摘 要

磁悬浮飞轮电池具有储能密度大、效率高、响应快、可靠性高、环境友好等优点，有很重要的应用前景，具有很高的研究价值。磁悬浮支承是利用磁力将转子悬浮起来,它与普通轴承支承相比,具有无机械接触、无摩擦、无磨损、无需润滑、长寿命等优势。基于此，本课题设计了一种永磁磁悬浮飞轮发电装置。

针对本次研究内容，首先阐述了磁悬浮飞轮电池的工作原理，对飞轮转子的结构、电机的型号、及支撑方案进行了确定，采用了一种机械支承和永磁轴承混合支承的结构形式。最终完成了装置整体结构的设计，使用Solidworks软件完成了装置结构的建模。

本文对径向永磁轴承进行了结构设计，使用ANSYS Workbench软件进行了磁场的仿真分析，并根据仿真结果，设计了轴向叠加、轴向充磁的永磁轴承，并且确定了径向永磁轴承的装配方案。使用ANSYS Workbench软件对转轴进行了强度校核，使用ANSYS软件对飞轮进行了强度校核，仿真结果表明各项指标符合要求。

最后对永磁飞轮发电装置发电状态进行了分析，设计了发电电路，确保可以给直流负载提供稳定的电压。

关键词：飞轮；永磁磁轴承；有限元分析；发电

Abstract

Magnetic suspended flywheel battery has lots of advantages , such as a large energy storage density, high efficiency, fast response，high reliability, environment friendly. This kind of flywheel battery has important application prospect and high research value. Magnetic suspension uses magnetic force to support suspended rotor. Compared with ordinary bearings, magnetic suspension bearings have advantages, such as no mechanical contact, no friction, no wear, without lubrication, long life and so on. This paper has designed a kind of permanent magnetic suspended flywheel electricity-generation device.
As for this research， firstly we elaborated the working mechanism of the magnetic suspended flywheel battery and determine the structure of the flywheel rotor and the motor type. Secondly we determine the support program. We adopted magnetic bearings combining with mechanical bearings to support rotor. We designed the structure of the permanent magnetic suspended flywheel electricity-generation device, using Solidworks software to achieve three-dimensional modeling of the device.

We designed the structure of radial magnetic bearings, using ANSYS Workbench software to achieve the simulation analysis of magnetic field. According to the simulation results, We designed the axial superposed and magnetized in the axial direction and the assembly solutions of radial magnetic bearings. We used ANSYS Workbench software to check the strength of the axis and the ANSYS software to check the strength of the flywheel. The simulation results show that the indicators meet the requirements.

Finally, we analyzed the state of generating and designed the boosted circuit to ensure that the device can provide a stable voltage to the direct current load.

Keywords: flywheel；permanent magnetic bearing ；finite element analysis；generate electricity

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 项目背景 1

1.2.1 国外飞轮发电装置研究现状 1

1.2.2 国内飞轮发电装置研究现状 3

1.3 主要研究内容 3

1.4 解决的重要问题 4

第2章 永磁飞轮发电装置结构设计 5

2.1 永磁飞轮发电装置的工作原理 5

2.2永磁飞轮发电装置总体布局方案设计 5

2.2.1永磁飞轮发电装置支撑方案的选择 5

2.2.2 永磁飞轮发电装置轴系的整体布局 6

2.3 永磁飞轮发电装置飞轮的结构设计 7

2.3.1 永磁飞轮发电装置飞轮材料选取 7

2.3.2 复合材料飞轮的结构设计 8

2.4 永磁飞轮发电装置电机的选择 11

2.5 永磁飞轮发电装置转轴的设计 12

2.5.1 飞轮转轴材料的选取 12

2.5.2 飞轮转轴最小轴径的估算 12

2.5.3 飞轮转轴结构的设计 12

2.6本章小结 13

第3章 永磁飞轮发电装置支承系统设计与仿真 15

3.1 永磁飞轮发电装置径向磁轴承承载力计算 15

3.2 永磁飞轮发电装置径向磁轴承结构设计 15

3.2.1 永磁轴承材料的选取 15

3.2.2 永磁径向轴承结构设计 15

3.2.2 永磁径向轴承尺寸设计 16

3.3 永磁飞轮发电装置径向磁轴承仿真分析 17

3.3.1 ANSYS电磁场有限元分析介绍 17

3.3.2永磁径向轴承的ANSYS分析 18

3.4 本章小结 24

第4章 永磁飞轮发电装置静力学仿真分析 25

4.1 ANSYS静力学分析介绍 25

4.2 永磁飞轮发电装置转轴的强度校核 25

4.2.1 永磁飞轮发电装置转轴静力学分析过程 25

4.2.2 永磁飞轮发电装置转轴的静力学分析结果 25

4.2 永磁飞轮发电装置飞轮的强度校核 26

4.2.1 永磁飞轮发电装置飞轮静力学分析过程 26

4.2.2 永磁飞轮发电装置飞轮的静力学分析结果 27

4.3 本章小结 31

第5章 永磁飞轮发电装置发电电路设计 32

5.1 永磁飞轮电动/发电机发电状态原理分析 32

5.2 永磁飞轮发电装置整流电路的选择 32

5.2 永磁飞轮发电装置升压电路的选择 34

5.3 永磁飞轮发电装置发电控制系统的设计 34

5.4 永磁飞轮发电装置发电电路原理图设计 36

5.5 本章小结 36

第6章 总结与展望 37

6.1 研究总结 37

6.2 展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

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。飞轮电池高效无污染，赢得了人们的喜爱，正在逐步替代化学电池。飞轮电池的优点主要有：

（1）有很高的储能密度。

（2）使用寿命长，整个寿命期间，飞轮不会损坏。

（3）能量转化效率方面，飞轮电池的悬浮依靠磁轴承提供的电磁力，可以减少机械摩擦，这样飞轮电池的能量转化效率达85%～95%，相比于普通化学电池的75%的效率，有很大的优势。

（4）能够在很短的时间完成充电。

（5）不产生废气废料，对环境十分友好。

目前，高能永磁技术、高强纤维复合材料技术、高温超导技术、电力电子技术飞速发展，因此磁悬浮飞轮电池将会有更广泛的应用。

机械轴承在工作过程中，轴承和轴接触，会产生机械摩擦。磁悬浮轴承没有机械摩擦，轴承与轴无接触，能够高速运转，适合飞轮发电装置，因此本设计应用磁悬浮支承系统。相比于主动磁力轴承（AMB），被动磁力轴承（PMB）不需要主动控制。因此，结构较为简单，成本低，并且在无控制系统的情况下，能自动平衡。因此,本文选用被动磁力轴承（PMB）构建磁悬浮支承系统，这是本设计重要研究内容之一。