為改良能量存儲對飛輪的幾何設(shè)計進行有限元分析
Mehmet Ali Arslan
Department of Design and Manufacturing Engineering, Gebze Institute of Technology, P.K. 141, 41400 Gebze, Kocaeli, Turkey
Received 25 July 2006; accepted 12 January 2007
Available online 31 January 2007
Flywheel geometry design for improved energy storage using finite element analysis
概述
飛輪伺服作為動能儲存及回復(fù)裝置，以高轉(zhuǎn)速傳遞高輸出功率，作為一個新興的能源儲存技術(shù)，在現(xiàn)在不同的發(fā)展階段，尤其是在高科技領(lǐng)域里應(yīng)用，例如：宇宙飛船。今天，大部分的研究工作集中在改善飛輪的能量儲存的能力。以提高高功率的傳輸時代，比起用傳統(tǒng)的電池驅(qū)動更腀@志迷誦?。逢冎抵\硐種饕還榫逃諞韻氯鲆蛩兀翰牧锨慷?、钾摐u巫矗ê嶠孛媯┖突刈俁?。捂y實鬧柿恐苯泳齠ǘ艽笮?，蛹喗z梢隕鲇胱鈾俁勸踩楹希詈希┑姆陜鄭庀鈦芯恐患刑教鐘跋旆陜值募負渦巫矗康ノ恢柿康拇⒛芑蚪桓賭芰?，进一渤C魅繁饒堋�
據(jù)建議，一連串的有限元分析和優(yōu)化過程結(jié)果表明，巧妙的設(shè)計飛輪幾何形狀不僅對比能有一個顯著的影響，還因高轉(zhuǎn)速下的折算質(zhì)量減少而使在軸和軸承的運行負載也減小。本文專門研究了最常見的6個不同的幾何構(gòu)型（包括直/凹
或凸狀二維截面）和根據(jù)其能量存儲性能等級建議的程序。
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1. 緒論
關(guān)鍵技術(shù)項目的任務(wù)是最近集中在利用飛輪儲存能量比可充電化學(xué)電池更有效，同時也提供了一些控制優(yōu)勢。百年來，眾所周知，從本質(zhì)上來講，飛輪是將能量儲存在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的一個簡單的裝置 [ 1 ] 。這僅僅是因為高強度材料和磁性軸承的發(fā)展[ 2 ]，同時，這種技術(shù)也贏得了更多關(guān)注。勘探高強度材料，使設(shè)計者能夠達到更高運行速度，產(chǎn)生更多動能。用磁性軸承，在極端的溫度下，使達到更高運行速度變?yōu)榭赡?，能夠提供更清潔、更快速和更有效的軸承設(shè)備。最近設(shè)計的飛輪在性能和使用壽命上都大幅度增加 [ 3-5 ] ，此外，大型控制力矩和動量儲存能力的飛船，運載火箭，飛機電源系統(tǒng)及電源供應(yīng)器都使用了飛輪裝置[ 6-8 ] 。
飛輪系統(tǒng)主要由飛輪轉(zhuǎn)子，電動機/發(fā)電機，磁性軸承，機房和變電電子系統(tǒng)組成[ 9 ] 。在飛輪的發(fā)展過程中，目前的研究已側(cè)重于提高飛輪的表現(xiàn)，同時滿足安全方面的考慮，即材料、機房和軸承失效。能量儲存和失效的因素研究開始與動能計算相結(jié)合
動能儲存在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的關(guān)系有：
（1）
其中： 是飛輪的轉(zhuǎn)動慣量， 是飛輪的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)動慣量是由飛輪的質(zhì)量和