飞轮电池储能关键技术研究.pdf

合肥工业大学博士学位论文匕轮电池储能关键技术哒 合肥工业大学博士学位论文摘 要飞轮电池是一种新型机电能量转换与储存装置，具有大储能量、高功率、无污染、高效 率、适用广、无噪声、长寿命等优点,有着广阔的应用前景。它主要由高速飞轮转子、磁浮 轴承系统、电动/发电机等组成，是一种典型的机电磁一体化产品。其研究涉及到机械、材料、电工、热工、计算机等多学科的交叉，国内外目前大都在研究原型装置，对设计理论与方法 尚未进行系统深入的研究，本论文则对飞轮电池储能涉及的两大关键技术飞轮转子设计 与英浮轴承及其相关技术进行了系统的理论分析与仿真研究。（第一章阐述了课题的研究背景与意义，分析了飞轮电池的储能原理及其关健技术，综述 了国内外的研究现状及其应用前景，提出了本论文研究的主要内容。第二章对飞轮电池储能能力及其影响因素进行了分析，对不同材料飞轮的储能能力进行 了比较和分析。在分析了飞轮转子各种应力分析方法优缺点的基础上，对不同材料不同结构 的飞轮转子的应力分布作了定量分析和比较。推导了复合材料飞轮的应力计算公式，并对飞 轮转子应力分布的影响因素进行了分析研究，提出了飞轮转子结构参数的设计方法。第三章对永磁轴承的稳定性进行了分析，提出了改善稳定性的方法，推导了永磁轴承磁 力与刚度计算公式，对各种构型永磁轴承的性质进行了分析研究。提出了采用有限元法分析 永磁轴承力学特性的分析方法，并就轴承结构参数对轴承力学特性的影响进行了研究。第四章对电磁轴承的基本理论进行了研究。在磁路分析的基础上，推导了磁力、磁通密 度和电感的计算公式。并对电磁轴承的两种电磁结构无永磁偏置与有永磁偏置电磁铁的 电磁力计算方法进行了研究，提出了一种引入修正系数的磁路计算方法，并对基于PD和PID 控制的电磁轴承力学特性进行了研究。第五章在分析了各种磁轴承系统拓扑结构的基础上，提出了一种新型的由径向永磁轴承 与轴向电磁轴承组成的单轴主动控制的飞轮电池磁轴承系统结构。对磁轴承系统的结构配置、结构参数计算、轴承悬浮特性等方面进行了详细分析与讨论，并建立了系统动力学模型。第六章在上述理论研究的基础上，提出了飞轮电池较为系统的设计过程和方法，并通过 对一种新型飞轮电池装置主体结构全面的设计分析与仿真研究，包括金属飞轮与复合材料飞 轮的设计、永磁轴承与电磁轴承的结构计算、控制系统设计以及电机选择、充放电控制等，验证了其设计方法的可行性。第七章对全文的研究工作进行了总结，给出了主要的研究成果和结论，并分析了本论文 的主要创新点，提出了有待进一步深入研究的问题方飞轮电池是一种应用前景广阔的新型绿色动力电池，论文对其储能关键技术的研究，既 有很大的理论和技术难度，又有重大的工业应用价值。关键词：飞轮电池，飞轮转子，永磁轴承，电磁轴承，力学特性，结构设计合肥工业大学博士学位论文ABSTRACTFl ywheel battery is a novel energy storage devic e whic h c an real ize energy c onversion between mec hanic al energy and el ec tric energy.It has many advantages inc l uding high energy storage,high power,no pol l ution,high storage effic ienc y;wide appl ic ation,noise free,l ong c yc l e l ife,and so on.Fl ywheel battery is a typic al l y el ec tromec hanic al and el ec tromagnetic al produc t with some main parts:high speed fl ywheel,magnetic bearing system,motor/generator,etc.The study of fl ywheel battery c onc erns the interc ross of many disc ipl ines,suc h as mec hanism,material,el ec tronic engineering,heat engineering,c omputer,and so on.In this dissertation,two main k ey tec hniq ues,the high speed fl ywheel rotor and the magnetic bearing,are investigated deepl y and systematic al l y.The main c ontents of this dissertation are as fol l owing:In Chapter 1,the bac k ground,sourc e,purpose and signific anc e of the subjec t are introduc ed.The princ ipl e and k ey tec hniq ues of energy storage for the fl ywheel battery are anal yzed.The international researc h situation and appl ic ation prospec ts of fl ywheel battery are al so presented.Based on this,the author brings up the main studying c ontents of this dissertation.In Chapter 2,the energy storage abil ity of the fl ywheel battery and its affec ting fac tors are anal yzed.The energy storage abil ity of different material fl ywheel s are c ompared and anal yzed.On the basis of the anal ysis of al l sorts of stress anal ysis methods,the stress distributions of fl ywheel rotors with different struc tures and different material s are anal yzed q uantitativel y and c ompared.The c omputation expressions of the stress fbr c omposite fl ywheel are derived.The affec ting fac tors on the stress distribution for the fl ywheel rotors are anal yzed and investigated.And the design method of struc ture parameters for the fl ywheel rotor is presented.In Chapter 3,the stabil ity of permanent magnet bearings is anal yzed.And the modified methods whic h c an improve the stabil ity of the permanent magnet bearings are studied.The c omputation expressions of the magnetic forc e and stiJBfhess of the permanent magnet bearings are derived.The c harac teristic s of the magnetic bearings with different struc tures are studied.The anal ysis method is presented,whic h c an anal yze the mec hanic al c harac teristic s of permanent bearings by using finite el ement method.And the infl uenc e of the struc ture parameters on c harac teristic s of the bearings is studied.In Chapter 4,the basic theory of magnetic bearings is investigated.Based on the anal ysis of the magnetic c irc uit,the c omputation expressions of the magnetic forc e,magnetic fl ux density and induc tanc e are derived.Two c al c ul ation methods of the el ec tromagnetic forc e are studied fbr two typic al c onfigurations of the magnetic bearings.One c onfiguration util izes the permanent magnet to provide a bias fl ux and the other c onfiguration has no sourc e of bias fl ux.Based on the simpl ified anal ytic al model,an improved anal ytic al model is devel oped by adding c orrec tion fac tors to the 合肥工业大学博士学位论文simpl ified model.The c harac teristic s of the magnetic bearings are studied based on PD and PID c ontrol strategies.In Chapter 5,based on the anal ysis of al l sorts of topol ogy struc tures of magnetic bearing systems,one singl e-axis c ontrol l ed system struc ture of hybrid magnetic bearings fbr fl ywheel battery is presented,whic h is made of two radial permanent magnet bearings and one axial magnetic bearing.The c omputation of the struc tural parameters and the suspension c harac teristic s of the magnetic bearing system are anal yzed and disc ussed in detail s.And the system dynamic model is buil t.In Chapter 6,on the basis of the above theory studies,the design proc ess and method of the fl ywheel battery is presented.The feasibil ity of the design method is al so verified through the designing a smal l fl ywheel battery devic e.The design c ontents inc l ude the design of the fl ywheel rotor of metal and c omposite material s respec tivel y,the struc ture c omputation of the permanent magnet bearing and magnetic bearing,the c ontrol design of the magnetic bearing system,the sel ec tion of the motor/generator and the c ontrol mode of energy input and output,and so on.The design sampl e and simul ation resul ts are al so provided.In Chapter 7,the main researc h findings and c onc l usions of whol e thesis are summarized.Til e main innovations are mentioned.And the future researc h projec ts of the fl ywheel battery are proposed.As a novel and green power battery,the fl ywheel battery has broad appl ic ation prospec ts.In this dissertation,the investigations on the k ey tec hniq ues of the energy storage fbr fl ywheel battery,not onl y overc ome many theory and tec hnic al diffic ul ties,but al so have great val ue in industrial appl ic ation.Key Words:Fl ywheel battery,Fl ywheel rotor,Permanent magnet bearing,Magnetic bearing,Mec hanic al c harac teristic s,Struc ture design合肥工业大学博士学位论文致 谢论文是在导师赵韩教授的精心指导和热情关怀下完成的，在此逆向导师表示最衷心的感 谢和最真挚的敬意。在我攻读博士学位期间，无论在学业、工作上，还是在生活上，都得到 了赵老师悉心的指导和真诚的关怀。特别是赵老师为学生创造了良好的科研条件和环境，将 作者引入到一个全新而宽广的学科研究领域，生活上给予极大的关怀和帮助，学生在研究工 作中取得的每一点进步和成绩都浸注了赵老师大置的心血与汗水。赵老师治学严谨，诚恳待 人，诲人不倦。赵老师宽广的知识面、活跃开阔的思维，对问题敏锐的洞察力，对科学的浓 厚兴趣，对学科的深刻认识，对产业的深入理解，都给我留下了深刻的印象。他那严谨治学 的态度、忘我敬业的精神、平易近人的工作作风，永远是学生学习的楷模，无时无刻不在感 染和激励着学生不断开拓和进取。衷心感谢师母张辉女士三年来对我学习、生活和工作等方面的帮助、关心和照顾。衷心感谢新型机电传动与控制研究所成员杨红博士后、董玉德博士后、田杰博士后、陈 科博士、黄康博士、王其东博士、钱立军博士、王勇博士、方艮海博士、高先圣博士、吕召 全硕士、朱凌云硕士、张彦硕士、张斌斌硕士、刘琼学士等在学习、工作上的帮助。衷心感谢机械与汽车工程学院刘正士教授、桂贵生教授仔细审阅了全文，并提出了宝贵 的意见.衷心感谢机械与汽车工程学院机械零件教研室各位老师的帮助和关心。衷心感谢上海交通大学机械与动力工程学院叶铭博士的帮助和关心。衷心感谢大学本科、硕士、博士各阶段的同学们，在与他们的一次次交流使我得以不断进步和提高。我能够专心学习，顺利完成学业，与我的父母、哥嫂的培养、鼓励和支持，女友袁晓梅 的鼓励、支持和帮助，以及她的父母的培养、鼓励和支持是密切相关的，在此向他们表示最 诚挚的感谢。感谢文中引用文献的所有作者们。感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。合肥工业大学博士学位论文第一章绪论1.1 引言21世纪人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问题已成为全球 最重要的话题。面对6。多亿巨大的人口，人类对能源的需求量越来越大。人们强烈地意识到,一方面要大力开发太阳能、风能等新能源和可再生能源，另一方面要大力节省能源、高效利 用能源。然而，能量存储是实现能源高效利用的重要途径，是当今社会解决能源危机的一个 重要方向。为此，无论是先进国家，还是发展中国家都制定出各自的政策，开展多种能源相 关技术的研究和开发，以达到用洁净的能源满足人民生活的需要。飞轮储能(Fl ywheel Energy Storage)是一种古老的储能思想。飞轮作为一种简单的机械 储能元件，已被人类利用了数千年。在古代从陶工的制坯机械、古老的纺车，到18世纪工业 革命时期发明的蒸汽机：在现代从小孩玩具、汽车发动机，到航天飞行器姿态控制用的陀螺,都用到了飞轮。但这些大大小小的飞轮都是以均速为目的，储存的能量少，储存的时间短。然而，一种以大容量储能为目的而研究开发的飞轮储能技术倍受重视。早在20世纪50 年代就有人提出利用高速旋转的飞轮储存能量，并设想将其用于电动汽车，但由于当时技术 条件的限制，一直没有取得突破性的进展。进入90年代以来，由于在以下三方面取得了突破，给飞轮储能技术的发展带来了新的活力和新的契机：一是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，飞轮允许线速度可达50a4000m/s,大大增加了单位质量的动能储:二是电力电子技术的新 进展，给飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了灵活的桥梁；三是磁悬浮技术的发展，配 合真空技术，极大地降低了机械磨擦与风阻损耗网，高技术型的飞轮用于储存电能，就很像 标准电池，于是人们提出了一种新概念飞轮电池(Fl ywheel Battery)。飞轮电池概念一经 提出，便以其储能密度高、体积小、质置轻、充电快、寿命长、无任何废气废料污染等特点，被认为是近期最有希望和最有竞争力的储能技术，有着非常广阔的应用前景，引起国际能源 界与工程界的极大关注。1.2 研究背景与意义飞轮电池的提出，主要还是由发展电动汽车而起。当今世界汽车的废气排放和噪声污染 已形成严重公害，而电动汽车则以电池为动力电源，可实现零排放和低噪声，适应环境保护 的要求，不污染生态环境，被称为名符其实的绿色环保交通工具，具有十分广阔的发展前景。因此电动汽车的研究开发备受关注，成为未来汽车发展的方向。目前，制约电动汽车发展的关键因素是动力电池不理想。其中一个主要原因是动力电 池单位质量存储的能量太少，无法保证较长距离的行驶。如目前广泛应用的铅酸电池，1k g重 仅能储存40Wh的电能，而1k g汽油为1200Wh,一辆普通轿车携带50k g汽油(约占其总重 的3%)可行驶700k m,而同样轿车带400k g铅酸电池(约占其总重的25%)只能走140k m。其次由于电池能量不足，只能用小功率电机，形成“小马拉大车”，其动力性能较差，如最大 加速能力、最高车速、最大爬坡能力等均受影响。此外，电动汽车用电池成本高，又没有形 2合肥工业大学博士学位论文成经济规模，故价格较贵，而且寿命短，致使电动汽车的购买成本和使用成本高，因而大大 限制着它的推广和应用。现代储能工具的缺陷已成为电动汽车发展的瓶颈，因而急切需求寻 找新型高效储能装置作为电动汽车的动力电源。鉴于上述情况，一些国家把电动汽车的开发重点放在电池上因。早在1991年美国政府 和工业界集资2.3亿美元，用于资助电动汽车电池的研究。同年，美国汽车三巨头（通用、福 特和克莱斯勒）在能源部的支持下，还有电力研究协会的参与，共同集资组成了美国国际先 进电池联合会（USABC）,具体组织电动汽车用电池的研究与开发工作。欧盟也在支持飞轮电 池的研究项目，英国Sheffiel d大学Mason教授领导的电动汽车飞轮电池设计小组，其设计的 飞轮转速达到60000r/mino寻找新型高性能电池作为电动汽车的动力源，一直是人们关注的热点。电动汽车可能存 在的供能方式主要有：太阳能、电化学、氢、飞轮电池。目前太阳能电池由于其昂贵的造价 而难以进入实用。从1945年开始研究蓄电池在电动汽车中的应用至今，铅酸蓄电池成为在经 济上和技术上都比较合理的选择，但重量、体积和使用寿命却是难以克服的弱点。铅酸蓄电 池储能密度太低，充电一夜只能续行75W50k m,降低了汽车的使用性能【刈。氢燃料虽然在资 源丰富、高能量密度等方面具有无法比拟的优点，但在制取和储存上的困难使得也难以即刻 投入应用。飞轮电池在储能密度、输出功率和使用寿命上的优越性，以及它的技术发展前景.使它成为目前有可能在经济性上取得突破而首先投入实用。作为一种以动能方式存储能量的机械电池，飞轮电池主要是用电能将转子的转速提高到 每分钟10万转以上而变成机械能来存储，当转子减速时则将此机械能转化成电能释放出来，为电动汽车等提供动力能源。根据理论分析，飞轮电池的储能密度为铅酸蓄电池的3倍以上，一次充电后可使汽车获得的动力与汽油发动机汽车相媲美。除了用于电动汽车外，飞轮电池 还可以用于许多地方【川”明在电网的调峰中飞轮电池比抽水蓄能具有更多的优点：在家庭、宾馆、办公室等应用可使其享受便宜的电价；在航天器中利用飞轮系统可以同时完成能量存 储和姿态控制两方面的功能，使航天器的重量得到较大幅度的减轻；它还可以作为不间断电 源和有效利用其他能源如太阳能、风能的辅助装置等。飞轮电池储能技术在国外得到了蓬勃发展。从国外近十年来研究进展情况看，飞轮电池 作为一种替代性工具，已经具备了强大的竞争力，并且飞轮电池以其独特的优势在军事、交 通、能源、宇航等部门开拓了广阔的应用前景。其中在风力发电、电动汽车、航天卫星、大 功率设备等诸多领域投入了实际运营，取得了一定的成效I贝5也久以飞轮电池作储能装置，其可行性目前已无人怀疑。大规模的工业应用虽然还存在不少技术问题需要解决，但这只是 时间问题。我国是一个能源大国，更是耗能大国。立足于我国的国情考虑，电动汽车、电网 调峰将是一个巨大市场。利用飞轮储能是工业中一项广泛采用的技术，飞轮储存的动能与其转动惯量和旋转角速 度的平方成正比。因此提高飞轮的储能总量有两个途径：一是增加飞轮轮缘质量以增大转动 惯量，二是提高飞轮的转速。前者可用于冲压等机械，由于机构笨重显然不适合汽车工业；后者在对质量有严格要求的场合有很好的效果（转子的动能与其转速的平方成正比），但受三 个方面的制约，其一是要保证飞轮轮缘材料在离心力作用下不会因强度不足而断裂，应限制 飞轮的转速，从而限制了飞轮储能总量：其二当飞轮在连续超高速旋转时，轴承会发热、升 温、失效，润滑油会变质，也需要限制飞轮的最高转速；其三，当飞轮转速很高时，空气阻 力和轴承摩擦力矩所消耗的能量都会显著增加，使飞轮的储能效率降低。由此可见，利用提 合肥工业大学博士学位论文3高飞轮转速来增加飞轮储能总量的途径必须克服飞轮轮缘材料强度约束、轴承发热及摩擦阻 力消耗等技术难题。近年来高强度复合材料及磁轴承技术的发展为解决上述难题提供了新思 路：采用真空下磁悬浮轴承支承的复合材料飞轮超高速旋转来储存能量。磁悬浮轴承消除了 传统机械轴承连续高速运转的发热失效问题和摩擦阻力消耗问题：采用高强纤维缠绕成型制 成的复合材料飞轮可以承受20万r/min以上的超高速旋转而不发生破坏。这两项技术的结合 运用使得飞轮电池的储能总量与储能密度都得到大幅度的提高。与发达国家相比较，目前我国的技术水平与投资规模较低，对飞轮电池的研究还处于起 步阶段。特别是如何研制出能够适用于电动汽车和家庭的飞轮电池，国内更是没有涉及。虽 然国外飞轮电池技术的研究取得了很大进展，但远没有达到取代其他电池的水平，要研制出 这种装置，需解决一系列的技术难题，主要有：飞轮转子设计、磁浮轴承技术、真空技术、变频技术、合理的结构设计等。本论文就飞轮转子设计与磁浮轴承技术这两大关键技术难题 进行探索，为新型飞轮电池的实用设计与制造提供理论基础。本论文工作得到国家自然科学基金项目“磁力机械学系统及理论研究”（59975027）、教 育部博士学科点专项科研基金项目“电动汽车用飞轮电池的关键技术研究”（20010359001）和安徽省国际合作资助项目“电动汽车用飞轮电池的关键技术研究”（01088015）等的资助。1.3 飞轮电池储能原理及其关键技术飞轮电池，又称电动机械电池（El ec tromec hanic al Battery）,是一种机电能量转换与储存 装置。飞轮电池是以高强轻质复合材料与低损耗碳轴承的出现为契机，在化学蓄能电池难以 取得实质性突破的情况下，为储能技术带来了新的希望。它突破了化学电池的局限，用物理 方法实现储能，是一种新兴绿色能源技术，在储能家族中扮演了一个独特的角色，为电动汽 车和其它应用提供了一种无污染的新能源。1.3.1 飞轮电池储能原理飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电池。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转 时，它就具有一定的动能，飞轮电池正是以其动能转换成电能的。飞轮电池一般是由高速飞 轮、电动/发电机、轴承支承系统、功率电子变换器、电子控制设备以及附加设备（如真空泵、紧急备用轴承）等组成，是一种积木式的集成系统同。图1/是飞轮电池储能工作原理图。飞轮电池在充电时，利用现代功率电子技术，由工频电网提供的电能，经功率电子变换器.驱动电机带动飞轮高速旋转，飞轮就以动能的形式把能量储存起来，从而完成电能机械 能转换的储存能量过程。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，即放电时，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 出适用于负我的电流与电压，从而完成机械能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、储存和输出过程同。电网功率电子 负载变换器图1-1飞轮电池储能工作原理图4合肥工业大学博士学位论文飞轮是一个作定轴转动的旋转体，储存的能量E可表示为；E=-I（o2（1-1）2式中I飞轮的转动惯量；。飞轮旋转角速度。为了提高飞轮电池储能量，有两个途径：一是增加飞轮转子的转动惯量，二是提高飞轮 的旋转速度。前者可用于固定应用场合，后者在对质量有严格要求的前提下有很好的效果（E 正比于L3.2关键技术分析虽然早在20世纪50年代就有人提出了利用高速旋转的飞轮储存能量，并将其用于电动 汽车的设想。当时受材料以及技术等方面的制约，它的潜在价值没有充分体现出来。飞轮电 池储能装置不仅要求重量轻，而且要求有高效率，而高效率要靠减小摩擦损耗、提高电机效 率与能量转换效率等各个环节共同来保证，这就涉及到几项关键技术。1 3.2.1飞轮转子设计飞轮电池的一个重要组成部分是高速旋转的飞轮转子，对于其飞轮转子的设计，一般考 虑三方面的问题皿：一是飞轮本身的强度问题，它限定了飞轮的最大储能量；二是飞轮材料 的选择，要求材料具有较高的比强度：三是飞轮的结构形式。飞轮的旋转速度及其结构尺寸受到飞轮材料的强度所限制。由飞轮储能原理可知，飞轮 储存的能量与飞轮转子的转动惯量成正比，与飞轮转子的旋转速度的平方成正比。飞轮在高 速旋转的工作状态下受到离心力的作用，这个离心力造成飞轮转子内部应力增大，材料的许 用应力限制了飞轮的转速不能无限地升高，从而使得飞轮储存的能量受到限制。对于一个薄 壁圆环的旋转飞轮，它所储存的能量与材料的许用应力的关系为E=mr2（D2-Io）1 w（1-2）2 2 p式中 E飞轮的动能：加薄壁圆环的质量；r圆环的旋转半径；勿飞轮旋 转角速度；I飞轮的转动惯量：M飞轮材料的许用应力；p飞轮材料的密度。任何储能装置一个重要的性能指标就是它的储能密度，即单位质量的储能装置所储存的 能量。为了飞轮电池的小型化和携带方便，在设计飞轮时一般都希望其质量不能很大，同时 又要受到工作空间的限制，因此要求它具有较高的储能密度。对于结构、几何尺寸一定的飞 轮，其储能密度（质量储能密度）由下式确定：式中 Ks由飞轮的断面形状决定的形状系数。由式（1-2）和式（1-3）可知，要想获得较大的能量储存和较高的储能密度，必须选用高 比强度（H/0）的材料来制作飞轮。早期的飞轮电池研究多数采用高强度钢和铝合金材料制 作飞轮。随着材料技术的发展，现代高强度复合材料曲应用迅速扩大。玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和石墨纤维的高比强度特性使其在制造复合封料飞轮转子方面极具吸引力。有研究表明，阻碍飞轮电池储能密度提高的主要问题是飞轮自身的损伤和断裂。选择高 比强度的飞轮材料是提高飞轮电池储能密度的先决条件，其次才是飞轮的结构设计。飞轮材 合肥工业大学博士学位论文5料不同，其结构也可能不同，而且金属材料与复合材料是两种性质不同的材料：金属材料是 各向同性材料，而复合材料是各向异性材料，在沿纤维方向表现强度很高，在垂直纤维方向 强度却很低，沿纤维方向的强度是其他方向上的强度的10。倍口曳材料性质不同将导致其飞 轮的设计概念与设计方法有很大区别分析飞轮在高速旋转时的应力可知，切向应力大于 径向应力。为发挥复合材料其纤维方向强度高的特点，同时避免其横向强度低的局限性，以 及复合材料缠绕加工工艺较复杂，不易制作形状复杂的飞轮，飞轮转子较多地采用环向缠绕 的等厚度多层圆环结构（见图1-2）。转子是由分离的薄壁圆环体组成，而薄壁圆环体是由高 强度纤维材料缠绕而成，在圆环之间填充的是聚合物母基如环氧树脂。为充分发挥材料的性 能，提高材料的利用率，在应力较大的内环采用高强度的跋纤维材料，其余部分采用不同强 度的玻璃纤维材料。为最大化飞轮的储能量，还需对飞轮结构进行优化。图1-2复合材料飞轮转子的多层圆环结构1.3.2.2磁轴承技术飞轮电池储能的一个特点是，在相当长的待机时间里，飞轮仍不停地高速旋转。因此，要保存飞轮的旋转功能，消除轴承的摩擦损耗（这也是延长轴承寿命所必须的）是实现高效 飞轮电池的关键。对轴承支承系统的要求是，承受重载，损耗少，寿命长，维护方便等。采用传统的机械轴承来支承飞轮转子等旋转部件，轴承的摩擦系数较大，仅适用于短时储 能，不适宜用在高速飞轮电池中用作飞轮转子承重用的轴承。然而由于其结构简单紧凑、坚 固，一般可以作紧急状态时的备用轴承。近几年来，以超高速磁悬浮列车为代表，采用磁力将物体悬浮的技术已趋于实用阶段，对旋转体来说，替代过去的机械轴承，实现非接触的磁悬浮轴承，由于它具有无接触、无摩 擦、振动小、无需润滑、工作寿命长、密封结构简单，并可使旋转机械的振动特性得到显著 改善等一系列优点，受到人们的重视，尤其是对于以航空航天和机械工业应用为背景，已经 进入实用化研究阶段（冽切。磁悬浮轴承按照其对位移的控制形式可以分为主动磁轴承（Ac tive Magnetic Bearing,AMB）和被动磁轴承（Passive Magnetic Bearing,PMB）.在磁悬浮领域中，应用最为广泛的就 是主动磁轴承闽四。在飞轮电池储能装置中也不例外，采用主动磁轴承支承大大降低了摩擦 损耗。图1-3是采用主动磁轴承支承的飞轮电池储能装置结构简图。近年来，由于高温超导材料的出现，许多国家正在开展以高温超导磁轴承研究为中心的 飞轮电池储能系统的研究网网2913纥图1.4是采用高温超导磁轴承支承的飞轮电池储能装置 结构简图。系统中的高温超导磁轴承是利用永磁体的磁通被超导体阻挡而产生的排斥力使飞 轮处于悬浮状态的原理制造的。由于这种排斥力具有自控性，与主动磁轴承不同，它无需供 电，也不需要复杂的位置控制系统,具有转速高、摩擦小的优点，而且还可以使轴承结构紧 凑和小型化。6合肥工业大学博士学位论文图1-3主动磁轴承支承飞轮电池图14超导磁轴承支承飞轮电池体超2二轮磁温 N 飞永高然而，采用主动磁轴承因其体积大、需要消耗较大的控制功率、临界转速低、成本高叫,因而很难适应于超高速运行以及小型、超小型的结构中。采用高温超导磁轴承，目前技术尚 未成熟，而且需要复杂的制冷装置因），不利于装置的小型化。因此以上两种轴承支承方式都 不是很理想。近年来，稀土永磁发展较快，出现了许多高性能的永磁材料，如钦铁硼永磁、彩钻永磁 等，可以采用永磁体制成刚度大、对称性好的磁轴承，称之为被动磁轴承、永磁轴承囱。然而仅采用永磁轴承是不可能获得稳定平衡的，至少需要在一个方向上必须采用机械轴承或 主动磁轴承才能使之稳定“2瞰37）。基于上述种种考虑，将永磁轴承和电磁轴承的稳定作用结 合起来，构成一种具有最小能耗的磁轴承支承系统，在支承系统中永磁轴承将大大减轻系统 负荷，从而可以减小主动磁轴承的功率损耗。可以预计，这种被动磁轴承与主动磁轴承混合 控制的轴承系统是未来的发展趋势之一，可以很好地应用于高速旋转机构的轴承制造中13叫1.3.2.3电动/发电机及能量转换飞轮电池储存的机械能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心来实现的，电 动/发电机集成为一个部件，飞轮电池在充电时作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，从 而带动飞轮转子加速旋转，直至达到设计的最高转速：而在放电时作为发电机运行，向外输 出电能，此时飞轮转速不断下降。飞轮电池在充电和放电的过程中，飞轮转速在不断变化，电动/发电机的转速也陵之变化。因此，除采用高效率的电动/发电机外，还必须配备一个高效 的功率电子变换装置，以使飞轮电池在充电时能与频率和电压基本恒定的电网相联，在放电 时能满足负载的频率和电压的要求支为适应飞轮的高速旋转要求，有四种电机可供选择【叫|70口4小68）；感应电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机、永磁无刷直流友流电机，其中永磁无刷电机具有调节控制方便、调速范围宽、转子损失低、易于实现双向功率转换等优点，在飞轮储能应用中有很大吸引力。20世纪80年代以来，电力电子学的迅猛发展，特别是高频、大容量场控器件（如绝缘栅 双极型晶体管1GBT）急速商用化和广泛应用，为电机变频调速创造了有利条件1研，不仅功率 变换效率高，而且利于飞轮储能装置的小型化。因此新的大功率开关器件、先进的转换回路 和变压器的组合使这一技术成为可能。图15是飞轮电池功率变换装置的原理图。整流器的作 用是将工频交流电通过二极管整流为恒定电压的直流电。PWM（脉宽调制）逆变鞋的作用是 合肥工业大学博士学位论文7将直流电经过脉宽调制变为频率可变及电压大小也可变的交流电，电压波形常见为正弦波或 方波。储能/放能控制器的作用是在储能或放能时，采用不同的控制方法，控制主电路半导体 元件的开通和关断，完成脉宽调制，使逆变器输出电压符合需要的频率大小和波形，满足飞 轮加速（储能）或减速（放能）的需要。图1-5功率变换原理图1.4 研究现状与文献综述飞轮电池是一种高科技机电磁一体化产品，其设想始于20世纪50年代，在70、80年代,有关飞轮电池的研究日趋密集，进入90年代以后，更是一种异彩纷呈的景象，成为国际研究 热点之一。目前美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大、意大利等工业强国正在大力开展 飞轮电池研究与开发，并取得了很大进展，开始由实验室研究转向试运行与实际应用，并向 产业化、市场化方向发展。我国在飞轮电池技术的研究刚刚起步，近几年来从事飞轮电池研 究的单位有清华大学、中科院