況的降低這種危害。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國在這方面的研究才剛剛起步，但是現(xiàn)在歐美國家已出現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品。并且現(xiàn)在飛輪電池的發(fā)展相當(dāng)迅速，并已經(jīng)出現(xiàn)了利用超導(dǎo)磁懸浮的高新技術(shù)讓飛輪和包裹容納它的真空容器沒有物理接觸減小摩擦損耗，這樣飛輪就能轉(zhuǎn)的非?？?，而且損耗極小，存幾年轉(zhuǎn)速也不會(huì)降低很多。1）太空 包括人造衛(wèi)星、飛船、空間站，飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率，同負(fù)載的使用時(shí)間為化學(xué)電池的310倍。同時(shí)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)速是可測可控的，故可以隨時(shí)查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個(gè)飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過150kw的電能。據(jù)估計(jì)相比化學(xué)電池，可節(jié)約200萬美元左右。2）交通運(yùn)輸 包括火車和汽車，這種車輛采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合推動(dòng)，飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應(yīng)用于混合能量推動(dòng)的車輛中。車輛在正常行使時(shí)和剎車制動(dòng)時(shí)，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時(shí)，給車輛提供動(dòng)力，保證車輛運(yùn)行在一種平穩(wěn)、最優(yōu)的狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，可減少燃料消耗，空氣和噪聲污染，發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。美國texas大學(xué)已研制出一汽車用飛輪電池，電池在車輛需要時(shí)，可提供150kw的能量，能加速滿載車輛到100km/h。在火車方面，德國西門子公司已研制出長1.5m，寬0.75m的飛輪電池，可提供3mw的功率，同時(shí)，可儲(chǔ)存30%的剎車能。3）不間斷電源 飛輪電池可提供高可靠的穩(wěn)定電源，可提供幾秒到幾分鐘的電能，這段時(shí)間足已保證工廠進(jìn)行電源切換。德國gmbh 公司制造了一種使用飛輪電池的ups，在5s內(nèi)可提供或吸收5mw的電能。4）軍用戰(zhàn)斗車輛 美國國防部預(yù)測未來的戰(zhàn)斗車輛在通信、武器和防護(hù)系統(tǒng)等方面都廣泛需要電能，飛輪電池由于其快速的充放電，獨(dú)立而穩(wěn)定的能量輸出，重量輕，能使車輛工作處于最優(yōu)狀態(tài)，減少車輛的噪聲（戰(zhàn)斗中非常重要），提高車輛的加速性能等優(yōu)點(diǎn)，已成為美國軍方首要考慮的儲(chǔ)能裝置。1.4 研究內(nèi)容飛輪電池儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)給定的額定儲(chǔ)能總量和基本技術(shù)性能要求，選用合適的材料，確定合理的結(jié)構(gòu)，計(jì)算飛輪電池各部分的尺寸.并計(jì)算其性能，以滿足節(jié)省材料、制造方便、性能良好等基本要求，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。飛輪電池，作為一種儲(chǔ)能裝置，不僅要求重量輕，而且要求效率高，這就需要依靠提高飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能密度、減小軸承摩擦損耗、提高電機(jī)效率與能量轉(zhuǎn)換效率等各個(gè)環(huán)節(jié)共同來保證。飛輪電池的設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容很多，包括飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)及其能量轉(zhuǎn)換控制設(shè)計(jì)等，這就涉及到機(jī)械、材料、電工、熱工、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的交叉，其設(shè)計(jì)過程是極其復(fù)雜的，至今尚沒有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。本文主要是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)和研究，對(duì)飛輪電池的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)選擇以及外部輪廓設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性。具體研究內(nèi)容如下：第二章 磁懸浮飛輪電池的總體結(jié)構(gòu)方案的確定第三章 電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的選擇和連接第四章 飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第五章 其他結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)其中第五章內(nèi)容包括軸端軸承的選擇；上端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；下端蓋1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；外圓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；下端蓋2的結(jié)構(gòu)設(shè)等內(nèi)容。2 磁懸浮飛輪電池的總體結(jié)構(gòu)方案的確定2.1 飛輪電池的原理飛輪儲(chǔ)能電池系統(tǒng)包括三個(gè)核心部分：一個(gè)飛輪，電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。磁懸浮飛輪電池還包括一個(gè)磁懸浮的裝置，磁懸浮裝置的作用就是將飛輪連同轉(zhuǎn)子一起懸浮，其目的是減少摩擦。飛輪電池的原理圖如圖1所示：圖1 飛輪電池的原理圖從原理圖可看出，電力電子輸入裝置從外部輸入電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能（機(jī)械能），當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子輸出裝置變成負(fù)載所需要的各種頻率、電壓等級(jí)的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨(dú)立的，設(shè)計(jì)時(shí)可以將電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)用一臺(tái)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，輸入輸出變換器也可以合并成一個(gè)，這樣就可以大大減少系統(tǒng)的大小和重量。同時(shí)由于在實(shí)際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)4000050000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強(qiáng)，進(jìn)一步減少了整個(gè)系統(tǒng)的重量，同時(shí)，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機(jī)和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機(jī)械摩擦；同時(shí)將飛輪和電機(jī)放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達(dá)95左右。飛輪存儲(chǔ)的能量的計(jì)算公式為，其中是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是角速度。，其中是慣性常數(shù)，飛輪是個(gè)圈是1，圓柱是1/2，m是質(zhì)量，r是半徑?，F(xiàn)在飛輪一般都能做到四五萬轉(zhuǎn)，儲(chǔ)存的能量極其大。真空容器內(nèi)有電動(dòng)機(jī)，充電時(shí)電動(dòng)機(jī)線圈通電，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)速提高，從而飛輪存儲(chǔ)一定的能量，轉(zhuǎn)速越高、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，所存儲(chǔ)能量越大。放電時(shí)利用真空容器里的發(fā)電機(jī)，飛輪的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得磁力線切割線圈產(chǎn)生電流，電流通過真空容器外部的電子電力裝置變壓。這樣飛輪電池的性能就非常好，只要電子電力裝置撐得住，充放電速度要多快有多快。2.2 結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)2.2.1 方案1初始我們提出的結(jié)構(gòu)方案為使用兩個(gè)外轉(zhuǎn)子電機(jī)來實(shí)現(xiàn)飛輪的高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過仔細(xì)甄選我們采用ydfw系列外轉(zhuǎn)子全封閉式鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：具有外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、噪聲低、振動(dòng)小，可借助三相調(diào)壓器進(jìn)行無級(jí)調(diào)速等。而外轉(zhuǎn)子電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩大，這可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的飛輪高速旋轉(zhuǎn)。如圖2所示為初步結(jié)構(gòu)方案圖。飛輪做成中空的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大而質(zhì)量較輕，在真空容器上設(shè)置了一塊板子用以支撐電磁鐵和傳感器，在工作狀態(tài)時(shí)，電磁鐵會(huì)將飛輪懸浮以減小摩擦。圖2 飛輪電池的結(jié)構(gòu)方案1在上述結(jié)構(gòu)方案圖中，基本原理雖然可行，但是存在諸多問題，飛輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝性不好或根本無法制造，這對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝也是一個(gè)棘手的問題，由于飛輪將兩個(gè)電機(jī)完全包裹在了一起，因此電機(jī)的導(dǎo)線無法通到外面，即使能接到外面也要在轉(zhuǎn)軸上鉆一通孔，這不僅使得結(jié)構(gòu)性不好，制造工藝也將會(huì)變得更加復(fù)雜。2.2.2 方案2經(jīng)過對(duì)比改進(jìn)，雖然外轉(zhuǎn)子電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，困難重重，因此將外轉(zhuǎn)子電機(jī)改設(shè)成內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，雖然內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)矩相對(duì)于外轉(zhuǎn)子電機(jī)來說會(huì)小一點(diǎn)，但我這次設(shè)計(jì)的飛輪電池的飛輪不會(huì)太大，轉(zhuǎn)矩足夠，且作為設(shè)計(jì)研究所用，這次的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速設(shè)定在3000r/min左右。如圖3所示，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)分布在飛輪的軸向兩側(cè)并分別靠支撐板支撐，在飛輪軸的下部安放了彈簧緩沖裝置，其目的是防止飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)由于斷電而突然下落與下部支撐所產(chǎn)生的摩擦。圖3 飛輪電池的結(jié)構(gòu)方案2這種方案原理可行，由于轉(zhuǎn)速不高，對(duì)各支撐和軸承的要求不是很高，但是，也正因?yàn)檗D(zhuǎn)速不高，所以為了保證存儲(chǔ)的能量足夠，需要飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能的要大，所以本方案所示的飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很難復(fù)合要求，即所存儲(chǔ)的能量過低而無法進(jìn)行研究。2.2.3 方案3將方案2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，為了安裝各元件尤其是電磁鐵和傳感器的方便，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)在飛輪的同一方向上，都設(shè)置在飛輪下部，這樣有一個(gè)好處就是可以方便的將兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和中心轉(zhuǎn)軸安裝在一起，然后再安裝其他的元件，否則，安裝工藝將會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜甚至無法正常安裝。圖4 飛輪電池的結(jié)構(gòu)方案3如圖4所示發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子都安裝在支撐板2上，而支撐板2又和下端蓋1和下端蓋2相連，保證定子的固定，轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)轉(zhuǎn)子相連，由支撐板1和下端蓋2上的兩個(gè)軸承徑向約束，軸向約束則靠電磁鐵和傳感器通過電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)電腦控制。整個(gè)飛輪容器靠三根支柱固定在地板上，使得飛輪容器可以穩(wěn)定的固定在水平面上，由于飛輪和轉(zhuǎn)子被密封在同一個(gè)容器中，可以將整個(gè)容器抽成真空，減小空氣阻力帶來的能量損耗?？傮w來說，本方案的結(jié)構(gòu)較為合理，安裝方便，工藝較為簡單，所以此方案可行，但細(xì)節(jié)方面還存在眾多問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)，繼續(xù)優(yōu)化。2.2.4 確定方案經(jīng)過前面三種方案的比較后確定方案3比較合理，優(yōu)化方案3的結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 飛輪電池的最終方案飛輪的總體結(jié)構(gòu)在原有基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的修改和優(yōu)化，在工藝上進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)整，簡化了工藝步驟和方法。1）電磁鐵采用0.5mm硅鋼片疊到一起，外面纏繞銅絲線圈，并放在兩個(gè)半圓形支座上，再通過螺栓固定在支撐板上，以此實(shí)現(xiàn)飛輪的懸浮功能，在磁鐵的同一圓弧上設(shè)置了三個(gè)傳感器用以探測飛輪的軸向位移，并通過電子裝置控制飛輪的軸向距離進(jìn)而控制飛輪的懸浮和徑向偏移。電磁特和傳感器的布置如圖6所示。圖6 飛輪電池的磁鐵和傳感器的布置圖在工作狀態(tài)時(shí)，即飛輪被懸浮時(shí)，飛輪和支撐板之間的間隙只有1mm，這個(gè)距離是根據(jù)電磁力和電流之間的關(guān)系確定的，如果距離過大則所需的電源的電流就會(huì)過大，過大的電流會(huì)過多的損耗電能，而如果距離太小則飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的要求就會(huì)非常高，稍有偏斜就會(huì)發(fā)生事故，因此選擇比較適中的1mm。2）在飛輪和軸相連接處的軸肩相接觸的地方，設(shè)置了一個(gè)突臺(tái)，其目的是保證精度簡化工藝內(nèi)容和步驟，在加工飛輪時(shí)只需要保證突臺(tái)處的精度就可以了。3）將下端蓋1的結(jié)構(gòu)簡化，去掉支撐板2，下端蓋2的圓筒部分去掉，被下端蓋1和下端蓋2去掉的部分合成為一個(gè)新的外圓筒。4）在各元件連接的有需要密封的地方增設(shè)了密封圈或密封環(huán)，這樣保證飛輪內(nèi)部被抽成真空時(shí)的真空度。5）在軸的兩端安有軸承的地方設(shè)置了軸承端蓋，限制軸承的軸向位移。6）對(duì)底座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果底座是一整塊園板，不僅不利于平穩(wěn)，而且浪費(fèi)原料，特設(shè)計(jì)成中空的園板支撐，為鑄造件。7）為防止飛輪由于突然斷電而下落所產(chǎn)生的與下端蓋之間的摩擦帶來的嚴(yán)重后果，在下端蓋上設(shè)置了一個(gè)銅質(zhì)的圓環(huán)，因?yàn)殂~和鐵之間的摩擦很小，可以減小這種危害。8）在外圓筒上加開了一個(gè)20mm圓孔，用于導(dǎo)線的接出和接入。3 電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的選擇和連接3.1 電機(jī)的選擇在選擇電機(jī)時(shí)，主要考慮轉(zhuǎn)速、質(zhì)量、體積三方面的因素，轉(zhuǎn)速要達(dá)到或超過3000r/min，質(zhì)量和體積都不能太大。根據(jù)這個(gè)原則，選擇電動(dòng)機(jī)的種類為y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)為全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，是按照國際電工委員會(huì)（iec）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，具有國際互換性的特點(diǎn)。用于空氣中不含易燃、易爆或腐蝕性氣體的場所。適用于電源電壓為380v無特殊要求的機(jī)械上。其主要參數(shù)如下表1 y802-2電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定功率/kw滿載轉(zhuǎn)速/(r/min)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩y802-21.128302.22.3同步轉(zhuǎn)速3000r/min，2極3.2 中心轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)軸的設(shè)計(jì)是根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和安裝飛輪軸承的位置所確定的，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7 軸的設(shè)計(jì)三維效果圖根據(jù)軸的承載情況，直軸可分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸三類，顯然在磁懸浮飛輪電池中所用到的軸只會(huì)受到扭矩的作用，而彎矩基本上沒有，因此此軸的類型為傳動(dòng)軸。根據(jù)電機(jī)的實(shí)際尺寸和安裝軸的設(shè)計(jì)尺寸如圖8所示。圖8 軸的設(shè)計(jì)尺寸軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件公式為 （3-1）式中：軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，； t軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，；軸的抗扭截面系數(shù)，；軸所傳遞的功率，；軸的轉(zhuǎn)速，；軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；對(duì)實(shí)心圓軸，將代入上式中可得軸的直徑為 （3-2） 式中：由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)，其值可查表；的單位為。軸的材料為45鋼，因此查表得c為107。由以上公式算得因此只要軸的直徑大于7.81mm就可以滿足強(qiáng)度要求了。由此得出結(jié)論，該軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合要求。3.3 中心轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵芯的安裝電機(jī)的轉(zhuǎn)子由鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯是電動(dòng)機(jī)主磁通磁路的一部分，由厚度為0.35mm-0.5mm沖槽的硅鋼片疊成，鐵芯固定在轉(zhuǎn)軸上。本設(shè)計(jì)所采用的電機(jī)為鼠籠式繞組，轉(zhuǎn)子繞組為鼠籠式繞組即在轉(zhuǎn)子槽中澆鑄鋁液而鑄成的鼠籠，它的端環(huán)也用鋁液同時(shí)鑄成，并且在端環(huán)上鑄出許多葉片作為冷卻用的風(fēng)扇，如圖9所示。圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)子這樣不僅可以簡化制造工藝和以鋁代銅，而且可以制成各種形狀的轉(zhuǎn)子槽型和斜槽結(jié)構(gòu)，從而能改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，減少運(yùn)行時(shí)的噪聲。圖10 鐵芯和轉(zhuǎn)軸的安裝示意我們?cè)诎惭b時(shí)要先把買來的電機(jī)的轉(zhuǎn)軸抽出，然后按照?qǐng)D10的形式換上自制的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸和硅鋼片之間采用熱套配合，在保證強(qiáng)度的前提下盡量不要采用過緊的公差配合。因?yàn)檫^盈量增加，必然要求提高轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度這樣既浪費(fèi)資源也增加了熱套操作的困難。3.4 定子的安裝定子由機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組三部分組成，機(jī)座的作用主要是固定和支撐定子鐵芯，在這里根據(jù)機(jī)座的形狀和原理自制了一個(gè)外圓筒，外圓筒是為了飛輪電池整體的的結(jié)構(gòu)和安裝設(shè)計(jì)的。定子鐵芯也是電動(dòng)機(jī)主磁通磁路的一部分，為了能使異步電動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，因此，定子鐵芯由導(dǎo)磁性能好的、厚度在0.35-0.5mm且沖有一定槽型的硅鋼片疊壓而成，硅鋼片表面涂有絕緣漆或氧化膜，片與片間相互絕緣，這樣可以減少由于渦流造成的能量損失。圖11 定子鐵芯鐵芯內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，在槽中安放繞組。圖12 定子繞組定子繞組是異步電動(dòng)機(jī)定子部分的電路，它由線圈按一定規(guī)律連接而成。三相異步電動(dòng)機(jī)有三個(gè)獨(dú)立的繞組，每個(gè)繞組包括若干線圈，每個(gè)線圈又由若干匝數(shù)構(gòu)成。繞組的導(dǎo)線用高強(qiáng)度聚脂漆包圓銅線繞成。在槽內(nèi)線圈和鐵芯間墊有青殼紙和聚脂薄膜作為槽絕緣。槽內(nèi)有上下兩層，線圈之間還墊有層間絕緣。將定子鐵芯從買來的電機(jī)中抽出，然后安裝在自制的外圓筒中，在外圓筒的中間有圓環(huán)突臺(tái)用以定位兩個(gè)電機(jī)的位置，在外圓筒的兩端設(shè)置了壓緊裝置，用以固定定子鐵芯。4 飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為提高飛輪電池的儲(chǔ)能能力，需采用合適的轉(zhuǎn)子材料與合理的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。4.1 材料的選擇目前飛輪電池轉(zhuǎn)子材料主要有高強(qiáng)度鋼、鋁合金等金屬材料，以及玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和石墨纖維等復(fù)合材料。飛輪材料的選擇主要取決于飛輪電池的總體設(shè)計(jì)要求及其一些約束條件，如裝置的價(jià)格、體積、質(zhì)量、飛輪轉(zhuǎn)速等方面的約束。由上述分析可知，儲(chǔ)能密度與材料的比強(qiáng)度成正比。如果對(duì)飛輪的輪緣線速度沒有任何限制，為盡可能地提高飛輪的儲(chǔ)能密度，并盡可能地減小飛輪斷裂的可能性，飛輪材料選擇的一個(gè)主要原則是選擇比強(qiáng)度大的材料來制作飛輪轉(zhuǎn)子。本文研究的飛輪電池，其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不高，只有2830r/min，所以考慮價(jià)格、制造難易程度等方面的因素，選擇鑄鐵ht250來作為飛輪的材料。=2.7gpa =8000kg/ =56.84.2 飛輪轉(zhuǎn)速范圍確定飛輪轉(zhuǎn)速范圍是飛輪電池裝置設(shè)計(jì)中重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，要保持一個(gè)最小功率要求。根據(jù)電機(jī)理論，其功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為:式中電機(jī)功率 電磁轉(zhuǎn)矩由上式可知，要滿足最小功率要求，必須限制飛輪的最小轉(zhuǎn)速。但是，如果過分地限制飛輪轉(zhuǎn)速范圍，則儲(chǔ)存在飛輪中的能量只有很小一部分得以利用?？衫玫哪芰勘硎緸? (4-1)式中 放電深度，主要由電機(jī)性能所決定。在通常情況下，選擇最小轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的一半，則飛輪電池的總儲(chǔ)能量的四分之三可以被利用。4.3 飛輪結(jié)構(gòu)及其參數(shù)計(jì)算4.3.1飛輪結(jié)構(gòu)飛輪轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間采用過盈配合工藝安裝，本設(shè)計(jì)使用跟電機(jī)定子和轉(zhuǎn)軸之間一樣的安裝方法即熱套配合，保證一定的過盈量，飛輪結(jié)構(gòu)如圖13所示。圖13 飛輪的三維結(jié)構(gòu)圖4.3.2 飛輪的輪緣線速度極限與儲(chǔ)能極限飛輪的結(jié)構(gòu)簡圖如下圖14所示圖14 飛輪的結(jié)構(gòu)件圖飛輪的儲(chǔ)能量為e，計(jì)算公式如下，得 (4-2)式中 j飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 飛輪材料密度； 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度飛輪的輪緣線速度； 飛輪內(nèi)外半徑比； 飛輪的外廓體積即飛輪旋轉(zhuǎn)工作空間。根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的應(yīng)力分析可知，最大環(huán)向應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)半徑處，其表達(dá)式為 (4-3)式中 飛輪材料泊松比最大徑向應(yīng)力發(fā)生在處，其表達(dá)式為 (4-4)由飛輪的強(qiáng)度約束條件，得 (4-5)因此飛輪的輪緣線速度極限為 (4-6)將式（4-6）代入（4-2）得飛輪的儲(chǔ)能極限為 （4-7）由上式可知，飛輪的最大儲(chǔ)能量與它的外廓體積、內(nèi)外半徑比及材料的強(qiáng)度極限、泊松比有關(guān)，而與材料的密度無關(guān)。因此，提高飛輪的儲(chǔ)能量，則必須增加飛輪的外廓體積、選擇強(qiáng)度極限高的材料，并優(yōu)選值。4.3.3 飛輪內(nèi)外半徑比的選擇采用不同的飛輪轉(zhuǎn)子評(píng)價(jià)指標(biāo)，飛輪的內(nèi)外徑半徑比的選擇也不同質(zhì)量能量密度 （4-8）體積能量密度 （4-9）小型輕量指標(biāo) （4-10）由、的單調(diào)性分析可知，隨單調(diào)遞增，隨單調(diào)遞減，而在處有一最大值。， （4-11）馬氏體時(shí)效鋼(材料性能為:=0.3，=8000，（安全系數(shù)取2）)飛輪計(jì)算，由式（4-11）得，由式（4-8）-（4-10）計(jì)算得圖15圖15 飛輪儲(chǔ)能密度由圖15可知，由于本設(shè)計(jì)對(duì)飛輪質(zhì)量有嚴(yán)格要求，所以應(yīng)以 指標(biāo)為準(zhǔn)選擇，取。4.3.4 飛輪設(shè)計(jì)飛輪材料選用鑄鐵ht250，其材料性能參數(shù)為:=0.3，=8000，（安全系數(shù)取2），參照上述分析，取，并根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的外圍結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)飛輪的尺寸如下圖16 飛輪的結(jié)構(gòu)尺寸現(xiàn)將有關(guān)數(shù)據(jù)代入相應(yīng)公式計(jì)算出金屬飛輪的相關(guān)數(shù)據(jù)，見下表表2 飛輪的有關(guān)參數(shù)外半徑（mm）內(nèi)半徑r(mm)高度h(mm)質(zhì)量m(kg)最大線速度(m/s)最大轉(zhuǎn)速(r/min)質(zhì)量能量密度(wh/kg)體積能量密()60040010016588.928300.758 60305 其他結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)5.1 軸端軸承的選擇軸承要能限制軸的徑向移動(dòng)，由于軸在工作時(shí)要和飛輪一起被電磁鐵懸浮，因此軸承的內(nèi)圈和外圈要有一定的軸向游隙，并且這種游隙不會(huì)對(duì)軸的徑向支撐產(chǎn)生任何影響，根據(jù)這個(gè)原則，本設(shè)計(jì)中選取的是圓柱滾子軸承，如圖17所示圖17 圓柱滾子軸承及其類別圓柱滾子軸承負(fù)荷能力大，主要承受徑向負(fù)荷，不能承受軸向載荷。滾動(dòng)體與套圈擋邊摩擦小，適于高速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)套圈有無擋邊，可以分有nu、nj、nup、n、nf等單列軸承，及nnu、nn等雙列軸承。該軸承是內(nèi)圈、外圈可分離的結(jié)構(gòu)。內(nèi)圈或外圈無擋邊的圓柱滾子軸承，其內(nèi)圈和外圈可以向軸向作相對(duì)移動(dòng)，所以可以作為自由端軸承使用。在內(nèi)圈和外圈的某一側(cè)有雙擋邊，另一側(cè)的套圈有單個(gè)擋邊的圓柱滾子軸承，可以承受一定程度的一個(gè)方向軸向負(fù)荷。一般使用鋼板沖壓保持架，或銅合金車制保持架。但也有一部分使用聚酰胺成形保持架。根據(jù)轉(zhuǎn)子和飛輪的旋轉(zhuǎn)情況，軸向載荷可以由電磁鐵來控制，因此軸承只需承受徑向載荷就可以了，而又由于軸和軸承外圈會(huì)有軸向移動(dòng)，因此我們選擇軸承外圈和滾子固定的、內(nèi)圈可以軸向游移的nu型的圓柱滾子軸承。選擇的圓柱滾子軸承代號(hào)為 nu206e gb/t283-1994。5.2上端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上端蓋的主要作用就是包住電磁鐵和傳感器，并在端蓋頂部有導(dǎo)線的通口，上端蓋并不承受大的力的作用，只是在飛輪電池工作時(shí)，內(nèi)部會(huì)被抽成真空，所以蓋子所承受的是來自外部的大氣壓的壓力。上端蓋的三維結(jié)構(gòu)圖如圖18所示：圖18 上端蓋的結(jié)構(gòu)圖5.3 外圓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外圓筒起到的是電機(jī)機(jī)座的作用，其作用就是固定和支撐定子鐵芯。定子鐵芯被固定在內(nèi)圓中。在外圓筒的上端安裝著下端蓋1，下端蓋1的上端安裝著支撐板，在外圓筒的下端安裝著下端蓋2，支撐板和下端蓋2上安裝了圓柱滾子軸承，用以支撐軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。外圓筒的結(jié)構(gòu)如圖19所示：圖19 外圓筒的結(jié)構(gòu)圖5.4 下端蓋1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下端蓋1是飛輪電池的重要部件，它不僅起到了通過三個(gè)支撐柱支撐整個(gè)飛輪電池結(jié)構(gòu)的作用，它還是連接整個(gè)飛輪電池其他部件的關(guān)鍵部分，下端蓋1的上端連接著支撐板和上端蓋，它的下端連接著外圓筒，由于這些部件的對(duì)中性要求很高，即對(duì)于這些部件之間連接的地方的精度要求很高。下端蓋1的結(jié)構(gòu)如圖20所示；圖20 下端蓋1的結(jié)構(gòu)圖5.5 下端蓋2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下端蓋2主要有兩個(gè)作用，一是壓緊裝在外圓筒上的定子鐵心，還有一個(gè)重要的作用就是在中心放置軸承，由于軸和飛輪在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候?qū)χ行囊蟊容^高，因此下端蓋2的對(duì)中性要求很高，精度要求就很高，多以加工時(shí)工藝就比較復(fù)雜一些。下端蓋2的結(jié)構(gòu)圖如圖21所示：圖21 下端蓋2的結(jié)構(gòu)圖6 結(jié)束語磁懸浮飛輪電池是一種新型儲(chǔ)能裝置，具有比能量高、比功率大、體積小、充放電快、壽命長、無任何廢氣廢料污染等特點(diǎn)。隨著長時(shí)間保持真空技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、集成驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電力電子裝置、磁懸浮技術(shù)最新進(jìn)展，使這一新型儲(chǔ)能裝置的開發(fā)和應(yīng)用成為可能，有著良好的發(fā)展前景。磁懸浮飛輪電池主要是由高速飛輪轉(zhuǎn)子、磁懸浮軸承系統(tǒng)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)等組成，是一種典型的機(jī)電磁一體化產(chǎn)品，涉及到機(jī)械、材料、電工、熱工、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的交叉。多項(xiàng)技術(shù)的交叉使其研究開發(fā)的難度較大。本論文主要研究的是飛輪電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)了飛輪和中心轉(zhuǎn)軸，校核了軸的強(qiáng)度，對(duì)飛輪的材料進(jìn)行了選擇。飛輪電池可用于不同的領(lǐng)域，故其結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的特點(diǎn)，本文的主要研究目的是對(duì)飛輪理論的驗(yàn)證性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出可行的飛輪結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)飛輪電池的儲(chǔ)能和