磁悬浮飞轮电池的基本概念、发展状况和结构原理

随着人们环保意识的增强，全世界人们都在寻找一种无污染或污染小的能量供给方式。飞轮技术由于是电能和机械能的相互转化，不会造成污染，飞轮储能电池的概念起源于上世纪70年代早期，最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到上世纪90年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，在飞轮储能装置中，决定输入输出能量的是外接的电力电子装置，而与外部的负载没有关系，还可以很方便地通过控制飞轮的旋转速度来控制飞轮的充电，这种特点在化学电池中实现起来要困难得多。并且伴随着磁轴承技术的发展，这种电池显示出更加广阔的应用前景，现正迅速地从实验室走向社会。飞轮技术的发展速度很快，再加上飞轮储能系统的充电速度可以非常快，飞轮储能装置的储能密度越来越大，效率和寿命也在不断提高。在放电的时候，是机械能和电能的相互转化，所以飞轮的寿命和放电的深度没有关系，这样飞轮可以应用的放电深度范围非常宽，特别适用于放电深度不规则的场合，由于飞轮的快速充放电和独立而且稳定的能量输出，当设备需要能量突然增加或者在能量转换时需要平稳过渡的时候，经常考虑到使用飞轮技术，虽然我国在这方面的研究才刚刚起步，但是欧美国家已出现实用化产品。并且飞轮电池的发展相当迅速，并已经出现了利用超导磁悬浮的高新技术让飞轮和包裹容纳它的真空容器没有物理接触减小摩擦损耗，这样飞轮就能转的非常快，而且损耗极小，存几年转速也不会降低很多，这就是磁悬浮飞轮电池。

发展状况

纵观欧美国家的现状，在汽车行业中，美国飞轮系统公司（AFS）就生产出了以克莱斯勒LHS轿车为原形的飞轮电池轿车AFS20；在火车方面，德国西门子公司已研制出长1.5m，宽0.75m的飞轮电池，可提供3MW的功率，同时，可储存30%的刹车能；在特种设备上，美国已经开始尝试使用飞轮装置，尤其是大型混能牵引机车上，美国特种部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需要电能，飞轮电池由于其快速的充放电，独立而稳定的能量输出，重量轻，能使车辆工作处于最优状态，减少车辆的噪声（战斗中非常重要），提高车辆的加速性能等优点，已成为美国军方首要考虑的储能装置；在太空方面，由于飞轮储能装置的储能密度很大，并且随着材料学和磁悬浮轴承技术的不断发展，在卫星上使用的飞轮储能装置甚至小到可以装进卫星壁中，而且飞轮储能装置运行的时候损耗很小，基本上不用维护，这就使得飞轮技术不断应用于卫星装置和太空空间站的太阳能储能电池中作为它们的能量供应中心来使用，同时飞轮还可以用于卫星的姿态控制中。

结构原理

磁悬浮飞轮电池的主体是个真空容器里的不停旋转的飞轮和与飞轮连接在一起的两个电机（一个发电机和一个电动机）。飞轮里有磁钢片，外面裹着碳纤维材料防止飞轮解体。起初的飞轮电池的飞轮是通过转轴依靠轴承连接在容器里，转速不能很高，损耗也大。我们要研究的是利用新技术即超导磁悬浮，将普通轴承改为非接触式磁轴承，其目的在于让飞轮和容器没有物理接触，这样飞轮就能转的非常快，而且损耗极小，即使存放几年转速也不会降低很多。飞轮存储的能量用这个公式E=1/2jω2（2是平方）计算。j是转动惯量，ω是角速度。j=k*M*R2（2是平方）k是惯性常数。飞轮是个圈是1，圆柱是1/2，M是质量，R是半径。飞轮一般都能做到四五万转，储存的能量极其大。真空容器内有电动机，充电时电动机线圈通电，电动机旋转带动飞轮转速提高，从而飞轮存储一定的能量，转速越高、飞轮转动惯量越大，所存储能量越大。放电时利用真空容器里的发电机，飞轮的高速旋转带动发电机转动使得磁力线切割线圈产生电流，电流通过真空容器外部的电子电力装置变压。这样飞轮电池的性能就非常好，只要电子电力装置撑得住，充放电速度要多快有多快。

美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600km，由到96km/h加速时间为6.5秒降到3秒左右。