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内容介绍
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为改良能量存储对飞轮的几何设计进行有限元分析
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
飞轮伺服作为动能储存及回复装置，以高转速传递高输出功率，作为一个新兴的能源储存技术，在现在不同的发展阶段，尤其是在高科技领域里应用，例如：宇宙飞船。今天，大部分的研究工作集中在改善飞轮的能量储存的能力。以提高高功率的传输时代，比起用传统的电池驱动更腀@志迷诵小７陕值谋硐种饕还榫逃谝韵氯鲆蛩兀翰牧锨慷取⒓负涡巫矗ê峤孛妫┖突刈俣取Ｎ镏实闹柿恐苯泳龆ǘ艽笮。纱丝梢陨鲇胱铀俣劝踩楹希詈希┑姆陕郑庀钛芯恐患刑教钟跋旆陕值募负涡巫矗康ノ恢柿康拇⒛芑蚪桓赌芰Γ徊矫魅繁饶堋�
据建议，一连串的有限元分析和优化过程结果表明，巧妙的设计飞轮几何形状不仅对比能有一个显着的影响，还因高转速下的折算质量减少而使在轴和轴承的运行负载也减小。本文专门研究了最常见的6个不同的几何构型（包括直/凹
或凸状二维截面）和根据其能量存储性能等级建议的程序。
2007年Elsevier公司有限公司保留所有权利。
1. 绪论
关键技术项目的任务是最近集中在利用飞轮储存能量比可充电化学电池更有效，同时也提供了一些控制优势。百年来，众所周知，从本质上来讲，飞轮是将能量储存在旋转质量的一个简单的装置 [ 1 ] 。这仅仅是因为高强度材料和磁性轴承的发展[ 2 ]，同时，这种技术也赢得了更多关注。勘探高强度材料，使设计者能够达到更高运行速度，产生更多动能。用磁性轴承，在极端的温度下，使达到更高运行速度变为可能，能够提供更清洁、更快速和更有效的轴承设备。最近设计的飞轮在性能和使用寿命上都大幅度增加 [ 3-5 ] ，此外，大型控制力矩和动量储存能力的飞船，运载火箭，飞机电源系统及电源供应器都使用了飞轮装置[ 6-8 ] 。
飞轮系统主要由飞轮转子，电动机/发电机，磁性轴承，机房和变电电子系统组成[ 9 ] 。在飞轮的发展过程中，目前的研究已侧重于提高飞轮的表现，同时满足安全方面的考虑，即材料、机房和轴承失效。能量储存和失效的因素研究开始与动能计算相结合
动能储存在旋转质量的关系有：
（1）
其中： 是飞轮的转动惯量， 是飞轮的转角，转动惯量是由飞轮的质量和
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
飞轮伺服作为动能储存及回复装置，以高转速传递高输出功率，作为一个新兴的能源储存技术，在现在不同的发展阶段，尤其是在高科技领域里应用，例如：宇宙飞船。今天，大部分的研究工作集中在改善飞轮的能量储存的能力。以提高高功率的传输时代，比起用传统的电池驱动更腀@志迷诵小７陕值谋硐种饕还榫逃谝韵氯鲆蛩兀翰牧锨慷取⒓负涡巫矗ê峤孛妫┖突刈俣取Ｎ镏实闹柿恐苯泳龆ǘ艽笮。纱丝梢陨鲇胱铀俣劝踩楹希詈希┑姆陕郑庀钛芯恐患刑教钟跋旆陕值募负涡巫矗康ノ恢柿康拇⒛芑蚪桓赌芰Γ徊矫魅繁饶堋�
据建议，一连串的有限元分析和优化过程结果表明，巧妙的设计飞轮几何形状不仅对比能有一个显着的影响，还因高转速下的折算质量减少而使在轴和轴承的运行负载也减小。本文专门研究了最常见的6个不同的几何构型（包括直/凹
或凸状二维截面）和根据其能量存储性能等级建议的程序。
2007年Elsevier公司有限公司保留所有权利。
1. 绪论
关键技术项目的任务是最近集中在利用飞轮储存能量比可充电化学电池更有效，同时也提供了一些控制优势。百年来，众所周知，从本质上来讲，飞轮是将能量储存在旋转质量的一个简单的装置 [ 1 ] 。这仅仅是因为高强度材料和磁性轴承的发展[ 2 ]，同时，这种技术也赢得了更多关注。勘探高强度材料，使设计者能够达到更高运行速度，产生更多动能。用磁性轴承，在极端的温度下，使达到更高运行速度变为可能，能够提供更清洁、更快速和更有效的轴承设备。最近设计的飞轮在性能和使用寿命上都大幅度增加 [ 3-5 ] ，此外，大型控制力矩和动量储存能力的飞船，运载火箭，飞机电源系统及电源供应器都使用了飞轮装置[ 6-8 ] 。
飞轮系统主要由飞轮转子，电动机/发电机，磁性轴承，机房和变电电子系统组成[ 9 ] 。在飞轮的发展过程中，目前的研究已侧重于提高飞轮的表现，同时满足安全方面的考虑，即材料、机房和轴承失效。能量储存和失效的因素研究开始与动能计算相结合
动能储存在旋转质量的关系有：
（1）
其中： 是飞轮的转动惯量， 是飞轮的转角，转动惯量是由飞轮的质量和
