基于实践教学的立式飞轮储能装置设计应用*

赵 萌，杜 平，赵天骄，高党寻，李 睿，林蔚然，曾 武

（1.清华大学基础工业训练中心，北京 100084；2.清华大学物理系，北京 100084）

0 引言

2020 年的联合国大会上，习近平主席首次提出了碳达峰和碳中和的概念，明确中国将努力争取在2060 年前实现碳中和[1-3]。同时，得益于我国人工智能、互联网+等技术的不断进步，以风电和光伏为代表的新能源产业进入了一个新的发展阶段[4-5]。风电、光伏等新能源场站在我国电网占比和并网容量比例不断提高[6-8]，将有助于推动我国供给侧能源改革和建立多元化的能源供应体系，最终实现碳中和的远景目标。

为了使清洁能源发电也能够灵活进入并网运行，同时减少传统火电的调峰调频压力，使得风能和太阳能等清洁能源得到有效利用，从而进一步降低传统火电比例，从而达到节能减排，减轻污染的目的，发展飞轮这一储能密度高、能量转换效率高、充放电速度快、环境适应力强、运行寿命长和易于检修维护的高效节能和储能技术，将成为重中之重。

飞轮储能技术在许多领域都已经有广泛应用，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成熟，主要应用于UPS不间断电源、微电网调频、削峰填谷、制动动能回收、电磁弹射等多个领域[9-12]。

飞轮储能装置是一种机电能量转换的储能装置，通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换，实现电能的输入、储存和输出过程。其设计涉及多学科，装置设计过程复杂，包括飞轮转子材料的选择、飞轮最佳转速的确定及工作空间的计算、轴承支承的选择、轴承承载力、刚度与结构参数的计算、电机的选择，以及能量转换控制方式的分析等方面[13-14]。

传统的工程实践教学具有项目分离的特点，焊接、铸造、车工、铣工、检测、钳工等内容只是基于工种培养内容进行课程教学，其能力培养环节较为基础，无法满足高素质人才培养的需求。2017 年，教育部开始部署新工科建设，对培养实用型、创新型、学科交叉型新工程人才提出了更高的要求，指出工程教育需要更深入地进行创新实践和多学科交叉融合发展，需要具备较强的实用性、交叉性与综合性[15]。

随着国家“双碳”目标的提出，加快建设低碳化国家、可持续发展国家，应对发展挑战，培养高素质的应用型工程技术人才迫在眉睫，以飞轮储能装置这一新型机械储能装置设计进行实践课程设计，利用项目驱动式的新型教学模式，可以培养学生理论与实践结合的能力，从而提高学生的综合工程素养。

1 技术方案及设计

1.1 机械机构设计

以能源大类专业的学生为试点对象，通过项目驱动的教学方式，有机整合现有金工实习中的各个工种，完成飞轮储能系统的设计、加工制造和组装调试。通过与专业背景的紧密联系，提高学生的学习兴趣和主观能动性，同时建立产品全生命周期的概念，培养创新能力，提高综合素质。

针对未央书院能源大类的暑期金工实习，设计一款立式飞轮储能实验装置。具体要求如下：（1）匹配中心现有的加工工艺；（2）符合本科学生的加工水平；（3）满足相关专业的教学要求。

最终的实验装置结构如图1 所示，主要分为4 部分：飞轮支撑模块，电机支撑模块，飞轮模块以及控制单元，整体尺寸为450 mm×450 mm×350 mm。其中，飞轮支撑模块使用4 根立柱进行定位及支撑；电机支撑模块与飞轮支撑模块类似，同样4 根立柱通过飞轮盖板与电机安装板上的沉孔保证定位；飞轮模块包括飞轮、主轴、轴承、轴承座、联轴器以及电机。

图1 飞轮储能装置总体结构

1.2 主要设计参数

（1）总体设计。本飞轮储能装置设计容量0.044 W·h，质量10.4 kg，其选用电机功率为100 W。本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5 W 节能灯的供电，持续时间不少于20 s。

（2）电机支撑装置设计。保证电机与主轴之间的轴心偏差小于0.2 mm。

（3）飞轮支撑装置设计。保证主轴轴心跳动少于0.1 mm。

（4）飞轮模块设计。飞轮安装于飞轮支撑装置后，需要保证飞轮外径跳动少于0.2 mm。

（5）飞轮控制模块设计。控制模块分为电机控制、发电模块以及稳压模块。

1.3 飞轮支撑模块设计

因飞轮质量较大，转速较高，对其转动时同心度要求高，因此飞轮支撑模块需要特别注意垂直度要求和定位精度要求。使用4 根立柱进行定位及支撑4 根立柱通过底板上的下沉孔以及立柱两端的台阶进行定位，保证垂直度与位置精度。沉孔如图2 所示，其安装方式如图3 所示，其中红色圈内的面为定位面，圆柱面负责定位位置，台阶面校准垂直度。

图2 飞轮支撑柱沉孔

图3 立柱安装剖面图

飞轮盖板下方对应立柱位置带有同样的沉孔，作用与底板上的沉孔一致。这8 个定位孔保障飞轮旋转轴的同心度满足设计要求。底板四角开有通孔，安装地脚螺栓，负责整个装置的支撑及固定，其整体安装如图4所示。

图4 立柱安装

1.4 电机支撑模块

与飞轮支撑模块类似，同样通过4 根立柱支撑，飞轮盖板上的沉孔保证4 根立柱的定位精度和垂直度能满足要求。但因电机与主轴通过联轴器连接，同心度要求可以稍微降低，因此考虑减轻质量以及降低制造成本，电机安装架上的立柱安装位未设计沉孔，如图5～6所示。

图5 飞轮盖板上电机立柱的沉孔

图6 电机立柱安装

电机选择考虑如下：（1）飞轮较重，扭矩需求较大，因此选择外转子的类型；（2）安全问题，需要较为稳定的控制，因此选择有传感器的类型；（3）飞轮转速较高，选择无刷电机；（4）最后需要在一定转速下产生较高的电压，选择kV 值较低的电机。综上所述，最后选择100 W外转子有感无刷100 kV的电机。

1.5 飞轮转子模块

飞轮通过两个z3-25 胀套与主轴相连，主轴两端通过6204轴承与飞轮支撑模块连接。电机与主轴通过联轴器连接。3 种转子设计方案参数如表1所示。

表1 飞轮转子设计方案

经初步测试，在中心现有的加工工艺下，转子的加工精度保证在0.1 mm；同时考虑到转子在高速旋转下的应力和变形，应选择抗拉强度较高的材料，并减小转子半径，降低设计转速以保证安全；在此基础之上，采用密度较大的材料，并设计转动惯量较大的质量分布模型，以提高储能容量。确定正式设计参数如表2 所示，样机结构尺寸如图7 所示，整体结构剖面如图8所示。

图7 飞轮尺寸

图8 整体剖面图

表2 飞轮参数

（1）动能计算

代入数值后得，E=0.044 W·h。

（2）最高线速度

代入数值后得，v=7.9 m/s。

（3）飞轮总质量

代入数值后得，m=10.4 kg。

（4）充能速度

当电机满功率运行时，整个飞轮达到预定储能需要1.6 s。

（5）强度校核

当存在偏心时，假设重心偏离轴心1 mm，则，

①转动离心力

根据经典转动物体离心力计算公式，有

②轴的最大正应力

式中：F为转动时产生的离心力；L为转动轴长度。

代入数值后得，σmax=14.6 MPa。

③轴的最大剪应力

代入数值后得，τmax=0.43 MPa。

④轴的最大挠度

代入数值后得，wmax=7.7 × 10-8mm。

最后数据如表3所示。

表3 飞轮强度校核

1.6 飞轮控制模块

控制模块主要分为电机控制、发电模块以及稳压模块。其整体如图9所示。

图9 控制电路PCB图

（1）电机控制模块

其中电机使用GD32E103芯片控制，通过全桥MOS 管实现无刷电机控制。其线路图10 所示。其中MOS 管选取IRFR4510的型号，MOS管控制芯片使用AUIRS2301。

图10 无刷电机控制电路

（2）发电模块

发电模块与电机控制模块共用一个100 kV 的电机。当电机处于电动机状态时，电机控制模块工作，单片机通过MOS管控制芯片产生三路一定组合的PWM 波控制MOS 管通断从而控制电机转动。此时全桥整流模块起到续流二极管的作用。当电机处于发电机状态时，电机控制模块所有MOS 管为关断状态。此时考虑电机转速为1 000 r/min，那么电机的反电动势为10 V。因为产生的反电动势为交流电，所以需要通过全桥整流将其变为直流电。全桥整流如图11所示。

图11 整流模块电路

（3）稳压模块

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5 V。此处购买LM2596S DC-DC 可调降压模块如图12所示，输出稳定的5 V电压。

图12 DC-DC降压显示模块

（4）供电路线

飞轮储能装置供电路线如图13所示。

图13 供电路线示意图

（5）单片机配置

单片机引脚使用如图14所示。

图14 单片机引脚示意图

其中PA8、PA9、PA10、PB13、PB14、PB15 为电机控制引脚，挂在TIME1 的PWM 通道0、1、2 以及其对应的互补输出PWM通道，其均为复用推挽输出模式。PA1、PA2为控制开关；PA12 为看门狗，为开漏输出模式；PB6、PB7、PB8 为电机霍尔传感器接收引脚，为上拉输出式。

2 试验成果

（1）接通电源，通过电机给飞轮充电。一般情况下，飞轮从转速为0 到预定转速，需电机满功率运行充电7 s（运行阶段）；

（2）当飞轮装置达到额定储能值后保持转速不变，即保持其储存能量值不变（储能过程）；

（3）当飞轮装置断电后，其连接的灯开始常亮照明，此时，飞轮装置用作应急电源（放电过程）。

3 飞轮储能装置实践教学设计

3.1 理论课程

在理论教学中，主要涉及机械制造领域中的材料、力学、金属加工工艺学以及焊接、铸造、钳工、车工、铣工、检测等方法。因此，在理论教学中围绕上述方法的原理、特点、应用展开设计。同时为增强学生的工程意识，内容设计中安排经典工程应用案例，如：最新航母建设中的电磁弹射装置应用案例、火星机器人储能计划项目等。此外，结合课堂思政建设，在理论设计中增加大国工匠，劳动模范优秀事迹的植入。如此一来，使得理论顶层设计将价值塑造，能力培养及知识传授的人才培养理念形成了三位一体的指导模型，有利于提升在实践教学开展中的培养成效。

3.2 实践课程

（1）整体教学方案

飞轮储能系统由设计、加工制作、组装调试3 部分组成。设计部分主要包括机械结构设计、转子材料、轴承类型、电动发动机选型等。加工制作是比重最大的教学环节，其中地脚支架由铸造得到，转子和立柱由车床加工；电机盖板和保护罩由钢板激光切割和焊接完成；电动发动机及控制电路由智能制造单元完成；最后所有部件在钳工完成组装调试，如图15所示。

图15 工程实践教学模块设计

（2）探索学生综合素质培养

所涉及的知识和工作量比传统实习课程要大许多，学生采用组队的形式完成项目，3 人一组，制定工作计划和分工，培养团队协作和交流沟通能力。课程同时设置开题报告、中期汇报、期末答辩等节点，考察项目进度，保证项目顺利实施，提高学生的工程素养。

4 结束语

在飞轮储能装置的设计中，项目以工程应用实践为基本出发点，紧密切合国家“碳中和”相关发展理念，聚焦新能源、新材料、高端芯片与软件、智能制造和国家安全等关键领域，打造以飞轮储能装置为抓手的前沿课题。通过周密调研，谨慎论证，迭代试制，完成了研究样机及实践产品的开发。同时，通过优化工程实践模块定制课程，将飞轮储能装置融入到清华大学实践课程中，结合多学科专业学生参与，进一步丰富飞轮储能装置的更深层次研究。也为有关专业方向培养具有扎实数理基础及实践能力的拔尖创新人才创造了丰富教学资源。