飛輪電池用永磁軸承、電磁軸承復合支撐系統(tǒng)的設計.pdf

1、飛輪電池是一種物理電池,它具有儲能密度高,不會因過充電、過放電而影響儲能密度和使用壽命,儲能量可以精確計算和測量,充電時間較短,使用壽命長,能量轉(zhuǎn)換效率極高,對溫度不敏感,清潔無污染等優(yōu)點。新能源如太陽能、風能、潮汐能等需要一個儲能單元作為重要緩沖環(huán)節(jié),因此,飛輪電池將在不久的將來有著重要的發(fā)展戰(zhàn)略意義。
　　要使飛輪電池具有較高的儲能量和較小的摩擦損耗以及優(yōu)良的懸浮支撐性能,磁懸浮控制系統(tǒng)承擔著不可替代作用。常見的磁懸浮軸承有永

2、磁軸承(PMB)、超導磁軸承以及電磁軸承(AMB),超導磁軸承又分為高溫超導和超低溫超導,其使用條件比較苛刻,因此,對其應用起到了極大的約束;永磁軸承屬于被動磁軸承,其損耗較低,結構簡單,制造成本低,但同時其控制精度不高,不適用超高轉(zhuǎn)速的飛輪電池;電磁軸承屬于主動磁軸承,其控制精度很高,但目前的對于多輸入非線性時變系統(tǒng)的控制缺乏有效的方法和理論,如何精準地實現(xiàn)飛輪電池轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的控制是目前普遍研究的一個熱門問題。
　　如此同時,由于

3、極高的轉(zhuǎn)速帶來的離心力應力也會相應很大,因此,普通的材料很難實現(xiàn)較小體積容納較大轉(zhuǎn)動動能的電池可移植性能。近些年來,新型高強度非金屬材料也不斷問世,其中以碳纖維最為經(jīng)典,其抗拉強度為普通合金材料的5-7倍,而密度卻僅為其20％左右。這種材料的儲能密度很大,很適合超高轉(zhuǎn)速飛輪的編制。然而,其制造工藝相當復雜,制造成本占總成本的70%,其世界年生產(chǎn)量約為4萬噸,先比16億噸的世界鋼鐵產(chǎn)量,可知它的大規(guī)模使用的時代還比較久遠。
　　綜合

4、以上問題的敘述,本文主要從兩個方面展開研究,一是從材料上:通過使用高強度合金材料與新型非金屬作對比;二是通過復合使用永磁軸承和基于簡單PID控制的電磁軸承與高精度控制的電磁軸承作對比。通過對比,找到儲能密度較高的合金材料用來制造飛輪,比較理想控制的組合實現(xiàn)轉(zhuǎn)速為2萬轉(zhuǎn)左右飛輪轉(zhuǎn)子的磁懸浮控制,從而為民用飛輪電池的開發(fā)與應用提供一定的理論依據(jù)。
　　本論文基于三峽大學湯雙清教授的國家自然基金項目《飛輪電池新型磁懸浮支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)子自歸位