空中声悬浮炉装置

[align=center][font='times new roman'][size=24px]新型[/size][/font][font='times new roman'][size=24px]磁悬浮[/size][/font][font='times new roman'][size=24px]飞轮[/size][/font][font='times new roman'][size=24px]储能[/size][/font][font='times new roman'][size=24px]实验[/size][/font][font='times new roman'][size=24px]装置的设计及应用[/size][/font][/align][align=center][font='arial'][color=#666666] [/color][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]赵萌[/size][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]杜平[/size][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]张秀海[/size][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]林蔚然[/size][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]陈远洋[/size][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]杨忠昌[/size][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]周冰科[/size][/font][/align][align=center][font='times new roman'][size=12px]（[/size][/font][font='宋体'][size=12px]清华大学基础工业训练中心，北京 100084）[/size][/font][/align][align=center][/align][font='times new roman'][size=12px]摘[/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px]要：[/size][/font][font='宋体'][size=12px]飞轮储能装置是一种在电能和机械能之间进行能量转换的装置，它通过飞轮高速旋转的形式来储存能量。[/size][/font][font='宋体'][size=12px]普通机械轴承由于摩擦阻力，飞轮储存的能量有很大一部分耗散在此处。设计的新型磁悬浮轴承可以有效降低摩擦阻力，从而提高飞轮储能效率。[/size][/font][font='宋体'][size=12px]从飞轮系统的搭建及机械部分系统进行了完整的设计，并完成了样机产品的测试。此装置可以应用到机械类和电类专业本科生的工程实践教学中，以P[/size][/font][font='宋体'][size=12px]BL[/size][/font][font='宋体'][size=12px]项目驱动的教学方式，使学生深入理解产品设计原理、制造技术、装配调试方法等，从而有效培养[/size][/font][font='宋体'][size=12px]学生[/size][/font][font='宋体'][size=12px]的[/size][/font][font='宋体'][size=12px]工程能力、创新能力、实践能力和团队协作能力。[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]关键词：[/size][/font][font='宋体'][size=12px]飞轮储能；[/size][/font][font='宋体'][size=12px]磁悬浮[/size][/font][font='宋体'][size=12px]轴承[/size][/font][font='宋体'][size=12px]；[/size][/font][font='宋体'][size=12px]工程实践；[/size][/font][font='宋体'][size=12px]项目驱动[/size][/font][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px]中图分类号[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]：（[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]T[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]H12 [/size][/font][font='times new roman'][size=12px]G[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]642[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]）[/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px]文献标识码：[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]A[/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px]文章编号[/size][/font][size=12px]：1672-4801[/size][size=12px]([/size][font='宋体'][size=12px]××××[/size][/font][size=12px])[/size][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]××[/size][/font][size=12px]－[/size][font='宋体'][size=12px]××[/size][/font][size=12px]－[/size][font='宋体'][size=12px]××[/size][/font][align=center][font='times new roman'][size=24px]Design and Application of a Novel Magnetically Suspended Flywheel Experimental Device For Energy Storage [/size][/font][/align][align=center][font='times new roman'][size=16px]Zhao Meng, Du Ping, Zhang Xiuhai, [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]Lin Weiran,[/size][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]Chen Yuanyang, Yang Zhongchang,[/size][/font][font='times new roman'][size=16px] [/size][/font][font='times new roman'][size=16px]Zhou Bingke[/size][/font][/align][align=center][font='times new roman'][size=12px]([/size][/font][font='times new roman'][size=12px]Fundamental Industry Training Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China[/size][/font][font='times new roman'][size=12px])[/size][/font][/align][font='times new roman'][size=12px]Abstract:[/size][/font][font='times new roman'][size=12px][color=#000000] [/color][/size][/font][font='times new roman'][size=12px]Flywheel energy storage device is a device that converts energy between electrical energy and mechanical energy. It stores energy in the form of high-speed flywheel rotation. Due to the friction resistance of ordinary mechanical bearings, a large part of the energy stored in the flywheel is dissipated. This article introduced a novel magnetic suspending bearing, which could effectively reduce the friction resistance and improve the flywheel energy storage efficiency. The flywheel system and mechanical system are designed completely, and the prototype product is tested. This device can be applied to the engineering practice teaching of mechanical and electrical undergraduates. With the PBL project driven teaching method, students can deeply understand the product design principle, manufacturing technology, assembly and debugging methods, so as to effectively cultivate students' engineering ability, innovation ability, practical ability and team cooperation ability.[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]Key words:[/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px]flywheel energy storage Magnetic bearing Engineering practice Project driven[/size][/font][font='等线'][size=13px]0 [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]引言[/size][/font][font='宋体']飞轮储能技术是一种机械储能方式[/font][font='宋体']，[/font][font='宋体']它以动能的形式存储能量，经过功率变换器，完成机械能[/font][font='宋体']-[/font][font='宋体']电能相互转换[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]1[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。[/font][font='宋体']飞轮储能具有安全可靠性高、功率密度高、充放电响应速度快、使用寿命长、环境适应性强、建设周期短、运行维护简单、全生命周期绿色无污染等优点，因此非常适合作为脉冲功率电源的能量存储介质[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]2[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。[/font][font='宋体']目前[/font][font='宋体']飞轮储能技术在许多领域都已经有广泛的应用，特别是在美国、日本、德国等发达国家，储能技术已经发展得比较[/font][font='宋体']成熟[/font][font='宋体']，[/font][font='宋体']主要应用于[/font][font='宋体']UPS不[/font][font='宋体']间断电源，微电网调频，削峰填谷，制动动能回收，电磁弹射等多个领域[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]3-6[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。[/font][font='宋体']飞轮在运行过程中的最大转速不仅受自身材料限制，另外配套的支撑轴承系统的选取也会一定程度的影响运行效率。轴承系统是飞轮装置的支撑系统，在飞轮旋转过程中产生的摩擦损耗大小与轴承系统关系紧密。目前轴承可分为机械轴承和磁悬浮轴承两大类，随着超导体和永磁材料的发展，后者又可进一步分为永磁轴承、超导体磁轴承和电磁轴承等[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]7[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]-[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]10[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。其中机械轴承是传统的轴承类别，其结构紧凑成本低廉，但摩擦力大，运行损耗多，适用于充电放电时间短的飞轮储能系统；磁悬浮轴承则是利用磁力实现无接触的承载飞轮，其物理摩擦损耗非常低，运行稳定性也有保障，缺点是系统复杂、成本较高。鉴于两种轴承各有其优缺点，现实中往往采用混合组合的方式使用，以达到优势互补的效果。[/font][font='宋体']飞轮储能系统由多个零部件组成，对关键零部件（如飞轮、主轴、轴承）的加工和装配有较高要求，同时需要相应的控制电路实现充放电功能，是机械和电子学科紧密结合的典型产品。本文设计了一套飞轮储能实验装置，应用于电机专业本科生的《金工实习》课程。通过PBL项目驱动的教学方式，有机整合传统金工实习中的焊接、铸造、车工、钳工、[/font][font='宋体']、检测、智能制造、[/font][font='宋体']数控加工等工种，完成整个飞轮储能系统的设计、加工制造和组装调试。此模式可有效调动学生的学习兴趣和主观能动性，帮助学生建立产品全生命周期的概念，[/font][font='宋体']提高[/font][font='宋体']学生的工程能力、创新能力、实践能力和团队协作能力[/font][font='宋体']，为未来的战略性新兴产业和经济培养综合素质优秀的人才[/font][font='宋体']。[/font][font='等线'][size=13px]1 [/size][/font][font='等线'][size=13px] 技术方案及设计[/size][/font][font='宋体']飞轮储能技术主要是借助电能驱动带动装置飞轮旋转，实现电能到动能的转化，所生成的动能将被存储在装置加速质量块中，需要发电时，飞轮将借助自身动能为发电机提供能源，继而实现动能到电能的转化[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][1[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]1[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。[/font][font='times new roman']1.1[/font][font='黑体'] 机械结构设计[/font][font='宋体']飞轮[/font][font='宋体']储能[/font][font='宋体']装置[/font][font='宋体']总体结构[/font][font='宋体']如图[/font][font='times new roman']1[/font][font='宋体']所示，主要[/font][font='宋体']由[/font][font='宋体']四部分[/font][font='宋体']组成，飞轮模块、飞轮支撑模块、控制模块以及发电模块，总体尺寸[/font][font='times new roman']4[/font][font='times new roman']00[/font][font='times new roman']×[/font][font='times new roman']530[/font][font='times new roman']×[/font][font='times new roman']310[/font][font='times new roman']（[/font][font='times new roman']mm[/font][font='times new roman']）[/font][font='宋体']。[/font][font='宋体']各个模块主要功能如下：[/font][font='等线'][size=13px]1 [/size][/font][font='等线'][size=13px]飞轮模块：包括飞轮、主轴以及电机。[/size][/font][font='等线'][size=13px]2 [/size][/font][font='等线'][size=13px]飞轮支撑模块：使用两个轴承座进行支撑。[/size][/font][font='等线'][size=13px]3 [/size][/font][font='等线'][size=13px]控制模块：电机控制。[/size][/font][font='等线'][size=13px]4 [/size][/font][font='等线'][size=13px]发电模块：定子使用[/size][/font][font='等线'][size=13px]12[/size][/font][font='等线'][size=13px]对正反安装的磁铁，转子使用[/size][/font][font='等线'][size=13px]9[/size][/font][font='等线'][size=13px]匝[/size][/font][font='等线'][size=13px]S[/size][/font][font='等线'][size=13px]线圈进行发电，发出的电经过整流模块与稳压模块最终输出给用电器。[/size][/font][align=center][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310291517298523_3571_6223375_3.png[/img][/align][align=center][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]1[/size][/font][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=12px]飞轮储能装置总体图[/size][/font][/align][font='times new roman']1.2[/font][font='黑体'] [/font][font='黑体']主要设计参数[/font][font='宋体']飞轮储能装置设计容量[/font][font='times new roman']0.01Wh[/font][font='宋体']，重量[/font][font='times new roman']2.39kg[/font][font='宋体']，飞轮材料选择[/font][font='times new roman']为铝[/font][font='宋体']，选用电机功率为[/font][font='times new roman']100W[/font][font='宋体']。飞轮储能装置需要在电机停止供电之后，通过飞轮实现电流电压的显示以及[/font][font='times new roman']5w[/font][font='宋体']节能灯的供电，持续时间不少于[/font][font='times new roman']4[/font][font='times new roman']0[/font][font='times new roman']s[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。[/font][font='times new roman']1.[/font][font='times new roman']3[/font][font='黑体'] [/font][font='黑体']飞轮模块设计[/font][font='宋体']飞轮通过两个[/font][font='times new roman']z[/font][font='times new roman']21[/font][font='宋体']胀套与主轴相连[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']，主轴两端通过[/font][font='times new roman']6[/font][font='times new roman']200[/font][font='宋体']轴承与飞轮支撑连接。[/font][font='宋体']连轴器与电机主轴相连接。[/font][font='宋体']其设计尺寸如图[/font][font='times new roman']2[/font][font='宋体']所示，参数设计如下表[/font][font='times new roman']1[/font][font='宋体']所示，储能装置整体剖面如图[/font][font='times new roman']3[/font][font='宋体']所示：[/font][align=center][font='黑体'][size=12px]表[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]1[/size][/font][font='times new roman'] [/font][font='times new roman'][size=12px]飞轮主要参数[/size][/font][/align][table][tr][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]D/[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]mm[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]A[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]/mm[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]B[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]/mm[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]L[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]/mm[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]n[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]/rpm[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='times new roman'][size=9px] 28[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]1[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]50[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]50[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]166[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]1000[/size][/font][/align][/td][/tr][/table][align=center][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310291517306655_4666_6223375_3.png[/img][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]2[/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]飞轮尺寸[/size][/font][/align][font='等线'][size=13px]1 [/size][/font][font='等线'][size=13px]动能计算[/size][/font][font='等线'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式 [/size][/font][font='等线'][size=13px]1[/size][/font][font='宋体']代入数值后得[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font]，[font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]Wh[/size][/font][font='等线'][size=13px]2 [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]最高线速度[/size][/font][font='等线'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式 [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]2[/size][/font][font='等线'][size=13px]代入数值后得[/size][/font][font='等线'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='等线'][size=13px]，[/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]m/s[/size][/font][font='等线'][size=13px]3 [/size][/font][font='等线'][size=13px]飞轮总质量[/size][/font][font='等线'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式[/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]3[/size][/font][font='等线'][size=13px]kg[/size][/font][font='等线'][size=13px]4 [/size][/font][font='等线'][size=13px] 充能速度[/size][/font][font='等线'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]s [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式 [/size][/font][font='等线'][size=13px]4[/size][/font][font='宋体']当电机满功率运行时，整个飞轮达到预定储能需要[/font][font='times new roman']1 [/font][font='times new roman']s[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。[/font][font='等线'][size=13px]5 [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]强度校核[/size][/font][font='等线'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='等线'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']假设转动过程，偏离轴心1mm如下：[/font][font='times new roman']a. [/font][font='宋体']转动离心力[/font][font='宋体']飞轮在转动离心[/font][font='宋体']力[/font][font='宋体']计算公式，[/font] [font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]N[/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式 [/size][/font][font='等线'][size=13px]5[/size][/font][font='times new roman']b.[/font][font='宋体'] [/font][font='宋体']轴的最大正应力[/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式 [/size][/font][font='等线'][size=13px]6[/size][/font][align=center][font='times new roman'][size=14px]MPa[/size][/font][/align][font='times new roman']c.[/font] 轴的最大剪应力[font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式 [/size][/font][font='等线'][size=13px]7[/size][/font][font='等线'][size=13px]MPa[/size][/font][font='times new roman']d.[/font][font='宋体'] [/font][font='宋体']轴的最大挠度[/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式 [/size][/font][font='等线'][size=13px]8[/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]式 [/size][/font][font='等线'][size=13px]9[/size][/font][font='times new roman']mm[/font][font='宋体']最后可得[/font][font='宋体']表2所示[/font][font='宋体']：[/font][align=center][font='黑体'][size=12px]表2[/size][/font][font='黑体'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]飞轮强度校核[/size][/font][/align][table][tr][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]离心力[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]/[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]N[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]最大正应力[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]/[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]MPa[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]最大切应力[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]/[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]MPa[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]最大挠度[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]/[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]mm[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]26.17[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]3.36[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]0.099[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]5.2[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]e-[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]8[/size][/font][/align][/td][/tr][/table][align=center][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310291517305388_5537_6223375_3.png[/img][/align][align=center][font='宋体'][size=12px]图 [/size][/font][font='times new roman'][size=12px]3[/size][/font][font='宋体'][size=12px] 整体剖面图[/size][/font][/align][align=center][/align][font='times new roman']1.4 [/font][font='黑体']飞轮支撑装置设计[/font][font='宋体']飞轮重量较大，转速较高，要求其转动时同心度主轴轴心跳动少于[/font][font='times new roman']0[/font][font='times new roman'].1[/font][font='times new roman']mm[/font][font='宋体']，飞轮外径跳动少于[/font][font='times new roman']0.2mm[/font][font='宋体']。[/font][font='宋体']同时[/font][font='宋体']要求[/font][font='宋体']其转动[/font][font='宋体']时[/font][font='宋体']摩擦[/font][font='宋体']阻力尽可能小以降低能量损耗[/font][font='宋体']。所以考虑使用电磁轴承进行支撑，但电磁轴承重量大，控制复杂。选择被动式磁力支撑与深沟球轴承相互结合的方式进行支撑。被动式磁力支撑提供一部分支撑力，减小对轴承的压力从而减小轴承的摩擦，降低转动时的阻力。轴承支撑如图[/font][font='times new roman']4[/font][font='宋体']所示,红圈标出的为主轴，主轴下的四个支撑为轴向磁铁。[/font][align=center][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]4[/size][/font][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]飞轮转动支撑装置结构[/size][/font][/align][font='times new roman']1.[/font][font='times new roman']5[/font][font='黑体'] 飞轮控制模块[/font][font='等线'][size=13px]（[/size][/font][font='等线'][size=13px]1[/size][/font][font='等线'][size=13px]）[/size][/font][font='等线'][size=13px]电机控制模块[/size][/font][font='宋体']电机选择无刷永磁电机，电压[/font][font='times new roman']24 V[/font][font='宋体']，速度可调，最高转速[/font][font='times new roman']8000 rpm[/font][font='宋体']。如图[/font][font='times new roman']5[/font][font='宋体']所示。电机控制板选择配套的可调速电机控制板。[/font][align=center][font='times new roman'][size=9px]（[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]a[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]）[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]4[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]260[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]电机[/size][/font][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='times new roman'][size=9px]（[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]b[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]）[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]电机控制板[/size][/font][/align][align=center][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]5[/size][/font][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]4260[/size][/font][font='宋体'][size=12px]电机[/size][/font][font='宋体'][size=12px]（a）[/size][/font][font='宋体'][size=12px]和电机控制板[/size][/font][font='宋体'][size=12px]（b）[/size][/font][/align][font='等线'][size=13px]（[/size][/font][font='等线'][size=13px]2[/size][/font][font='等线'][size=13px]）[/size][/font][font='等线'][size=13px]稳压整流模块[/size][/font][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310291517309655_7425_6223375_3.png[/img][font='宋体']发电机产生的为交流电，[/font][font='宋体']所以[/font][font='宋体']需要通过全桥整流将其变为直流电。全桥整流如图[/font][font='times new roman']6[/font][font='宋体']所示[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。[/font][align=center][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]6[/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]整流模块电路[/size][/font][/align][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310291517311913_1258_6223375_3.png[/img][font='宋体']全桥整流模块输出半正弦波，需要通过稳压模块将其电压稳定至[/font][font='times new roman']5 V[/font][font='宋体']。此处购买成熟产品[/font][font='times new roman']LM2596SDC-DC[/font][font='宋体']可调降压模块如图[/font][font='times new roman']7[/font][font='宋体']所示，输出稳定的[/font][font='times new roman']5 V[/font][font='宋体']电压[/font][font='times new roman'][sup][size=13px][[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]12[/size][/sup][/font][font='times new roman'][sup][size=13px]][/size][/sup][/font][font='宋体']。[/font][align=center][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]7[/size][/font][font='times new roman'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]DC-DC[/size][/font][font='宋体'][size=12px]降压显示模块[/size][/font][/align][font='times new roman']1.[/font][font='times new roman']6[/font][font='times new roman'] [/font][font='黑体']发电模块设计[/font][font='宋体']首先需要保证在飞轮转速在[/font][font='times new roman']1000rpm[/font][font='宋体']时，产生的电压不少于[/font][font='times new roman']5.0V[/font][font='宋体']。主体结构分为两个转子以及一个定子。发电机结构如图[/font][font='times new roman']8[/font][font='宋体']所示，其中转子为永磁体，定子为线圈。转子由[/font][font='times new roman']12[/font][font='宋体']对永磁体构成，[/font][font='times new roman']1[/font][font='times new roman']2[/font][font='宋体']对永磁体组成[/font][font='times new roman']4[/font][font='宋体']对极，正反交替安装。定子线圈为[/font][font='times new roman']9[/font][font='宋体']匝线，共[/font][font='times new roman']3[/font][font='宋体']相，每相[/font][font='times new roman']3[/font][font='宋体']匝线。转子转动时会产生三组相差[/font][font='times new roman']1[/font][font='times new roman']20[/font][font='times new roman']°[/font][font='宋体']的正弦波交流电。当转速达到[/font][font='times new roman']1[/font][font='times new roman']000 [/font][font='times new roman']rpm[/font][font='宋体']且正确安装时，发出的平均电压[/font][font='times new roman']＞[/font][font='times new roman']5[/font][font='times new roman'] V[/font][font='宋体']。转子通过[/font][font='times new roman']z[/font][font='times new roman']21[/font][font='宋体']型胀套与轴相连，发电机转子中安装有[/font][font='times new roman']10[/font][font='times new roman']×[/font][font='times new roman']10[/font][font='times new roman']×[/font][font='times new roman']20[/font][font='times new roman']（[/font][font='times new roman']mm[/font][font='times new roman']）[/font][font='宋体']的铷磁铁，相邻的铷磁铁磁感方向相反。[/font][align=right][/align][align=center][font='times new roman'][size=12px]（[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]a[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]）[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]发电机转子[/size][/font][font='宋体'] [/font][font='宋体'] [/font][font='times new roman'][size=12px]（[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]b[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]）[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]发电机剖面图[/size][/font][/align][align=center][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]8[/size][/font][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]发电机结构图[/size][/font][/align][font='等线'][size=13px]2[/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]储能装置结果验证[/size][/font][font='宋体'][color=#000000]将飞轮通过两个磁悬浮止推轴承固定，电机通过联轴器与飞轮相连，发电装置通过联轴器与飞轮相连，飞轮装置控制板置于装置上方，整个固定装置最终固定于[/color][/font][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310291517296163_4334_3957149_3.png[/img][font='宋体'][color=#000000]的平板上（如图[/color][/font][font='times new roman'][color=#000000]9[/color][/font][font='宋体'][color=#000000]），平板通过地钉固定于底面，飞轮储能测试结果如下：[/color][/font][font='times new roman'][color=#000000]a[/color][/font][font='宋体'][color=#000000]. 启动阶段：接通电源后飞轮转动给飞轮充电。飞轮转速从0-1000转，满功率运行充电需要0.4s；[/color][/font][font='times new roman'][color=#000000]b[/color][/font][font='宋体'][color=#000000]．储能阶段：飞轮达到恒定转数并保持转数保持不变，其储存能量值不变；[/color][/font][font='宋体'][color=#000000] [/color][/font][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310291517314983_9714_6223375_3.png[/img][font='times new roman'][color=#000000]c[/color][/font][font='宋体'][color=#000000]. 放电过程：飞轮储能额定值不变，[/color][/font][font='宋体']电机停转，离合器使电机与飞轮脱离，此时，发电装置继续发电，[/font][font='times new roman']LED[/font][font='宋体']灯继续发亮持续[/font][font='times new roman']200s[/font][font='宋体']。[/font][align=center][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='宋体'][size=12px]9[/size][/font][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]磁悬浮储能装置[/size][/font][/align][font='等线'][size=13px]3[/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]工程实践课程实施[/size][/font][font='等线'][size=13px]方案[/size][/font][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310291517316772_5904_6223375_3.png[/img][font='宋体']项目式教学方式可以拓展教学内容深度和广度，优化课程体系。以实际产品为项目驱动，每一个产品都是一个独立的个体，包含基础工程训练中的若干环节，实践课程主要由焊接、铸造、车工、铣工、检测、钳工等工种组成，每个工种的教学内容和制作的产品，都有关联不可分开的实践环节如图[/font][font='times new roman']10[/font][font='宋体']所示。通过飞轮储能装置的设计，以团队的方式完成零件的加工，[/font][font='宋体']加工好的[/font][font='宋体']零件[/font][font='宋体']通过[/font][font='宋体']检测得到最终零件，并且完成产品的装配调试验证验证等工作。[/font][font='宋体']满足工程实践教学融合的人才培养需求。[/font][align=center][font='宋体'][size=12px]图[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]10[/size][/font][font='宋体'][size=12px] [/size][/font][font='宋体'][size=12px]飞轮项目式实践教学加工过程[/size][/font][/align][font='宋体']飞轮储能装置技术方案与设计过程，合理安排项目实施过程是保证综合性项目式教学的前提，综合基础加工方法是工程训练的关键。本次项目主要选择车削、铣削、铸造、焊接、智能制造、钳工装配等工种。结合各个工种特点，项目具体安排如表[/font][font='times new roman']3[/font][font='宋体']所示。[/font][align=center][font='times new roman'][size=12px]表[/size][/font][font='times new roman'][size=12px]3[/size][/font][font='宋体'] [/font][font='times new roman'][size=12px]实践教学安排[/size][/font][/align][table][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]工种[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]内容[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]时长[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]概论[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]储能装置的分类及设计[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]8[/size][/font][font='宋体'][size=9px]学时[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]铸造[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]学习砂型铸造，进行装置中各个零件的毛坯制作[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]8[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]学时[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]车削[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]根据铸造毛坯料，车削轴类零件，并控制尺寸精度在公差范围之类[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]16[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]学时[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]检测[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]检测、三坐标、动平衡[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]8[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]学时[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]焊接[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]飞轮储能装置支架的焊接及各种焊接方法练习[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]8[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]学生[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]智能制造[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]了解3[/size][/font][font='宋体'][size=9px]D[/size][/font][font='宋体'][size=9px]打印+智能制造，自制电机，[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]arduino[/size][/font][font='宋体'][size=9px]调速[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]16[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]学生[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]钳工装配[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]根据加工和标准件进行装配、调试，最终达到设计要求[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]12[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]学时[/size][/font][/align][/td][/tr][tr][td][align=center][font='宋体'][size=9px]汇报[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='宋体'][size=9px]样机运行，项目汇报[/size][/font][/align][/td][td][align=center][font='times new roman'][size=9px]4[/size][/font][font='times new roman'][size=9px]学时[/size][/font][/align][/td][/tr][/table][font='等线'][size=13px]4[/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]总结[/size][/font][font='宋体']磁悬浮飞轮储能装置[/font][font='宋体']，将在[/font][font='宋体']在[/font][font='宋体']本科工程实践教育中[/font][font='宋体']开展[/font][font='宋体']，培养大学生工程能力、创新能力、实践能力和团队协作能力的重要途径。目前已有的飞轮储技术，从飞轮的储能原理、系统的搭建及机械部分系统的进行完整的设计，并完成样机产品的测试。[/font][font='宋体']从多个方面调动学生的学习兴趣和主观能动性，通过专业相关的教学载体，帮助学生建立产品全生命周期的概念，提高学生的综合素质。[/font][font='宋体']飞轮储能技术是目前最有发展前途的储能技术之一[/font][font='宋体']，是能源领域低碳环保的[/font][font='宋体']发展[/font][font='宋体']方向。磁悬浮飞轮储能装置教学项目实践，[/font][font='宋体']为[/font][font='宋体']相[/font][font='宋体']关专业方向培养[/font][font='宋体']了[/font][font='宋体']具有扎实数理基础及实践能力的拔尖创新人才[/font][font='宋体']。[/font][font='等线'][size=13px]参考文献：[/size][/font][font='等线'][size=13px][[/size][/font][font='等线'][size=13px]1[/size][/font][font='等线'][size=13px]][/size][/font][font='等线'][size=13px]廖曙生[/size][/font][font='等线'][size=13px]. [/size][/font][font='等线'][size=13px]综述各类储能装置的储能技术[/size][/font][font='等线'][size=13px][J]. [/size][/font][font='等线'][size=13px]广东科技[/size][/font][font='等线'][size=13px],2012,21(19):109-110. [/size][/font][font='等线'][size=13px][[/size][/font][font='等线'][size=13px]2[/size][/font][font='等线'][size=13px]][/size][/font][font='等线'][size=13px]江卫良[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]陈烨[/size][/font][font='等线'][size=13px]. [/size][/font][font='等线'][size=13px]基于磁悬浮飞轮储能的脉冲功率电源系统设计[/size][/font][font='等线'][size=13px][J]. [/size][/font][font='等线'][size=13px]浙江电[/size][/font][font='等线'][size=13px]力[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]2020[/size][/font][font='等线'][size=13px],39(5):50-54. [/size][/font][font='等线'][size=13px][[/size][/font][font='等线'][size=13px]3[/size][/font][font='等线'][size=13px]][/size][/font][font='等线'][size=13px]唐长亮[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]张小虎[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]孟祥梁[/size][/font][font='等线'][size=13px].[/size][/font][font='等线'][size=13px]国外飞轮储能技术[/size][/font][font='等线'][size=13px]状况研究[/size][/font][font='等线'][size=13px][J].[/size][/font][font='等线'][size=13px]中外[/size][/font][font='等线'][size=13px]能[/size][/font][font='等线'][size=13px]源[/size][/font][font='等线'][size=13px],2018,23(06):82-86.[/size][/font][font='等线'][size=13px][[/size][/font][font='等线'][size=13px]4[/size][/font][font='等线'][size=13px]][/size][/font][font='等线'][size=13px]齐洪峰[/size][/font][font='等线'][size=13px].[/size][/font][font='等线'][size=13px]飞轮储能与轨道交通系统技术融合[/size][/font][font='等线'][size=13px]发展现状[/size][/font][font='等线'][size=13px][J].[/size][/font][font='等线'][size=13px]电源技术[/size][/font][font='等线'][size=13px],2022,46(02):137-140.[/size][/font][font='等线'][size=13px][[/size][/font][font='等线'][size=13px]5[/size][/font][font='等线'][size=13px]][/size][/font][font='等线'][size=13px]雷卫清[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]陈凤[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]王丽[/size][/font][font='等线'][size=13px].[/size][/font][font='等线'][size=13px]磁悬浮飞轮储能技术结合[/size][/font][font='等线'][size=13px]DPS[/size][/font][font='等线'][size=13px]的应用研究[/size][/font][font='等线'][size=13px][J]. [/size][/font][font='等线'][size=13px]电信快报[/size][/font][font='等线'][size=13px],2013(5):20-23.[/size][/font][font='等线'][size=13px][[/size][/font][font='等线'][size=13px]6[/size][/font][font='等线'][size=13px]][/size][/font][font='等线'][size=13px]王巍[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]高原[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]姜晓弋[/size][/font][font='等线'][size=13px].[/size][/font][font='等线'][size=13px]飞轮储能技术发展与应[/size][/font][font='等线'][size=13px]用[/size][/font][font='等线'][size=13px][J].[/size][/font][font='等线'][size=13px]船电技术[/size][/font][font='等线'][size=13px],2013,33(01):31-34.[/size][/font][font='等线'][size=13px][[/size][/font][font='等线'][size=13px]7[/size][/font][font='等线'][size=13px]][/size][/font][font='等线'][size=13px]戴兴建[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]邓占峰[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]刘刚[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]等[/size][/font][font='等线'][size=13px].[/size][/font][font='等线'][size=13px]大容量先进飞轮储能电源技术发展状况[/size][/font][font='等线'][size=13px][J].[/size][/font][font='等线'][size=13px]电工技术学报[/size][/font][font='等线'][size=13px],2011,26[/size][/font][font='等线'][size=13px]([/size][/font][font='等线'][size=13px]7[/size][/font][font='等线'][size=13px]):[/size][/font][font='等线'][size=13px]133[/size][/font][font='等线'][size=13px]-[/size][/font][font='等线'][size=13px]140[/size][/font][font='等线'][size=13px].[/size][/font][font='等线'][size=13px][[/size][/font][font='等线'][size=13px]8[/size][/font][font='等线'][size=13px]][/size][/font][font='等线'][size=13px] [/size][/font][font='等线'][size=13px]李树胜[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]付永领[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]刘平[/size][/font][font='等线'][size=13px],[/size][/font][font='等线'][size=13px]等[/size][/font][font='等线'][size=13px]. [/size][/font][font='等线'][size=13px]磁悬浮飞轮储能[/size][/font][font='等线'][size=13px]UPS[/size][/font][font='等线'][size=13px]系统集成应用及充放电控制方法研究[/size][/font][font='等线'][size=13px][J]. [/size][/font][font='等线'][size=13px]中国电机工程学报[/size][/font][font='等线'][size=13px],2017,37(z1):170-176. 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