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飞轮储能系统概述1飞轮储能产品结构及工作原理飞轮储能技术是利用互逆式双向电机（电动/发电机）实现电能与高速旋转飞轮的机械能之间相互转换的一种储能技术。
飞轮储能系统除了飞轮转子以外，还必须拥有电磁悬浮轴承、高速永磁同步电动/发电机、电力电子整流逆变控制装置、真空室及真空维持系统等五大部分组成，用以保证储能飞轮转子系统在无摩擦、无磨损的环境中高效运转。
图1 飞轮储能装置结构示意图飞轮转子是飞轮储能系统的关键核心部件。
目前市场上较为常见的是钢制飞轮，采用碳纤维材料制造的飞轮转子比较少，主要原因是碳纤维飞轮设计存在比较大的技术难度，再加上国内目前技术开发能力主要是模仿、引进、消化国外技术，真正能做到自主研发的企业不多。
常见飞轮外形分为轮式、盘式或柱式等。
电磁悬浮轴承是飞轮转子系统的支承部件，这种支承方式的主要特点是无摩擦、无损耗、高效率。
可以显著降低飞轮储能过程中的自耗电能量损失。
电动/发电机是一种可逆高速永磁同步电机，即具有电动机和发电机双重功能。
当由外部电力接入时，电机可以拖动飞轮升速达到最大储能转速，到达这个转速即表示飞轮储能充电完成（充满了电）。
此时切断外部电源，电能已经转化成了机械能保持惯性高速旋转。
当外部有负载接入时，高速永磁同步电机在飞轮机械转矩的作用下对外发电。
电机的电动/发电状态是通过电力电子整流逆变控制装置来实现的。
真空室及真空维持系统主要作用是为飞轮提供真空环境以降低风阻损耗。
飞轮储能系统是将能量以高速旋转飞轮的转动动能的形式来存储起来的装置。
它有三种模式：充电模式、放电模式、保持模式。
充电模式即飞轮转子从外界吸收能量,使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来，充电过程飞轮做加速运动，直到达到设定的转速；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能,再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现机械能到电能的转化，此时飞轮将做减速运动，飞轮转速将不断降低，直到达到设定的转速；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。
技术与实践154 / INDUSTRIAL DESIGN 工业设计有限元分析技术在汽车轮毂设计中的应用研究APPLICA TION RESEARCH OF FINITE ELEMENT ANAL YSIS TECHNOLOGY IN AUTOMOBILE WHEEL HUB DESIGN长春工业大学 李明 朱宝对需要仿真分析的几何结构数据进行几何清理，将几何特征进行适当的简化并划分成合适的网格，根据不同的几何结构可以选择不同的单元类型进行仿真，单元类型可以分为壳单元（Shells ）、实体单元（Solids ）、梁单元（Beams ）。
给处理好的网格定义材料属性，并根据真实的试验情况施加约束、载荷和工况（尽可能的接近实际试验状态）；(2)数据分析。
选用合适的数值求解器（不同的求解器对网格划分的要求不同）对处理好的网格数据进行求解计算；(3)计算结果后处理。
根据处理后的数据几何结构的可靠性进行评估，并对风险项进行优化设计；(4)再次验证。
对优化后的FEA 模型再次数据分析，验证优化后的设计方案是否规避了风险并且合理可靠。
有限元技术可以应用在工业生产过程中，比如工业产品零部件的强度分析，分析各部件在使用工况下是否满足材料的强度极限，提前发现风险点并进行优化改良，使得产品更加安全可靠。
现在，各大汽车制造企业都成立了自己的CAE 分析部门。
有限元分析技术已经成为汽车研发制造过程中不可或缺的一部分。
有限元技术可以在乘用车研发过程中主要有以下几个方向的应用：(1)结构分析，如白车身弯曲刚度分析、扭转刚度分析、安装点强度分析；(2) CFD 分析，如整车流场分析，发动机舱热流场分析；(3) NVH 分析，如动刚度分析、震动噪声分析等；(4)碰撞安全分析，如乘用车碰撞模拟实验、约束系统匹配分析、行人保护分析。
其中，轮毂作为汽车的重要承载部部件，其结构的可靠性极其重要。
2传统设计方法与有限元分析设计方法的对比分析2.1传统轮毂设计方法流程及其存在的问题在传统汽车轮毂设计过程中造型设计和结构设计是分开进行的。
第二章理论基础与模型建立2.1 有限元技术及UG软件2.1.1 有限元法基本原理计算机辅助工程CAE(Computer Aid2ed Engineering) 指工程设计中的分析计算与分析仿真, 而有限元法FEM( FiniteElement Method) 是计算机辅助工程CAE中的一种, 另外CAE还包含了边界元法BEM(Boundary Element Method) 和有限差分法FDM( Finite Difference Method) 等。
这几种方法各有其优缺点, 各有其应用领域,但有限元法的应用最广。
有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。
有限元是一种离散化的数值方法。
离散后的单元与单元间只通过节点相联系, 所有力和位移都通过节点进行计算。
对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在子域内部、子域分界面上(内部边界) 以及子域与外界分界面(外部边界) 上都满足一定的条件。
然后把所有单元的方程组合起来, 就得到了整个结构的方程。
求解该方程,就可以得到结构的近似解。
离散化是有限元方法的基础。
必须依据结构的实际情况,决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式。
这样做的目的是将结构分割成足够小的单元,使得简单位移模型能足够近似地表示精确解【13】。
因次它可以对各种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新, 故已广泛应用于各种力学、电学、磁学及很多结合学科领域; 同时, 由于它能够处理耦合问题, 使得其有更大的应用前景。
你可以从专业的角度理解有限元:包括变分原理、等效积分和加权余量法等, 也可以从直观的意义上理解有限元: 把连续体划分为足够小的单元, 这些单元通过节点和边连接起来,通过选择简单函数(比如线形函数) 来近似表达位移或应力的分布或变化, 从而得到整个连续体物理量的分布和变化【14】。
目前，已经有很多风力发电机组相继投入使用，但是由于风力发电机桩基容量日益增大，这在一定程度上导致机组所能够承受负荷情况越来越复杂。
由于轮毂作为风力发电机的一个重要组成部分，在发电机中起到至关重要的作用，轮毂的质量好坏将在一定程度上直接影响机组使用寿命。
因此，开展对于轮毂的静态分析和疲劳计算是十分有必要的。
本文将使用有限元建模理论，对风力发电机相关内容进行分析。
1 风力发电机轮毂的载荷情况计算对于风力发电机中的轮毂进行载荷数据计算，一般采用的是叶素动量法。
叶素动量法能够将动量理论和叶素理论两者进行融合，同时将有关叶尖损失、叶栅效应以及间隙修正等相关的影响因素考虑在内，这种方式能够较为精准地计算出风轮转子的相关性能。
另外，这种方式还能够将风剪、偏航以及风轮结构参数等相关因素考虑在内。
在具体计算过程中，我们通过使用上文提到的叶素动量理论，在计算过程中考虑到相关叶尖和轮毂的损失F ；结合风力机实际的工作结构参数，将B 作为桨叶数量；c 作为截面的弦长，由此可以得出速度诱导因子求解的公式，如式（1）所示。
c z z B C Hαφ=+（1）由此可以计算出在某种运动状况写叶轮等效到轮毂的具体极限载荷数据情况，如表1所示。
表1 轮毂极限等效载荷数据FX/NFY/N FZ/N MY/N·M MZ/N·M -610025300-220009800046600002 风力发电机轮毂的有限强度分析通过使用专业CAD 软件Proe 能够辅助建立轮毂的3D 模型，再通过使用有限元软件能够对轮毂进行网格划分，帮助建立分析模型；最后通过MSC.nastran 计算轮毂静强度结果。
通过相关计算分析，得到做大应力达到69.3MPa ，这就表明轮毂已经具有足够强度，滚局相关应力云图中能够发现轮毂受力一般小于铸铁QT400的许用应力181.8MPa ；秉着这一强度，呈现出的储备也相对较大。
因此，这一种还具备一定优化潜力，能够进一步优化升级。
电机与电器专题课报告——飞轮储能系统研究哈尔滨工业大学2014年6月飞轮储能系统研究摘要：飞轮储能系统(FESS)又称飞轮电池或机电电池，由于它与化学电池相比所具有的巨大优势和未来市场的巨大潜力，引起了人们的密切关注。
它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术，使得飞轮储存的能量有了质的飞跃，再加上真空技术的应用，使得各种损耗也非常小。
本文针对该领域近年来的研究成果，对飞轮储能系统的几大关键部件全面的论述。
引言：飞轮电池是一种高科技机电一体化产品，它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。
作为电池家族的成员，这种新型的电池与化学电池相比具有以下几方面突出的优点。
(1)储能密度高。
转子转速大于60000r/min的飞轮电池，在75%放电深度下产生大于20Whr/lb的比能量(此值还不是最高的)，而镍氢电池只有5～6Whr/lb的比能量，其放电深度一般限制在30%～40%的范围内。
(2)无过充电、过放电问题。
化学电池一般不能深度放电，也不能过充电，否则其寿命会急剧下降。
而飞轮电池在深度放电时，其性能完全不受影响，而且在电力电子协助下，非常容易防止过充电(实际上是限制转子的最高转速)。
飞轮电池的寿命主要取决于其电力电子的寿命，故一般可到达20年左右。
(3)容易测量放电深度，充电时间较短。
飞轮电池只要测出转子的转速，就能确切知道其放电深度，而化学电池就没有这么容易了。
另外，飞轮电池的充电一般在几分钟之内即可完成，而化学电池则需要几个小时，常见的需要七八个小时。
(4)对温度不敏感。
化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降，而飞轮电池则不然。
(5)对环境友好。
化学电池在报废后会对环境产生恶劣影响，而且回收成本较高。
飞轮电池是一种绿色电池，它不会对环境产生任何影响，故它在电动汽车方面的应用极具潜力。
飞轮电池的发展开始于20世纪70年代，当时正处于石油禁运和天然气危机时期。
飞轮材料及制作工艺研究题目：飞轮材料及制作工艺研究主要技术指标：参考附件中的红色部分参考附件：复合材料转子结构设计及加工工艺飞轮转子是飞轮储能系统中主要的储能部件，关于转子的结构设计和分析，国内外已有一些相关的综述。
目前国外研究热点主要集中在转子的断裂损伤、疲劳、蠕变等方面和与此相关的实验技术。
国内对转子结构的研究主要侧重于针对强度的理论和计算，对于转子工艺和试验的研究较少，飞轮实际达到储能密度也远低于国际水平。
转子结构的研究主要涉及到转子的材料和工艺、结构的设计、结构分析和实验技术等四部分内容。
1 转子的材料及制作工艺1.1 飞轮转子的材料储能密度是衡量飞轮转子性能的重要指标。
转子的储能密度正比于材料的比强度。
因此，要想获得较大的储能量和储能密度，必须采用高比强度的材料。
早期的飞轮多采用铝、高强度钢等金属材料制作。
近年来，随着材料技术的发展，先进复合材料逐渐成为制作高速储能飞轮的首选材料。
复合材料是六十年代中期崛起的一种新型材料，它由两种或两种以上材料独立物理相，通过复合工艺组合构成。
其中，连续相称为基体，分散相称为增强体，两相彼此之间有明显的界面。
它既保留原组分材料的主要特点，又可通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。
通过材料设计可使各组分材料的性能互相补充，彼此联系，从而获得优越的性能。
先进复合材料已经在航空航天结构中获得了广泛的应用。
复合材料按基体不同可分为，树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
按增强体形式分为连续纤维增强复合材料、短纤维、晶须、颗粒等增强复合材料等。
常作为飞轮转子材料的复合材料主要是纤维增强树脂基复合材料。
其中增强体主要是碳纤维和玻璃纤维两种，而基体主要是环氧树脂、聚酰亚胺树脂或双马树脂。
先进复合材料的分类如图1所示。
图1 复合材料分类示意图从结构应用的角度分析，复合材料性能与金属材料相比，主要有以下性能特点：高的比强度和比模量、各向异性和可设计性、良好的抗疲劳性、成型工艺性好、良好的尺寸稳定性。
储能飞轮的有限元分析Simwe会员：xjturyw, ganyx（西安交通大学：王若玉，甘益翔）摘要：飞轮储能的提高是以提高它的转动惯量来实现的，本文根据问题特征，采用轴对称方法，用ABAQUS程序分析飞轮的应力分布，为进一步提高飞轮的储能密度提供可靠的理论依据。
关键词：ABAQUS，飞轮，储能密度, 应力分布, 有限元分析1 前言在需要高能传输和单位质量高能储备的情况下，飞轮储能装置比电化学电池要先进。
而且，如果发电机和转子设计合适的话它还有潜在的高效率和长寿命的特性。
由复合材料增强纤维聚合体做成的飞轮在能量储备上很有发展前景。
在上世纪70年代末和80年代初，为了响应在空间和汽车装备方面，对能量储备的需要，进行了大量的复合材料飞轮的研究，在制图设计上引起了强烈地竞争。
近来,为了迎合能源公司、低散射或者零散射的汽车和连续能量供给的需要,对飞轮的研究又热了起来。
目前飞轮的边缘速度已超过1000m/s，储能密度达100Wh/kg以上。
近年来，国内已有若干单位相继投入飞轮储能技术的研究，本章就是在现在研究的背景下做了一些分析的工作。
飞轮储能的提高是以提高飞轮的转动惯量来实现的。
但必须在材料不产生破坏和变形的前提下，来增加转速和质量，从而达到提高转动惯量的目的。
因此，就涉及到优化问题。
采用多层复合材料制成的转子突破了单层转子内外径比的限制，可明显改善转子内部的应力分布，提高飞轮的储能密度。
本文根据问题特征，采用轴对称分析方法，利用ABAQUS程序来验证平面应力解析解在实际应用中的可行性。
根据问题的实际情况, 飞轮结构和所受到的压力都是轴对称的, 可以将问题简化为轴对称(Axisymmetric)的问题进行计算. 在ABAQUS中进行建模、附材料常数值、给定边界条件和外力、划分网格等步骤的计算, 最终解决本问题。
尤其要指出的是, 本文涉及到力电耦合问题,压电(Piezoelectric ) 常数和介电(Dielectric)常数的输入, 是在Module II: PropertyCreateOtherElectrical中。
飞轮储能系统转子静力学分析陈强;袁西冰【摘要】能源存储是高效利用能源的重要途径.飞轮储能系统由于具有环境友好、功率密度高、储能密度大等特点而广泛应用.利用ANSYS Workbench建立了飞轮转子的有限元计算模型,对不考虑永磁体作用于转子内壁和考虑永磁体作用于转子内壁两种情况下的飞轮转子进行静力学仿真分析,研究了飞轮转子径向位移、径向应力和环向应力的分布规律,对飞轮储能系统的设计与优化提供依据.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2017(039)012【总页数】4页(P58-61)【关键词】飞轮储能系统;转子;ANSYS;静力学【作者】陈强;袁西冰【作者单位】贵州航天林泉电机有限公司,贵阳 550081;国家精密微特电机工程技术研究中心,贵阳 550081;贵州大学,贵阳 550000【正文语种】中文【中图分类】TH120 引言飞轮储能系统作为一种新型储能技术，具有功率密度高、储能密度大，性价比高，无污染，充电时间短且无过充电和过放电问题，寿命长且适合循环使用等优点。
在电网调峰、电动汽车、不间断供电备用电源（UPS）、汽车供能、航空航天军事等诸多方面都获得了成功的应用[1～7]。
国内外学者对飞轮转子的设计优化进行了大量研究。
NASA Glenn中心在实验室环境研制成功磁悬浮复合材料飞轮储能系统，转速达到600000r/min[8]。
UTCEM成功制作了复合材料飞轮转子，最高转速达到15000rpm，可储存130kWh的能量[9]。
HaSK基于平面应力假设，计算了平面状态下多环过盈装配复合材料飞轮转子的应力分布，并以强度失效为准则，最大储能量为优化目标对多环过盈装配复合材料飞轮进行了优化设计[10]。
白越等验证了复合材料飞轮转子中金属轮毂与复合材料外环采用胶接的连接方式是合理的[11]。
闫晓磊基于最优控制理论，以最大储能密度为优化目标对不同材料和结构形状的飞轮转子进行了结构优化设计[12]。
