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飞轮在机械工程中的应用摘要： 飞轮是机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器，是人类对机械和能量认知的产物当机器转速增高时，飞轮 的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器转速降低时，飞轮动能减 少，把能量释放出来飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波 动装在发动机曲轴后端，具有转动惯性，它的作用是将发动机 能量储存起来，克服其他部件的阻力，使曲轴均匀旋转；通过安装在飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动连接起来；与起动机接合，便于发动机起动由于飞轮结构比较简单使用效果好，所以飞轮应用范围越来越广关键词：转动惯量 能量储存 动能 动量引言：飞轮作为一种能量储存器，在机械领域有着不可磨灭的 作用，各种各样的机械中都可以见到飞轮的身影，所以要想更深刻的学习机械了解机械，我们必须要更加深刻的认识飞轮飞轮 技术在我国仍处在研发阶段，而国际发达国家已有几十年的发展 历史，在诸多领域获得应用，如F1赛车能量回收、轨道牵引能 量回收、微电网调压及并网，超低温余热回收利用、应急电源、 高速离心风机等1 飞轮的结构特点1.1 分述一飞轮是安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器 转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。

飞轮可以用来减 少机械运转过程的速度波动具有适当转动惯量、起贮存和释放 动能作用的转动构件，常见于机器、汽车、自行车等，具有较大 转动惯量的轮状蓄能器1.2飞轮是一个质量较大的铸铁惯性圆盘，它贮蓄能量，供给非作功 行程的需求，带动整个曲连杆结构越过上、下止点，保证发动机 曲轴旋转的惯性旋转的均匀性和输出扭矩的均匀性，借助于本身 旋转的惯性力，帮助克服起动时气缸中的压缩阻力和维持短期超 载时发动机的继续运转多缸发动机的飞轮应与曲轴一起进行动 平衡，否则在旋转时因质量不平衡而产生的离心力将引起发动机 振动，并加速主轴承的磨损为了在拆装时不破坏它们的平衡状 态，飞轮与曲轴之间应有严格的相对位置，用定位销或不对称布 置螺栓予以保证飞轮常见的损坏部位是齿圈磨蚀损坏、端面烧 蚀、挠曲变形及飞轮螺孔损伤2 飞轮的应用范围及应用实例2.1 分述一 飞轮是个储能器，在机械中广泛应用我们常见的有家用缝纫机， 在缝纫机头部的由皮带带动的手轮就是一个飞轮，可以看到家用 缝纫机的飞轮比生产厂用缝纫机的飞轮小，由于飞轮小所以家用 缝纫机的缝合厚度就比生产用缝纫机缝合厚度要小是那边说起 六七十年代北京生产的燕牌缝纫机号称比上海生产的缝纫机力量大，缝合厚度大。

其实原理很简单，就是北京的缝纫机飞轮要 大些重一些，所以在缝纫时它储存的动能大，所以遇到比较大的 阻力时可以穿透汽车的发动机都有一个飞轮，除了除了克服活 塞的上下止点外还有克服汽车行驶中遇到瞬间阻力的作用比如 汽车要越过一个台阶，压过一块石头等等农用只有十几马力的 拖拉机却有一个老大的飞轮，这就使它力大无比，功率 100 的 小汽车的拉力绝对比不上这个小拖拉机，汽车的飞轮小是其中原 因之一车床上的卡盘就是一个飞轮，同一台车床使用同一转速， 当上小卡盘时，车削感觉无力，这是换上大卡盘立刻感觉车床有 力了同样冲床、摩擦压力机、剪板机都有一个飞轮，工作时并 不是电动机的瞬时能量起作用而是电动机把能量输送给飞轮，飞 轮储能，工作时飞轮释放出能量冲裁、剪断等等还有稳定转速、 减轻转速波动作用超越离合器是机械构造，是人把另外功能整 合到一起了飞轮具有较大转动惯量由于发动机各个缸的做功 是不连续的，所以发动机转速也是变化的当发动机转速增高时， 飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来;当发动机转速降低时，飞轮 动能减少，把能量释放出来飞轮可以用来减少发动机运转过程 的速度波动飞轮损伤的主要原因及维修，上文中有提到。

装在发动机曲轴后端，具有转动惯性，它的作用是将发动机能量 储存起来，克服其他部件的阻力，使曲轴均匀旋转 ;通过安装在 飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动连接起来;与起动机接合 便于发动机起动国外应用研究进展国外磁悬浮支承技术和高速电机驱动的磁悬 浮飞轮的研究与应用起步较早，主要是欧美和前苏联一些航天发 达国家开展了这方面的研究和应用 1972 年，美国开始研究 磁悬浮动量轮20 世纪90 年代初，在 电池该中心还研制 了用于空间站的磁悬浮姿控储能两用飞轮工程样机，设计指标为 电机转速为41000r/、反向双飞轮结构、储能密度为44/、 输出力矩大于 0.5公司生产的高速无刷直流电机驱动 的磁悬浮飞轮已经有30多年的历史1986年2月，法国地球jLLi资源卫星采用磁悬浮偏置动量轮进行姿态控制，其速度控制采用 了锁相环后姿态稳定度达到0・000 l°/s至今已在多颗卫星上使用磁悬浮飞轮，累计无故障寿命时间超过88 年此外，德 国、英国和日本等国也开展了高速磁悬浮飞轮的研究，并部分得 到了应用 俄罗斯对磁悬浮控制力矩陀螺研究与应用方面起步 较早前苏联20 世纪60 年代开始把磁悬浮控制力矩陀螺应用 于通讯及气象卫星等大型空间飞行器上，如各代“闪电号”通信 卫星；70 年代，在“礼炮号”空间站和 80 年代中期的“和平 号”空间站都应用了单框架磁悬浮控制力矩陀螺。

从“礼炮 3 号”开始测试名为“的单框架磁悬浮控制力矩陀螺群，并在礼炮 6号”、“礼炮 7号”和“和平号”上作为固定设各投入使用和平号”空间站上的1 和2舱上各有一套每套包含6 个单框架磁悬浮控制力矩陀螺呈五棱锥构型，其高速电机为永磁 无刷直流电机，在［工业电器网］设计和控制上充分考虑了上述方法和原则，电机转子额定转速为10000r/，角动量为1000, 功耗为90W,每个重量为165 “和平号”空间站从升空到坠毁共在轨15年，作为“和平号”的主要姿控执行机构，发挥了 巨大的作用 日本三菱重工1989 年开始研制单框架磁悬浮控 制力矩陀螺，以适应姿控执行机构长寿命、低功耗和低振动的要 求，电机速度采用了锁相控制，其电机转速为7000〜10000r /、角动量为100、输出力矩为50国内应用研究进展 国内基于高速永磁无刷直流电机的磁悬浮飞 轮的研究始于20 世纪90 年代末，相关的主要研制单位有北京 航空航天大学、国防科技大学等单位北京航空航天大学于1999 年开始论证单框架磁悬浮控制力矩陀螺之后，在国家 863-2 高 技术航天领域项目的支持下进行了我国空间站用高速、长寿命单 框架磁悬浮控制力矩陀螺的攻关，研制出多台角动量为 200 的 磁悬浮控制力矩陀螺原理样机，陀螺转子的高速永磁无刷直流驱 动电机额定转速为20000r/,锁相双模速度控制，稳速精度优于 0.01％。

电机定子采用了无铁空心杯结构，通过在三相桥前加变换器来消除调制引起的电枢电流脉动，降低了转子铁耗研 制的磁悬浮姿控储能两用飞轮，设计最高转速为60000r/、额 定转速为50000r/,采用了新型磁体结构和无铁空心杯定子结 构电机，并对电机的整体结构进行了集成设计优化研制的磁悬Jill浮偏置动量轮，额定转速为42000r/,锁相双模速度控制，空 心杯定子结构电机 对于长期运行且要求高精度敏捷机动能力 的航天器，综合考虑体积、重量、功耗和输出力矩大小，都需要 采用高速电机驱动的磁悬浮飞轮作为姿控系统的执行机构磁悬 浮飞轮采用新型磁体结构空心杯定子高速无刷直流电机，大大减 小了飞轮的体积和等效重量，消除了定子铁耗锁相双模控制使 高速无刷直流电机获得了较高的稳速精度和动态性能同时，采 用基于斩波调速消除了导通区的电流脉动，降低了转子铁耗，获 得了平滑的转矩特性从应用效果来看，将高速永磁无刷直流电 机用于磁悬浮飞轮，对进一步提高空间飞行器姿态控制系统的整 体性能具有重要意义2.2 分述二飞轮储能技术已经成为国际能源界研究的热点之一，从飞轮储能 技术的技术进展以及应用研究角度出发，箱受到机械制造、电机、 化工和冶金工业技术进步的影响，不断完善，逐步由完成车间内 部的动平衡及速度稳定，成为大型系统机械化和自动化不可缺少 的组成部分。

不少国家正在探索大惯量、自动调整惯性量的更完 善的飞轮机结构扩大飞轮箱的使用范围，是指发展能在高温、 低温条件下有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以 及能工作在炽热、易爆、易结团、粘性物料的环境近年来，与飞轮储能技术密切相关的三项技术取得了重要突破；是磁悬浮技术的研究进展很快，磁悬浮配合真空技术，可把轴 系的摩擦损耗和风损降低到人们所期望的限度；二是高强度碳素 纤维和玻璃纤维的岀现，允许飞轮边缘速度达到l 000 m/s以上，大大增加了单位质量的动能储存量；三是现代电力电子技术 的发展给飞轮电机与配电网系统之间的能量交换提供了灵活的 桥梁这三 项技术的新进展，使飞轮储能技术取得了突破性的进展，并在许 多领域中获得成功应用，其潜在价值和优越性逐渐体现出来在实际应用中，经常要使飞轮储能系统运行于发电运行状态单独 给负荷供电，如飞轮储能系统应用于太阳能发电时，需要在无光 照的条件下独立向负荷供电，而当飞轮储能系统用作时，需要在 电网供电中断或供电不正常的情况下独立向重要负荷供电然 而，由于电机运行于发电状态时，其绕组电动势的大小与飞轮的 转速成正比，而飞轮转速会随着电能的释放而逐渐降低，这样将不能满足向负荷供电的要求。

负荷的波动也会引起电机定子绕组端电压的变化因此，有必要设计合理的电路和控制方法使飞轮 储能系统发出的电能能够满足负荷的要求在合理选择飞轮电机的基础上，设计了飞轮储能系统运行于减速 发电状态并向负荷供电时的主电路结构，建立了飞轮储能系统的 数学模型，重点对如何实现飞轮储能系统对负荷恒电压供电的控制策略进行了研究德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用也比较多日本已经制造出在世界上容量最大的变频调 速飞轮蓄能发电系统(容量26.5，电压1100V ,转速510690,转动惯量 7102) 欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术 研究所、意大利的也都针对高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统展开了研究我国的飞轮储能应用开发虽然起步较晚，但是进展速度令人欣 喜2016 年11月，中国石化中原石油工程公司与清华大学联 合研制的我国首台级飞轮储能新型能源石油钻机在中原钻井三 公司投用，填补了我国钻井行业绿色储能的一项空白据测算， 钻机月节约柴油 40吨左右，节能效果30%以上，可减少二氧化碳等排污 40%3 飞轮的最新动态 飞轮储能系统作为一种逐渐成熟的储能技术，已经应用到包括航 空航天、电动汽车、电力等领域，逐步取代化学电池储能，成为储能行业一支不可忽视的力量。

飞轮储能系统旋转时不会发生任 何化学反应，其是纯粹的机械运动，对环境非常友好，因而受到 越来越广泛的关注根据市场研究公司 最新发布的报告，从 2010年到2014 年， 全球飞轮储能市场的年复合增长率将达到 12%不过，国内飞 轮储能市场开始发力也只有 3、4年时间美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多欧洲的法国国家 科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的均正开展高温超 导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究飞轮储能的研究主要着力于 研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术其中超导 磁悬浮是降低损耗的主要方法，而复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量2014 年9 月16日国内第一台飞轮 200千瓦工业化磁飞轮调试成功，各项实验测试指标均达良好，飞轮 运行正常，性能安全可靠专家评价，这项具有完全知识产权的 储能技术和产品填补了国内科技和市场的空白目前，全球范围 内各工业强国正大力开展可调转动惯量飞轮技术的研究，该技术 已有少量的应用和试运行，。