1、航天飞轮与储能飞轮的技术转化及研究进展 Technology Conversion and Research Progress of Space Flywheel and Energy Storage Flywheel 2019-05-18 第一部分：单位概况介绍 第二部分：航天飞轮技术应用 第三部分：储能飞轮技术特征 第四部分：技术转化进展及成果 第五部分：结束语 上海航天控制技术研究所主要从事武器和宇航领域的控制系统和光电探测系统及关键单机产品的研究、开发、设计、生产、试验和服务，是专业特色突出、研产一体、军民融合的大型控制与业技术研究所。现有员工2200余人，是上海航天最大的军品研究所，

2、主要承担战术武器、运载火箭和空间飞行器的制导、导航不控制系统和核心单机，以及载人航天与探月工程配套单机的研制、生产和试验任务；承担航天技术应用产业与航天服务业的经营不开发。一、单位概况介绍 一、单位概况介绍 控制所多次荣获上海市和集团公司“文明单位”、“上海市五一劳动奖状”等荣誉称号。一、单位概况介绍 经过50年的探索不发展，控制所与业技术体系已从最初的飞行控制实现了如今飞行控制、光电探测、惯性导航、伺服控制等多与业的协同发展。核心专业 飞行控制 飞行控制 光电探测 惯性导航 伺服控制 一、单位概况介绍 由我所主办的飞控不探测学术期刊已实现全国公开发行，国内统一发行刊号为CN10-1567/T

3、J。该期刊是目前国内唯一同时关注全太阳系空间（包括火箭、导弹、卫星、无人机、超高速飞行体等领域）飞控系统及探测技术研究的工程技术类与业性学术期刊。期刊主要面向飞行控制不光电探测领域的相关科技工作者不爱好者，刊登研究设计、仿真分析、集成制造、测试试验、开发应用等最新成果，提供高质、先进、权威的控制技术成果展示交流平台。一、单位概况介绍 依托雄厚的与业技术实力，上海航天803所目前承担的科研生产任务主要涉及战术武器、航天运输器、应用卫星及空间科学等各领域，同时大力推劢航天技术应用产业发展。战术武器 任务领域 航天运输器 应用卫星 空间科学 航天技术应用产业 二、航天飞轮技术应用 高精度磁悬浮飞轮高

4、精度磁悬浮飞轮国外严密技术封锁国外严密技术封锁 三轴姿态三轴姿态控制控制 z y x 飞轮飞轮卫星平台姿态稳定的关键执行机构卫星平台姿态稳定的关键执行机构 二、航天飞轮技术应用 要求 高分辨率对地观测卫星的需求高分辨率对地观测卫星的需求 高稳定度高稳定度 卫星平台卫星平台 高精度载荷 高精度高精度 力矩精度：力矩精度：105 Nm量级（飞轮飞轮）控制力矩控制力矩 星体内扰动力矩：星体内扰动力矩：102 Nm量级量级 空间外扰动力矩：空间外扰动力矩：104 Nm量级量级 星体扰动力矩星体扰动力矩 要求+二、航天飞轮技术应用 二、航天飞轮技术应用 飞轮储能的技术来源 航天飞轮/控制力矩陀螺 输出瞬

5、时大功率/大力矩 实现卫星姿态控制 实现可再生能源的调频调幅 实现空间站的转向 航天军品飞轮技术向民用新能源领域转化 军民融合 三、储能飞轮技术特征 储能方式 物理储能:抽水储能、压缩空气、超导磁储能、飞轮储能 电化学储能：化学电池、氢气储能、超级电容 充电：飞轮增速储能，变电能为机械能；放电：飞轮降速发电，变机械能为电能。储 能 飞 轮 E 2 充放电快速、充放电次数丌受限制 三、储能飞轮技术特征 飞轮位于真空环境的壳体中，采用五轴主劢磁悬浮轴承控制技术，没有物理磨损，能量转换效率高，使用寿命超过20年；飞轮本体转速高达30000转/分钟，高功率密度；连续充放电次数超过百万次，丏可实现快充/

6、快放；三、储能飞轮技术特征 储能飞轮的主要关键技术：三、储能飞轮技术特征 上保护轴承径向磁轴承轮体组合磁轴承下保护轴承下传感器永磁卸载电机上传感器优化前后磁悬浮储能飞轮样机 1.热控及章劢、涡劢问题 三、储能飞轮技术特征 2.磁悬浮轴承的稳定性控制 由于由于强陀螺效应强陀螺效应引起的引起的 磁悬浮高速转子的磁悬浮高速转子的不稳定不稳定 问题问题 方法方法 效果效果 解决了高速磁悬浮转子系统的解决了高速磁悬浮转子系统的 高精度稳定问题高精度稳定问题 提出提出并并研究研究了了系统稳定性判据系统稳定性判据，误差，误差 6%6%采用了采用了基于模态解耦的基于模态解耦的自适应交叉滤波稳定控制方法自适应交

7、叉滤波稳定控制方法 前向涡动失稳前向涡动失稳 (章动章动)后向涡动失稳后向涡动失稳 (进动进动)前前向向涡涡动动稳稳定定 后后向向涡涡动动稳稳定定 三、储能飞轮技术特征 问题问题 方法方法 效果效果 主被动磁悬浮飞轮存在主被动磁悬浮飞轮存在不可控自由度不可控自由度，主动振动控制，主动振动控制 高精度高精度自驱动平衡方法自驱动平衡方法 实现实现“零振动”、“零位移”、“零动态电流”“零振动”、“零位移”、“零动态电流”适用于主动磁轴承和被动磁轴承共同支承的高速转子适用于主动磁轴承和被动磁轴承共同支承的高速转子 平衡前平衡前 平衡后平衡后 位移位移 电流电流 振动振动 3.磁悬浮轴承的振劢控制 三

8、、储能飞轮技术特征 4.飞轮转子组件的受力 上防撞套筒上磁轴承转子电机转子轮体下磁轴承转子下防撞套筒轮体采用航天高性能钢，线速度可达400m/s，实现33,000rpm 三、储能飞轮技术特征 飞轮转子组件 转子最高转速时整体变形云图 转子最高转速时应力云图 阶次 固有频率 对应振型 1 898.12 轮体沿径向方向偏移 2 1040.轮体两端轴沿Y轴发生弯曲 3 1046.1 轮体两端轴沿X轴发生弯曲 4 2276.7 转子沿Z轴上下串劢 5 2825.4 轴弯曲 6 2835.6 轴弯曲 三、储能飞轮技术特征 5.保护轴承组件的安全性问题 取安全系数S0，则所受力为：保护轴承组件 内径 d(

9、mm)外径 D(mm)基本额定劢载荷Cr（kN）基本额定静载荷C0r（kN）质量 W(kg)上辅劣轴承 25 47 11.2 7.08 0.074 下辅劣轴承 25 52 15.8 9.88 0.12 002.219.88rrS pkNCkN通过计算和分析，辅劣轴承满足要求 三、储能飞轮技术特征 磁轴承组件-实物 在加工工艺和调试测试进行优化改进 1.矽钢片由0.25到0.1mm降低涡流损耗 2.由四极改进为八极提高力学特性降低了线圈绕制难度 3.有电涡流改为电感传感器提高系统的抗干扰能力 四、技术转化进展及成果 技术转化成果1：300KW飞轮UPS系统 进线柜 出线柜 负载箱 UPS主机 四

10、、技术转化进展及成果 磁轴承控制实验-陀螺效应抑制 110Hz章劢失稳 40Hz转子进劢失稳 交叉反馈补偿控制器下 150Hz时轴心轨迹和x方向位移频谱 四、技术转化进展及成果 整机测试实验 0000.511.522.533.5x 104时 间/s转速/rpm飞 轮 电 机 转 子 转 速0000.20.40.60.81时 间/sSOC飞 轮 储 能 系 统 荷 电 状 态1414.0514.114.1514.214.2514.314.35-200-150-0200时 间/s电流/A充 电 结 束 状 态 永 磁 同 步

11、电 机 相 电 流00-20-15-10-505101520时 间/s电磁转矩/Nm永 磁 同 步 飞 轮 电 机 电 磁 转 矩/Nm 四、技术转化进展及成果 技术转化成果2：船用飞轮稳摇控制器（1）系统总体设计（2）基于动力学仿真的进动控制率研究 四、技术转化进展及成果 技术转化成果2：船用飞轮稳摇控制器（3）安全系统控制策略研究（4）大惯量飞轮体的最优设计 保护设备 保护船舶安全 船与陀螺力矩耦合仿真 四、技术转化进展及成果 技术转化成果2：船用飞轮稳摇控制器 800Nms型产品成功出口以色列 CCTV-10“我爱发明”专题节目介绍 四、技术转化进展及成果 技术转化成果3：车用飞轮储能稳控系统 车用飞轮储能稳控系统 两 轮 平 衡 汽 车 -摩 托 车 五、结束语 国际合作：联合开发 International cooperation:Agency by agreement 国内合作：产业化经营，委托代理 联合开发等多种模式。Domestic cooperation:Unlimited model 储能行业已然“春风乍起”，今天飞轮储能的“春天正在到来”，飞轮储能正处在“春天的风口”，丌疾丌徐，没有一日千里的浮躁；甘愿共盼星辰大海的未来！军民融合 协同创新 为军民融合国家发展战略贡献我们的一份力量！感谢您的关注与支持！上海航天控制技术研究所