机械专业毕业设计磁悬浮飞轮电池设计.doc

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1、目录摘 要2Abstract31 绪论41.1 前言41.2 研究的目的与意义41.3 国内外研究现状51.4 研究内容52 磁悬浮飞轮电池的总体结构方案的确定72.1 飞轮电池的原理72.2 结构方案的设计83 电动机和发电机的选择和连接123.1 电机的选择123.2 中心转轴的设计123.3 中心转轴和转子铁芯的安装143.4 定子的安装154 飞轮的结构设计174.1 材料的选择174.2 飞轮转速范围确定174.3 飞轮结构及其参数计算175 其他结构零件的设计225.1 轴端轴承的选择225.2 上端盖的结构设计225.3 外圆筒的结构设计235.4 下端盖1的结构设计235.5

2、下端盖2的结构设计246 结束语25参考文献26致谢27摘要磁悬浮飞轮电池是一种新型的储能装置，具有比能量高、比功率大、体积小、充电快、寿命长、无任何废气废料污染等特点。随着真空技术、复合材料技术、集成驱动的电动机/发电机、电力电子装置以及磁悬浮技术的迅速发展，这一新型储能装置的开发和应用成为可能，并有着良好的发展前景。本文对磁悬浮飞轮电池整体结构设计方法和理论进行了研究，提出了几套设计方案，经过计算和分析选择了一套合适的方案并借助专业绘图软件Solidworks和AutoCad将其总体结构呈现出来。本文对发电机电动机同轴相连的方法做出了探讨，详细设计了转轴的结构，对飞轮的材料和结构作了研究，

3、并在轴承的选择上进行了细致的分析。关键词：飞轮电池；结构方案；飞轮；转轴；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 mot

4、or/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

5、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 metho

6、d 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 绪论1.1 前言飞轮储能(Flywheel Energy St

7、orage)是一种有着悠久历史的储能思想，它通过一种简单的机械装置飞轮来储存能量用于生活和生产上，早已屡见不鲜，但真正的飞轮电池的思想起源于上世纪70年代早期，最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。主要有以下几个方面:l)长时间保持真空的技术;2)复合材料飞轮;3)集成驱动的电动机/发电机;4)电力电子装置;5)磁悬浮支承。直到20世纪90年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，磁悬浮技术的发展以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展。典型的飞轮系统包含悬浮的转子和飞轮，以及一个电动机和一个发电机，通常电动机和发电机被设计成一个整体，然

8、后通过电子电力设备实现发电机和电动机的功能的转换来完成能量的输入和输出，并且飞轮电池的整个容器被设计成真空的用以减小摩擦。飞轮储能系统通过使飞轮加速到很高的速度而将电能以转动的形式存储到系统中，通过降低飞轮的转速电能又被转换回来。1.2 研究的目的与意义在飞轮储能装置中，决定输入输出能量的是外接的电力电子装置，而与外部的负载没有关系，还可以很方便地通过控制飞轮的旋转速度来控制飞轮的充电，这种特点在化学电池中实现起来要困难得多。并且伴随着磁轴承技术的发展，这种电池显示出更加广阔的应用前景，现正迅速地从实验室走向社会。目前飞轮技术的发展速度很快，再加上飞轮储能系统的充电速度可以非常快，飞轮储能装置

9、的储能密度越来越大，效率和寿命也在不断提高。在放电的时候，是机械能和电能的相互转化，所以飞轮的寿命和放电的深度没有关系，这样飞轮可以应用的放电深度范围非常宽，特别适用于放电深度不规则的场合，由于飞轮的快速充放电和独立而且稳定的能量输出，当设备需要能量突然增加或者在能量转换时需要平稳过渡的时候，经常考虑到使用飞轮技术。飞轮技术是电能和机械能的相互转化，不会造成污染，这种无污染或污染小的能量供给方式在汽车行业中已受到人们的关注。当电网电压突然下降或者突然停电的情况发生时将有可能导致许多严重的损坏，特别是在数据中心、医院、铁路和通讯系统，这种情况的发生所导致的严重后果是难以想象的，但是飞轮系统的研究

10、可以很好的解决这一难题，将飞轮储能系统应用于电网中，由于飞轮系统会存储一定的能量，当电网电压突然下降或是停电情况发生时，飞轮系统就会迅速做出反应，将自己存储的能量贡献出来，最大情况的降低这种危害。1.3 国内外研究现状我国在这方面的研究才刚刚起步，但是现在欧美国家已出现实用化产品。并且现在飞轮电池的发展相当迅速，并已经出现了利用超导磁悬浮的高新技术让飞轮和包裹容纳它的真空容器没有物理接触减小摩擦损耗，这样飞轮就能转的非常快，而且损耗极小，存几年转速也不会降低很多。1）太空 包括人造卫星、飞船、空间站，飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的310倍。同时，

11、因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看电能的多少。美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150KW的电能。据估计相比化学电池，可节约200万美元左右。2）交通运输 包括火车和汽车，这种车辆采用内燃机和电机混合推动，飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电，飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，发动机的维护，延长发动机的寿命。美国TEXAS大学已研制出一汽车用飞轮电池，电池在车辆需要时，可提供150KW的能量，能加速满载车辆

12、到100Km/h。在火车方面，德国西门子公司已研制出长1.5m，宽0.75m的飞轮电池，可提供3MW的功率，同时，可储存30%的刹车能。3）不间断电源 飞轮电池可提供高可靠的稳定电源，可提供几秒到几分钟的电能，这段时间足已保证工厂进行电源切换。德国GmbH 公司制造了一种使用飞轮电池的UPS，在5s内可提供或吸收5MW的电能。4）军用战斗车辆 美国国防部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需要电能，飞轮电池由于其快速的充放电，独立而稳定的能量输出，重量轻，能使车辆工作处于最优状态，减少车辆的噪声（战斗中非常重要），提高车辆的加速性能等优点，已成为美国军方首要考虑的储能装置。1.

13、4 研究内容飞轮电池储能装置的设计，就是根据给定的额定储能总量和基本技术性能要求，选用合适的材料，确定合理的结构，计算飞轮电池各部分的尺寸.并计算其性能，以满足节省材料、制造方便、性能良好等基本要求，获得较大的经济效益。飞轮电池，作为一种储能装置，不仅要求重量轻，而且要求效率高，这就需要依靠提高飞轮转子储能密度、减小轴承摩擦损耗、提高电机效率与能量转换效率等各个环节共同来保证。飞轮电池的设计的具体内容很多，包括飞轮转子设计、磁悬浮轴承结构设计、控制系统设计、电机及其能量转换控制设计等，这就涉及到机械、材料、电工、热工、计算机等多学科的交叉，其设计过程是极其复杂的，至今尚没有系统的设计方法。本文

14、主要是对机械结构方面的设计和研究，对飞轮电池的主体结构进行设计，包括飞轮转子设计、支撑结构设计、电机选择以及外部轮廓设计，并验证设计方法的可行性。具体研究内容如下：第二章 磁悬浮飞轮电池的总体结构方案的确定第三章 电动机和发电机的选择和连接第四章 飞轮的结构设计第五章 其他结构零件的设计其中第五章内容包括轴端轴承的选择；上端盖的结构设计；下端盖1的结构设计；外圆筒的结构设计；下端盖2的结构设等内容。2 磁悬浮飞轮电池的总体结构方案的确定2.1 飞轮电池的原理飞轮储能电池系统包括三个核心部分：一个飞轮，电动机发电机和电力电子变换装置。磁悬浮飞轮电池还包括一个磁悬浮的装置，磁悬浮装置的作用就是将飞

15、轮连同转子一起悬浮，其目的是减少摩擦。飞轮电池的原理图如图1所示：图1 飞轮电池的原理图从原理图可看出，电力电子输入装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子输出装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。由于输入、输出是彼此独立的，设计时可以将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也可以合并成一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量。同时由于在实际工作中，飞轮的转速可达4000050000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都

16、采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减少了整个系统的重量，同时，为了减少充放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少机械摩擦；同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率（输入输出）达95左右。飞轮存储的能量的计算公式为，其中是转动惯量，是角速度。，其中是惯性常数，飞轮是个圈是1，圆柱是1/2，M是质量，R是半径。现在飞轮一般都能做到四五万转，储存的能量极其大。真空容器内有电动机，充电时电动机线圈通电，电动机旋转带动飞轮转速提高，从而飞轮存储一定的能量，转速越高、飞轮转动惯量越大，所存储能量越大。放电时利用真空容器里的发电机，飞轮的

17、高速旋转带动发电机转动使得磁力线切割线圈产生电流，电流通过真空容器外部的电子电力装置变压。这样飞轮电池的性能就非常好，只要电子电力装置撑得住，充放电速度要多快有多快。2.2 结构方案的设计2.2.1 方案1初始我们提出的结构方案为使用两个外转子电机来实现飞轮的高速旋转，经过仔细甄选我们采用YDFW系列外转子全封闭式鼠笼式三相异步电动机，它具有如下优点：具有外转子结构、噪声低、振动小，可借助三相调压器进行无级调速等。而外转子电机的突出优点就是转矩大，这可以带动转动惯量较大的飞轮高速旋转。如图2所示为初步结构方案图。飞轮做成中空的结构，这样的结构转动惯量较大而质量较轻，在真空容器上设置了一块板子用

18、以支撑电磁铁和传感器，在工作状态时，电磁铁会将飞轮悬浮以减小摩擦。图2 飞轮电池的结构方案1在上述结构方案图中，基本原理虽然可行，但是存在诸多问题，飞轮的结构复杂，制造工艺性不好或根本无法制造，这对其内部结构的安装也是一个棘手的问题，由于飞轮将两个电机完全包裹在了一起，因此电机的导线无法通到外面，即使能接到外面也要在转轴上钻一通孔，这不仅使得结构性不好，制造工艺也将会变得更加复杂。2.2.2 方案2经过对比改进，虽然外转子电机有诸多优点，但对于本设计来说，困难重重，因此将外转子电机改设成内转子电机，虽然内转子电机转矩相对于外转子电机来说会小一点，但我这次设计的飞轮电池的飞轮不会太大，转矩足够，

19、且作为设计研究所用，这次的设计转速设定在3000r/min左右。如图3所示，电动机和发电机分布在飞轮的轴向两侧并分别靠支撑板支撑，在飞轮轴的下部安放了弹簧缓冲装置，其目的是防止飞轮在高速旋转时由于断电而突然下落与下部支撑所产生的摩擦。图3 飞轮电池的结构方案2这种方案原理可行，由于转速不高，对各支撑和轴承的要求不是很高，但是，也正因为转速不高，所以为了保证存储的能量足够，需要飞轮的转动惯量尽可能的要大，所以本方案所示的飞轮的转动惯量很难复合要求，即所存储的能量过低而无法进行研究。2.2.3 方案3将方案2的结构进行进一步的调整，为了安装各元件尤其是电磁铁和传感器的方便，设计发电机和电动机在飞轮

20、的同一方向上，都设置在飞轮下部，这样有一个好处就是可以方便的将两个电机的转子和中心转轴安装在一起，然后再安装其他的元件，否则，安装工艺将会变得相当复杂甚至无法正常安装。图4 飞轮电池的结构方案3如图4所示发电机和电动机的转子都安装在支撑板2上，而支撑板2又和下端盖1和下端盖2相连，保证定子的固定，转轴和两个转子相连，由支撑板1和下端盖2上的两个轴承径向约束，轴向约束则靠电磁铁和传感器通过电子设备实现电脑控制。整个飞轮容器靠三根支柱固定在地板上，使得飞轮容器可以稳定的固定在水平面上，由于飞轮和转子被密封在同一个容器中，可以将整个容器抽成真空，减小空气阻力带来的能量损耗。总体来说，本方案的结构较为

21、合理，安装方便，工艺较为简单，所以此方案可行，但细节方面还存在众多问题，需要进一步改进，继续优化。2.2.4 确定方案经过前面三种方案的比较后确定方案3比较合理，优化方案3的结构如图5所示。图5 飞轮电池的最终方案飞轮的总体结构在原有基础上做了进一步的修改和优化，在工艺上进行了进一步的调整，简化了工艺步骤和方法。1）电磁铁采用0.5mm硅钢片叠到一起，外面缠绕铜丝线圈，并放在两个半圆形支座上，再通过螺栓固定在支撑板上，以此实现飞轮的悬浮功能，在磁铁的同一圆弧上设置了三个传感器用以探测飞轮的轴向位移，并通过电子装置控制飞轮的轴向距离进而控制飞轮的悬浮和径向偏移。电磁特和传感器的布置如图6所示。图

22、6 飞轮电池的磁铁和传感器的布置图在工作状态时，即飞轮被悬浮时，飞轮和支撑板之间的间隙只有1mm，这个距离是根据电磁力和电流之间的关系确定的，如果距离过大则所需的电源的电流就会过大，过大的电流会过多的损耗电能，而如果距离太小则飞轮在高速旋转时的要求就会非常高，稍有偏斜就会发生事故，因此选择比较适中的1mm。2）在飞轮和轴相连接处的轴肩相接触的地方，设置了一个突台，其目的是保证精度简化工艺内容和步骤，在加工飞轮时只需要保证突台处的精度就可以了。3）将下端盖1的结构简化，去掉支撑板2，下端盖2的圆筒部分去掉，被下端盖1和下端盖2去掉的部分合成为一个新的外圆筒。4）在各元件连接的有需要密封的地方增设

23、了密封圈或密封环，这样保证飞轮内部被抽成真空时的真空度。5）在轴的两端安有轴承的地方设置了轴承端盖，限制轴承的轴向位移。6）对底座的结构进行了优化设计，如果底座是一整块园板，不仅不利于平稳，而且浪费原料，特设计成中空的园板支撑，为铸造件。7）为防止飞轮由于突然断电而下落所产生的与下端盖之间的摩擦带来的严重后果，在下端盖上设置了一个铜质的圆环，因为铜和铁之间的摩擦很小，可以减小这种危害。8）在外圆筒上加开了一个20mm圆孔，用于导线的接出和接入。3 电动机和发电机的选择和连接3.1 电机的选择在选择电机时，主要考虑转速、质量、体积三方面的因素，转速要达到或超过3000r/min，质量和体积都不能

24、太大。根据这个原则，选择电动机的种类为Y系列三相异步电动机，这种电机为全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，是按照国际电工委员会（IEC）标准设计的，具有国际互换性的特点。用于空气中不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场所。适用于电源电压为380V无特殊要求的机械上。其主要参数如下表1 Y802-2电动机的主要技术参数电动机型号额定功率/kw满载转速/(r/min)堵转转矩额定转矩最大转矩额定转矩Y802-21.128302.22.3同步转速3000r/min，2极3.2 中心转轴的设计轴的设计是根据电机的结构和安装飞轮轴承的位置所确定的，其结构如图7所示。图7 轴的设计三维效果图根据轴的承载情况，直轴可

25、分为转轴、心轴和传动轴三类，显然在磁悬浮飞轮电池中所用到的轴只会受到扭矩的作用，而弯矩基本上没有，因此此轴的类型为传动轴。根据电机的实际尺寸和安装轴的设计尺寸如图8所示。图8 轴的设计尺寸轴的扭转强度条件公式为 （3-1）式中：轴的扭转切应力，； T轴所传递的转矩，；轴的抗扭截面系数，；轴所传递的功率，；轴的转速，；轴的许用扭转切应力，；对实心圆轴，将代入上式中可得轴的直径为 （3-2） 式中：由轴的材料和承载情况确定的常数，其值可查表；的单位为。轴的材料为45钢，因此查表得C为107。由以上公式算得因此只要轴的直径大于7.81mm就可以满足强度要求了。由此得出结论，该轴的设计强度符合要求。3

26、.3 中心转轴和转子铁芯的安装电机的转子由铁芯、转子绕组和转轴组成。转子铁芯是电动机主磁通磁路的一部分，由厚度为0.35mm-0.5mm冲槽的硅钢片叠成，铁芯固定在转轴上。本设计所采用的电机为鼠笼式绕组，转子绕组为鼠笼式绕组即在转子槽中浇铸铝液而铸成的鼠笼，它的端环也用铝液同时铸成，并且在端环上铸出许多叶片作为冷却用的风扇，如图9所示。图9 电机转子这样不仅可以简化制造工艺和以铝代铜，而且可以制成各种形状的转子槽型和斜槽结构，从而能改善电动机的启动性能，减少运行时的噪声。图10 铁芯和转轴的安装示意我们在安装时要先把买来的电机的转轴抽出，然后按照图10的形式换上自制的转轴，转轴和硅钢片之间采用

27、热套配合，在保证强度的前提下尽量不要采用过紧的公差配合。因为过盈量增加，必然要求提高转子铁芯的温度这样既浪费资源也增加了热套操作的困难。3.4 定子的安装定子由机座、定子铁芯和定子绕组三部分组成，机座的作用主要是固定和支撑定子铁芯，在这里根据机座的形状和原理自制了一个外圆筒，外圆筒是为了飞轮电池整体的的结构和安装设计的。定子铁芯也是电动机主磁通磁路的一部分，为了能使异步电动机能产生较大的电磁转矩，因此，定子铁芯由导磁性能好的、厚度在0.35-0.5mm且冲有一定槽型的硅钢片叠压而成，硅钢片表面涂有绝缘漆或氧化膜，片与片间相互绝缘，这样可以减少由于涡流造成的能量损失。图11 定子铁芯铁芯内圆冲有

28、均匀分布的槽，在槽中安放绕组。图12 定子绕组定子绕组是异步电动机定子部分的电路，它由线圈按一定规律连接而成。三相异步电动机有三个独立的绕组，每个绕组包括若干线圈，每个线圈又由若干匝数构成。绕组的导线用高强度聚脂漆包圆铜线绕成。在槽内线圈和铁芯间垫有青壳纸和聚脂薄膜作为槽绝缘。槽内有上下两层，线圈之间还垫有层间绝缘。将定子铁芯从买来的电机中抽出，然后安装在自制的外圆筒中，在外圆筒的中间有圆环突台用以定位两个电机的位置，在外圆筒的两端设置了压紧装置，用以固定定子铁芯。4 飞轮的结构设计为提高飞轮电池的储能能力，需采用合适的转子材料与合理的转子结构。4.1 材料的选择目前飞轮电池转子材料主要有高强

29、度钢、铝合金等金属材料，以及玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和石墨纤维等复合材料。飞轮材料的选择主要取决于飞轮电池的总体设计要求及其一些约束条件，如装置的价格、体积、质量、飞轮转速等方面的约束。由上述分析可知，储能密度与材料的比强度成正比。如果对飞轮的轮缘线速度没有任何限制，为尽可能地提高飞轮的储能密度，并尽可能地减小飞轮断裂的可能性，飞轮材料选择的一个主要原则是选择比强度大的材料来制作飞轮转子。本文研究的飞轮电池，其设计转速不高，只有2830r/min，所以考虑价格、制造难易程度等方面的因素，选择铸铁HT250来作为飞轮的材料。=2.7GPa =8000kg/ =56.84.2 飞轮转速范围确定飞

30、轮转速范围是飞轮电池装置设计中重要的设计参数之一，在整个转速范围内，要保持一个最小功率要求。根据电机理论，其功率与转速之间的关系为:式中电机功率 电磁转矩由上式可知，要满足最小功率要求，必须限制飞轮的最小转速。但是，如果过分地限制飞轮转速范围，则储存在飞轮中的能量只有很小一部分得以利用。可利用的能量表示为: (4-1)式中 放电深度，主要由电机性能所决定。在通常情况下，选择最小转速为最大转速的一半，则飞轮电池的总储能量的四分之三可以被利用。4.3 飞轮结构及其参数计算4.3.1飞轮结构飞轮转子与转轴之间采用过盈配合工艺安装，本设计使用跟电机定子和转轴之间一样的安装方法即热套配合，保证一定的过盈

31、量，飞轮结构如图13所示。图13 飞轮的三维结构图4.3.2 飞轮的轮缘线速度极限与储能极限飞轮的结构简图如下图14所示图14 飞轮的结构件图飞轮的储能量为E，计算公式如下，得 (4-2)式中 J飞轮的转动惯量； 飞轮材料密度； 飞轮转动角速度飞轮的轮缘线速度； 飞轮内外半径比； 飞轮的外廓体积即飞轮旋转工作空间。根据飞轮转动时的应力分析可知，最大环向应力发生在内半径处，其表达式为 (4-3)式中 飞轮材料泊松比最大径向应力发生在处，其表达式为 (4-4)由飞轮的强度约束条件，得 (4-5)因此飞轮的轮缘线速度极限为 (4-6)将式（4-6）代入（4-2）得飞轮的储能极限为 （4-7）由上式可

32、知，飞轮的最大储能量与它的外廓体积、内外半径比及材料的强度极限、泊松比有关，而与材料的密度无关。因此，提高飞轮的储能量，则必须增加飞轮的外廓体积、选择强度极限高的材料，并优选值。4.3.3 飞轮内外半径比的选择采用不同的飞轮转子评价指标，飞轮的内外径半径比的选择也不同质量能量密度 （4-8）体积能量密度 （4-9）小型轻量指标 （4-10）由、的单调性分析可知，随单调递增，随单调递减，而在处有一最大值。， （4-11）马氏体时效钢(材料性能为:=0.3，=8000，（安全系数取2）)飞轮计算，由式（4-11）得，由式（4-8）-（4-10）计算得图15图15 飞轮储能密度由图15可知，由于本设

33、计对飞轮质量有严格要求，所以应以 指标为准选择，取。4.3.4 飞轮设计飞轮材料选用铸铁HT250，其材料性能参数为:=0.3，=8000，（安全系数取2），参照上述分析，取，并根据实际设计的外围结构，设计飞轮的尺寸如下图16 飞轮的结构尺寸现将有关数据代入相应公式计算出金属飞轮的相关数据，见下表表2 飞轮的有关参数外半径（mm）内半径r(mm)高度H(mm)质量M(kg)最大线速度(m/s)最大转速(r/min)质量能量密度(Wh/kg)体积能量密()60040010016588.928300.758 60305 其他结构零件的设计5.1 轴端轴承的选择轴承要能限制轴的径向移动，由于轴在工作

34、时要和飞轮一起被电磁铁悬浮，因此轴承的内圈和外圈要有一定的轴向游隙，并且这种游隙不会对轴的径向支撑产生任何影响，根据这个原则，本设计中选取的是圆柱滚子轴承，如图17所示图17 圆柱滚子轴承及其类别圆柱滚子轴承负荷能力大，主要承受径向负荷，不能承受轴向载荷。滚动体与套圈挡边摩擦小，适于高速旋转。根据套圈有无挡边，可以分有NU、NJ、NUP、N、NF等单列轴承，及NNU、NN等双列轴承。该轴承是内圈、外圈可分离的结构。内圈或外圈无挡边的圆柱滚子轴承，其内圈和外圈可以向轴向作相对移动，所以可以作为自由端轴承使用。在内圈和外圈的某一侧有双挡边，另一侧的套圈有单个挡边的圆柱滚子轴承，可以承受一定程度的一

35、个方向轴向负荷。一般使用钢板冲压保持架，或铜合金车制保持架。但也有一部分使用聚酰胺成形保持架。根据转子和飞轮的旋转情况，轴向载荷可以由电磁铁来控制，因此轴承只需承受径向载荷就可以了，而又由于轴和轴承外圈会有轴向移动，因此我们选择轴承外圈和滚子固定的、内圈可以轴向游移的NU型的圆柱滚子轴承。选择的圆柱滚子轴承代号为 NU206E GB/T283-1994。5.2上端盖的结构设计上端盖的主要作用就是包住电磁铁和传感器，并在端盖顶部有导线的通口，上端盖并不承受大的力的作用，只是在飞轮电池工作时，内部会被抽成真空，所以盖子所承受的是来自外部的大气压的压力。上端盖的三维结构图如图18所示：图18 上端盖

36、的结构图5.3 外圆筒的结构设计外圆筒起到的是电机机座的作用，其作用就是固定和支撑定子铁芯。定子铁芯被固定在内圆中。在外圆筒的上端安装着下端盖1，下端盖1的上端安装着支撑板，在外圆筒的下端安装着下端盖2，支撑板和下端盖2上安装了圆柱滚子轴承，用以支撑轴的转动。外圆筒的结构如图19所示：图19 外圆筒的结构图5.4 下端盖1的结构设计下端盖1是飞轮电池的重要部件，它不仅起到了通过三个支撑柱支撑整个飞轮电池结构的作用，它还是连接整个飞轮电池其他部件的关键部分，下端盖1的上端连接着支撑板和上端盖，它的下端连接着外圆筒，由于这些部件的对中性要求很高，即对于这些部件之间连接的地方的精度要求很高。下端盖1

37、的结构如图20所示；图20 下端盖1的结构图5.5 下端盖2的结构设计下端盖2主要有两个作用，一是压紧装在外圆筒上的定子铁心，还有一个重要的作用就是在中心放置轴承，由于轴和飞轮在高速旋转的时候对中心要求比较高，因此下端盖2的对中性要求很高，精度要求就很高，多以加工时工艺就比较复杂一些。下端盖2的结构图如图21所示：图21 下端盖2的结构图6 结束语磁悬浮飞轮电池是一种新型储能装置，具有比能量高、比功率大、体积小、充放电快、寿命长、无任何废气废料污染等特点。随着长时间保持真空技术、复合材料技术、集成驱动的电动机/发电机、电力电子装置、磁悬浮技术最新进展，使这一新型储能装置的开发和应用成为可能，有

38、着良好的发展前景。磁悬浮飞轮电池主要是由高速飞轮转子、磁悬浮轴承系统、电动/发电机等组成，是一种典型的机电磁一体化产品，涉及到机械、材料、电工、热工、计算机等多学科的交叉。多项技术的交叉使其研究开发的难度较大。本论文主要研究的是飞轮电池的结构设计，重点研究设计了飞轮和中心转轴，校核了轴的强度，对飞轮的材料进行了选择。飞轮电池可用于不同的领域，故其结构会有不同的特点，本文的主要研究目的是对飞轮理论的验证性设计，设计出可行的飞轮结构，能够实现飞轮电池的储能和供能的作用。并不需要对飞轮电池的外观、尺寸、质量以及安装进行考虑，因此本文设计的飞轮的转速不高，所选择的电机为普通三相异步电动机，并且本设计中

39、电机为两个，一个充当电动机一个充当发电机，并没有将两个电机的功能用一个电机代替，目的是简化设计思路。基于上述思想，在轴承的选择上，我们采用了普通的圆柱滚子轴承，并没有采用磁轴承。参考文献1 赵旭升，沈国良飞轮储能电池的结构特点及其应用J硫磷设计与粉体工程2004，(6):44-452 蒋书运，卫海岗，沈祖培飞轮储能技术研究的发展现状J太阳能学报2000，(4):427-4333 Hisashi Mitsuda，Mukhamad Subkhan，Atsushi Inoue，Mochimitsu KomoriEnergy storage flywheel system with AMB and P

40、MB and its performances JJapan341-3464 Kenzo Nonami，Budi Rachmanto，Kenta Kuriyama，Yukihiko Sato，Keiichiro KondoAtsushi Kubo，Ryoichi TakahataAMB Flywheel-Powered Electric Vehicle J Japan232-2375 吴华春，胡业发，王晓光，江征风车载磁悬浮飞轮电池系统研究J机械工程师2005，（8）：21-236 魏凤春，张恒，蔡红，陈东明飞轮储能技术研究J洛阳大学学报2005,(2):27-307 沈祖培飞轮储能J北京中国电子报20038 彭文生，李志明，黄华梁机械设计M北京:高等教育出版社2002.89 刘午平，六为国，寻立波电动机修理M北京：国防工业出版社2006.110 杨志轶飞轮电池储能关键技术研究D合肥:合肥工业大学200211 唐增宝，常建娥机械设计课程设计M武汉:华中科技大学出版社2006第三版致谢本论文的全部工作是在指导老师王晓光教授的悉心指导下完成的。在这半年做毕业设计的学习过程中，王老师给我提供了