飞轮储能装置设计初探

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前
言
电网提供的电能， 经功率电子变换器， 驱动电机带动 飞轮高速旋转， 以动能的形式把能量储存起来， 从而 完成电能—机械能转换的储能过程。图 # 是飞轮储 能系统工作原理图， 其中飞轮与电机转子固接在一 起。电机维持一个恒定的转速， 直到接受到一个能 量释放的控制信号。当需要给负载供电时， 高速旋 转的飞轮作为原动机拖动电机发电， 经功率变换器 输出适用于负载的电流与电压， 从而完成机械能 0 电能转换的释放能量过程。由此， 整个飞轮储能系 统实现了电能的输入、 储存和输出过程。
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飞轮储能原理与系统结构
储能原理 飞轮储能就是利用现代功率电子技术， 由工频
收稿日期： !""#$"%$!" 基金项目： 国家自然科学基金项目 （&’’(&"!(） ， 安徽省国际合作 项目 （"#"))"#&）
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系统结构 飞轮储能装置主要由高速飞轮、 轴承支承系统、
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飞轮储能装置设计初探
赵
摘
韩， 杨志轶
（合肥工业大学机械与汽车工程学院， 合肥 !*"""’）
［7］ 。在整个转速范围内， 要保持一个最小功 数之一
电动 " 发电机、 功率电子变换器、 电子控制设备以及 附加设备 （如真空室、 真空泵、 备用轴承） 等部分组 成， 是一种积木式的集成系统。图 # 是一立轴飞轮 储能系统结构图， 其中的轴承支承是采用磁悬浮轴 承系统。飞轮转子轴上下两端采用自动对中的斥力 型径向永磁轴承支承， 实现无机械接触、 无摩擦， 同 时轴向卸载。径向永磁轴承在径向方向是稳定的， 而在轴向上是不稳定的， 故在轴向上采用主动控制 的推力电磁轴承， 控制飞轮转子的轴向位移。飞轮 与电机转子固定地连接在一起， 易于实现电能与机 械能之间的转换。
图& 8-9 / &
永磁轴承的结构参数
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的轴向长度， 从而可计算飞轮的旋转工作空间。
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磁悬浮轴承系统
轴承支承的选择
通常， 轴承中所用磁环的间隙和截面尺寸远小 于磁环的曲率， 因此， 计算轴承承载力时可忽略磁环 的曲率， 把两磁环的相互作用等效为两无限长永磁 体的相互作用， 同时也不考虑磁体间的相互退磁作 ［0］ 。基于上述讨论， 采用等效磁荷的方法进行计 用 算。 理想轴承通常都是由轴向截面积相同的环形磁 体组成。当两磁环的磁化方向平行时， 轴承的轴向 力 （即承载力） 为： ’B " $ %( ( % ［(’ （ & ）$ ’ （ & # ) ）$ ’ （ & $ )） ］ &# （,#）
［ #， !］ 广泛的应用前景 。随着现代电动 + 发电机技术、
电力电子技术、 新材料技术、 磁悬浮技用成为 可能。飞轮储能装置， 又称为电动机械电池、 飞轮电 池， 是一种机 0 电能量转换与储存装置。飞轮储能 装置的设计， 涉及到机械、 材料、 电工、 热工、 计算机 等多学科的交叉， 其设计过程是极其复杂的， 目前文 献大多仅讨论其结构问题， 尚没有对其设计进行讨 论。本文对飞轮储能装置设计中的几个关键问题进 行分析和讨论。
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向位移。电磁轴承是吸力工作方式， 因此通常需采 用双边工作方式。然而应用在立轴旋转系统结构中 可选用单边工作式， 此时电磁定子需安装在推力盘 的上方 （见图 !） ， 电磁吸力与部分飞轮转子重量、 外 干扰力相平衡。其结构参数如图 " 所示。
要： 讨论了具有广泛应用前景的新型机械储能技术中飞轮储能装置设计的几个关键问题， 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， 为飞轮储能装置设计的进一步研究奠定了基础。 关键词： 飞轮储能； 飞轮转子； 磁轴承； 电动 + 发电机 中图分类号： ,-#** . ( 文献标识码： /
组成， 利用磁性材料同性相斥的原理， 使动磁环悬浮 于静磁环之中， 保证旋转时两磁环不相接触， 从而可 大大降低运动摩擦阻力。此外， 永磁轴承两磁环之 （见图 &） ， 实现轴向卸载。 间需要有一个轴向位移 &
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对于各向同性、 正交各向异性材料的空心圆柱 飞轮， 其最大周向应力为：
( ( ［ !（ ］ （’） ,$( !$% " （ "）# !（ "） . & $ ( ! , $ "） 式中， — —飞轮的内、 外半径， 内半径 ! % 值大 ! -、 ! .— 小通常由所需要的最小空间确定。由式 （+） 或式 （’） 以及材料机械性能参数， 即可计算出飞轮的外半径 计算出飞轮 ! . 值。然后根据设计要求的总储能量， ( $%)* #
率要求。根据电机理论， 其功率与转速之间的关系 为： * " + ・# — — —电机功率， — —电磁转矩。 式中， * +— （<）
由式 （<） 可知， 要想达到最小功率要求， 必须限 制飞轮的最小转速。但是， 如果过分地限制飞轮转
图# $%& ! # 飞轮储能装置系统结构
速范围， 则储存在飞轮中的能量只有很小一部分得 以利用。可利用的能量表示为： != " ; （ , # - # ） # #->? #-%@ （A）
图# 123 . # 飞轮储能系统工作原理图 4567892:;8< 572;=25<6 :> 1?@@
飞轮是一个作定轴转动的旋转体， 储存的能量 ! 可表示为： # ! （#） # ! ! 式中， — —储 存 的 能 量， — —飞 轮 的 转 动 惯 量， !— #— ! " — —飞轮转动角速度。 !— 由此可见， 为提高飞轮的储能量， 有两个途径： 一是增加飞轮转子转动惯量， 二是提高飞轮转速。 前者可用于固定应用场合， 后者在对质量有严格要 求的场合有很好的效果
消除轴承的摩擦损耗是实现高效飞轮储能的关 键。轴承的选择对飞轮储能装置的成功设计至关重 要。飞轮转子的支承方式主要有超导磁悬浮、 电磁 悬浮、 永磁悬浮、 机械支承以及它们的组合等几种类
式中函数 ’ （ *） 为
(+ # , + # , 型。磁悬浮轴承由于具有高转速、 无磨损、 无需润 ’ （ * ）" ｛ （( + # , ） （ + # ,） $)4 $ , $)4 $ , $( * * 滑、 动态特性可调等突出优点， 为飞轮储能装置的研 * , ( （ （( + # , ） 究开发提供了条件。 # , $)4 $ , # *( $ ［ =4 * ( 飞轮转子的 0 个刚体自由度中， 除了绕转轴旋 ( （ + # ,） （ ,( # * (） ］ ｝ $ (=4 # =4 转的一个自由度以外， 其他 1 个自由度必须由磁悬 轴承的径向刚度为： 浮系统所控制。飞轮储能磁悬浮系统结构有 + 种拓 C’3 ［1］ -! " $ 扑结构可供选择 ： 从最简单的都是由被动永磁轴 C! ( 承组成的磁悬浮系统， 到最复杂的五轴主动控制的 $ % (. ［( （ ］ / & ）$ （ / & # ) ）$ （ / & $ )） 电磁轴承磁悬浮系统。由 2)3456.7 定理可知， 仅由 !&# 永磁轴承组成的磁悬浮系统是不可能获得稳定平衡 （,,） 的， 至少会留下一个坐标是不稳定的， 因此至少在一 式中函数 （ 为 / *） 个方向上必须采用机械轴承或主动式电磁轴承才能 使之稳定。而 1 轴控制的电磁轴承系统通常需要 提供 ,# 个传感器和 ,# 通道控制系 ,# 套轴承线圈、 统， 导致整个系统结构较为复杂、 体积较大和成本较 高。一个较为简单的方案是采用单轴主动控制的永 磁轴承与电磁轴承混合磁悬浮系统结构 （见图 (） 。 ! / # 径向永磁轴承承载力与刚度计算 径向永磁轴承是由一对相斥排列的高性能磁环
飞轮储能是一种新型的机械储能技术， 是将电 能、 转动能、 制动能， 或者诸如风能、 太阳能等自然能 转化成飞轮的旋转动能加以储存。与其他储能技术 相比， 飞轮储能具有大储能、 强功率、 高效率、 无污 染、 适用广、 无噪声、 长寿命、 维护简单、 可实现连续 工作、 可进行模块化设计制造等优点。在 !# 世纪， 这种储能技术势必会给能量储存带来一场革命， 展 示出绿色储能技术的发展前景， 在电动汽车、 航空航 天、 电网调峰、 不间断供电备用电源等诸多领域有着
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式中， — —磁 体 的 面 磁 极 密 度 （% " 0・ 1 ， 其中 %— — —磁极化强度， — —磁体表面法 线） ， — — 0— 1— ( %— 轴承 平 均 半 径， — —磁 体 厚 度， — —磁 体 宽 度， )— +— — —轴向位移， — —空气隙。 &— ,— 电磁推力轴承结构参数计算 !/! 电磁推力轴承的主要作用是控制飞轮转子的轴