飞轮在机械工程中的应用(1).doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date飞轮在机械工程中的应用(1)飞轮在机械工程中的应用(1) 飞轮在机械工程中的应用 摘要： 飞轮是机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器，是人类对机械和能量认知的产物。当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波动。装在发动机曲轴后端，具有转动惯性，它的作用是将发动机能量储存起来，克服其他部件的阻力，使曲轴均匀旋转；通过安装在飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动连接起来；与起动机接合，便于发动机起动。 由于飞轮结构比较简单使用效果好，所以飞轮应用范围越来越广。 关键词：转动惯量 能量储存 动能 动量 引言：飞轮作为一种能量储存器，在机械领域有着不可磨灭的作用，各种各样的机械中都可以见到飞轮的身影，所以要想更深刻的学习机械了解机械，我们必须要更加深刻的认识飞轮。飞轮技术在我国仍处在研发阶段，而国际发达国家已有几十年的发展历史，在诸多领域获得应用，如F1赛车能量回收、轨道牵引能量回收、微电网调压及并网，超低温余热回收利用、应急UPS电源、高速离心风机等。1 飞轮的结构特点1.1 分述一飞轮是安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器。当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波动。具有适当转动惯量、起贮存和释放动能作用的转动构件，常见于机器、汽车、自行车等，具有较大转动惯量的轮状蓄能器。1.2 飞轮是一个质量较大的铸铁惯性圆盘，它贮蓄能量，供给非作功行程的需求，带动整个曲连杆结构越过上、下止点，保证发动机曲轴旋转的惯性旋转的均匀性和输出扭矩的均匀性，借助于本身旋转的惯性力，帮助克服起动时气缸中的压缩阻力和维持短期超载时发动机的继续运转。多缸发动机的飞轮应与曲轴一起进行动平衡，否则在旋转时因质量不平衡而产生的离心力将引起发动机振动，并加速主轴承的磨损。为了在拆装时不破坏它们的平衡状态，飞轮与曲轴之间应有严格的相对位置，用定位销或不对称布置螺栓予以保证。飞轮常见的损坏部位是齿圈磨蚀损坏、端面烧蚀、挠曲变形及飞轮螺孔损伤。2 飞轮的应用范围及应用实例2.1 分述一飞轮是个储能器，在机械中广泛应用。我们常见的有家用缝纫机，在缝纫机头部的由皮带带动的手轮就是一个飞轮，可以看到家用缝纫机的飞轮比生产厂用缝纫机的飞轮小，由于飞轮小所以家用缝纫机的缝合厚度就比生产用缝纫机缝合厚度要小。是那边说起六七十年代北京生产的燕牌缝纫机号称比上海生产的缝纫机力量大，缝合厚度大。其实原理很简单，就是北京的缝纫机飞轮要大些重一些，所以在缝纫时它储存的动能大，所以遇到比较大的阻力时可以穿透。汽车的发动机都有一个飞轮，除了除了克服活塞的上下止点外还有克服汽车行驶中遇到瞬间阻力的作用。比如汽车要越过一个台阶，压过一块石头等等。农用只有十几马力的拖拉机却有一个老大的飞轮，这就使它力大无比，功率100kW的小汽车的拉力绝对比不上这个小拖拉机，汽车的飞轮小是其中原因之一。车床上的卡盘就是一个飞轮，同一台车床使用同一转速，当上小卡盘时，车削感觉无力，这是换上大卡盘立刻感觉车床有力了。同样冲床、摩擦压力机、剪板机都有一个飞轮，工作时并不是电动机的瞬时能量起作用而是电动机把能量输送给飞轮，飞轮储能，工作时飞轮释放出能量冲裁、剪断等等。还有稳定转速、减轻转速波动作用。超越离合器是机械构造，是人把另外功能整合到一起了。飞轮具有较大转动惯量。由于发动机各个缸的做功是不连续的，所以发动机转速也是变化的。当发动机转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来;当发动机转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。飞轮可以用来减少发动机运转过程的速度波动。飞轮损伤的主要原因及维修，上文中有提到。装在发动机曲轴后端，具有转动惯性，它的作用是将发动机能量储存起来，克服其他部件的阻力，使曲轴均匀旋转;通过安装在飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动连接起来;与起动机接合，便于发动机起动。 国外应用研究进展国外磁悬浮支承技术和高速电机驱动的磁悬浮飞轮的研究与应用起步较早，主要是欧美和前苏联一些航天发达国家开展了这方面的研究和应用。 1972年，美国NASA开始研究磁悬浮动量轮。20世纪90年代初，在NASAPower and Propulsion 电池。该中心还研制了用于空间站的磁悬浮姿控储能两用飞轮工程样机，设计指标为电机转速为41000rmin、反向双飞轮结构、储能密度为44Whrkg、输出力矩大于0.5Nm。 法国Aer。spatiale公司生产的高速无刷直流电机驱动的磁悬浮飞轮已经有30多年的历史。1986年2月，法国SPOT地球资源卫星采用磁悬浮偏置动量轮进行姿态控制，其速度控制采用了锁相环后姿态稳定度达到0.000 1°s。至今已在多颗卫星上使用磁悬浮飞轮，累计无故障寿命时间超过88年。此外，德国、英国和日本等国也开展了高速磁悬浮飞轮的研究，并部分得到了应用。 俄罗斯对磁悬浮控制力矩陀螺研究与应用方面起步较早。前苏联20世纪60年代开始把磁悬浮控制力矩陀螺应用于通讯及气象卫星等大型空间飞行器上，如各代“闪电号”通信卫星；70年代，在“礼炮号”空间站和80年代中期的“和平号”空间站都应用了单框架磁悬浮控制力矩陀螺。从“礼炮3号”开始测试名为“Gyr。dynes”的单框架磁悬浮控制力矩陀螺群，并在“礼炮6号”、“礼炮7号”和“和平号”上作为固定设各投入使用。“和平号”空间站上的Kvant1和Kvant2舱上各有一套Gyr。dynes，每套包含6个单框架磁悬浮控制力矩陀螺呈五棱锥构型，其高速电机为永磁无刷直流电机，在工业电器网-cnelc设计和控制上充分考虑了上述方法和原则，电机转子额定转速为10000rmin，角动量为1000Nms，功耗为90W，每个重量为165kg。 “和平号”空间站从升空到坠毁共在轨15年，Gyro-dynes作为“和平号”的主要姿控执行机构，发挥了巨大的作用。 日本三菱重工1989年开始研制单框架磁悬浮控制力矩陀螺，以适应姿控执行机构长寿命、低功耗和低振动的要求，电机速度采用了锁相控制，其电机转速为700010000rmin、角动量为100Nms、输出力矩为50Nm。 国内应用研究进展 国内基于高速永磁无刷直流电机的磁悬浮飞轮的研究始于20世纪90年代末，相关的主要研制单位有北京航空航天大学、国防科技大学等单位。北京航空航天大学于1999年开始论证单框架磁悬浮控制力矩陀螺之后，在国家863-2高技术航天领域项目的支持下进行了我国空间站用高速、长寿命单框架磁悬浮控制力矩陀螺的攻关，研制出多台角动量为200Nms的磁悬浮控制力矩陀螺原理样机，陀螺转子的高速永磁无刷直流驱动电机额定转速为20000rmin，锁相双模速度控制，稳速精度优于0.01。电机定子采用了无铁空心杯结构，通过在三相桥前加BUCk变换器来消除PWM调制引起的电枢电流脉动，降低了转子铁耗。研制的磁悬浮姿控储能两用飞轮，设计最高转速为60000rmin、额定转速为50000rmin，采用了新型HALBACH磁体结构和无铁空心杯定子结构电机，并对电机的整体结构进行了集成设计优化。研制的磁悬浮偏置动量轮，额定转速为42000rmin，锁相双模速度控制，空心杯定子结构电机。 对于长期运行且要求高精度敏捷机动能力的航天器，综合考虑体积、重量、功耗和输出力矩大小，都需要采用高速电机驱动的磁悬浮飞轮作为姿控系统的执行机构。磁悬浮飞轮采用新型HALBACH磁体结构空心杯定子高速无刷直流电机，大大减小了飞轮的体积和等效重量，消除了定子铁耗。锁相双模控制使高速无刷直流电机获得了较高的稳速精度和动态性能。同时，采用基于BUCk斩波调速消除了导通区的电流脉动，降低了转子铁耗，获得了平滑的转矩特性。从应用效果来看，将高速永磁无刷直流电机用于磁悬浮飞轮，对进一步提高空间飞行器姿态控制系统的整体性能具有重要意义。2.2 分述二飞轮储能技术已经成为国际能源界研究的热点之一，从飞轮储能技术的技术进展以及应用研究角度出发，箱受到机械制造、电机、化工和冶金工业技术进步的影响，不断完善，逐步由完成车间内部的动平衡及速度稳定，成为大型系统机械化和自动化不可缺少的组成部分。不少国家正在探索大惯量、自动调整惯性量的更完善的飞轮机结构。扩大飞轮箱的使用范围，是指发展能在高温、低温条件下有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能工作在炽热、易爆、易结团、粘性物料的环境。近年来，与飞轮储能技术密切相关的三项技术取得了重要突破；一是磁悬浮技术的研究进展很快，磁悬浮配合真空技术，可把轴系的摩擦损耗和风损降低到人们所期望的限度；二是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，允许飞轮边缘速度达到l 000 ms以上，大大增加了单位质量的动能储存量；三是现代电力电子技术的发展给飞轮电机与配电网系统之间的能量交换提供了灵活的桥梁。这三项技术的新进展，使飞轮储能技术取得了突破性的进展，并在许多领域中获得成功应用，其潜在价值和优越性逐渐体现出来。在实际应用中，经常要使飞轮储能系统运行于发电运行状态单独给负荷供电，如飞轮储能系统应用于太阳能发电时，需要在无光照的条件下独立向负荷供电，而当飞轮储能系统用作UPS时，需要在电网供电中断或供电不正常的情况下独立向重要负荷供电。然而，由于电机运行于发电状态时，其绕组电动势的大小与飞轮的转速成正比，而飞轮转速会随着电能的释放而逐渐降低，这样将不能满足向负荷供电的要求。负荷的波动也会引起电机定子绕组端电压的变化。因此，有必要设计合理的电路和控制方法使飞轮储能系统发出的电能能够满足负荷的要求。在合理选择飞轮电机的基础上，设计了飞轮储能系统运行于减速发电状态并向负荷供电时的主电路结构，建立了飞轮储能系统的数学模型，重点对如何实现飞轮储能系统对负荷恒电压供电的控制策略进行了研究。德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用也比较多。日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统(容量26.5MVA ,电压1100V ,转速510690rpm,转动惯量710t?m2) 。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE也都针对高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统展开了研究。我国的飞轮储能应用开发虽然起步较晚，但是进展速度令人欣喜。2016年11月，中国石化中原石油工程公司与清华大学联合研制的我国首台MW级飞轮储能新型能源石油钻机在中原钻井三公司投用，填补了我国钻井行业绿色储能的一项空白。据测算，钻机月节约柴油40吨左右，节能效果30%以上，可减少二氧化碳等排污40%。3 飞轮的最新动态飞轮储能系统作为一种逐渐成熟的储能技术，已经应用到包括航空航天、电动汽车、电力等领域，逐步取代化学电池储能，成为储能行业一支不可忽视的力量。飞轮储能系统旋转时不会发生任何化学反应，其是纯粹的机械运动，对环境非常友好，因而受到越来越广泛的关注。根据市场研究公司Research and Markets最新发布的报告，从2010年到2014年，全球飞轮储能市场的年复合增长率将达到12%。不过，国内飞轮储能市场开始发力也只有3、4年时间。美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法，而复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量。2014年9月16日国内第一台飞轮200千瓦工业化磁飞轮调试成功，各项实验测试指标均达良好，飞轮运行正常，性能安全可靠。专家评价，这项具有完全知识产权的储能技术和产品填补了国内科技和市场的空白。目前，全球范围内各工业强国正大力开展可调转动惯量飞轮技术的研究，该技术已有少量的应用和试运行，预计21世纪飞轮技术将获得更加广泛的应用。作者认为可可调转动惯量飞轮的发展方向及研究热点可以在以下几点:1.超大功率可调转动惯量飞轮的研制;2.进一步降低飞轮系统的功耗;3.系统的安全性、可靠性分析;4.实现无级调整惯量。在分析当前飞轮技术的基础上，提出了一种通过转盘的高速转动实现飞轮转动惯量的高频脉动变化的新型转盘式变惯量飞轮。文章首先对转盘式变惯量飞轮的实现方法和组成结构进行了设计和分析，再通过相关理论计算分析，并举证实例，得到两者能吻合较好的结论，表明了转盘式变惯量飞轮在总体方案上的可行性。对转盘式变惯量飞轮的应用进行了分析，说明了该创新式设计在节能和储能技术等方面具有较好的应用前景。4 结语目前国内从事与飞轮研究相关的单位有:清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所(由中科院电工所、天津核工业理化工程研究院等组成)、北京航空航天大学宇航学院、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大学、合肥工业大学等,其中清华大学飞轮储能实验室为国内飞轮技术的领先者之一，中国的飞轮应用技术方兴未艾。以下是飞轮的具体优势：2）工作效率高。一般的飞轮储能系统工作效率可以达到90%左右，相比于抽水蓄能的60%以及蓄电池储能的70%，具有明显的优势，而且采用磁悬浮轴承的飞轮储能系统，其工作效率更高，接近95%。 3）使用寿命长。飞轮储能系统虽价格昂贵，但是设计良好，其年平均维护费用极低，充放电次数明显优于蓄电池储能等，其达到了百万数量级，且一般免维护的时间是在10a以上。4）环保无污染。由于机械储能的缘故，飞轮储能不会排放出污染环境的物质，其是一种环境友好型的绿色储能技术。此外，飞轮储能系统还具有模块性、建设时间短、事故后果影响低等优点。根据综上所述的优点使得飞轮应用范围更加广泛，在机械工业中扮演着无比重要的角色。参考文献：1 中国储能网 2 太阳能学报 6期 22期 3 飞轮储能技术研究的发展现状 蒋书运 卫海岗 沈祖培-