高速飛輪電機的研究與應用

高速飛輪電機的研究與應用

0高速永磁電機在葉輪發(fā)動機容量是一種機械能量儲存系統(tǒng)。具有儲能密度高、功率大、效率高、壽命長,無污染等優(yōu)點,可以廣泛應用于航空航天、電力調峰、不間斷電源、電動汽車、大功率電磁炮等眾多方面［1］。隨著磁懸浮技術、復合材料技術和真空技術的發(fā)展,現(xiàn)在的飛輪儲能系統(tǒng)主要以提高飛輪轉子的轉速來達到高儲能的目的,各種技術的進步使飛輪儲能技術的研究進入了“高速”發(fā)展階段,并在諸多領域獲得了實際應用,逐漸成為各個國家的研究熱點［2］。隨著飛輪儲能容量的不斷增大,研制轉速高、效率高、體積小的高速飛輪儲能電機對于飛輪儲能的發(fā)展至關重要。此外將高速永磁同步電機應用于飛輪系統(tǒng)中,也會帶來一系列涉及多領域的技術問題。本文分析和總結了20多年來國內外對飛輪儲能用高速電機關鍵技術的研究成果和最新進展。下面將從高速永磁電機的設計角度,討論高速永磁電機的關鍵問題:首先針對飛輪電機的特點,給出當前高速永磁電機的功率和速度等級;其次是總結目前飛輪用高速電機的主要拓撲結構,從電機結構上分析電機的性能;第三是轉子結構強度、結構穩(wěn)定性設計;第四是軸承設計問題,特別是磁懸浮軸承的技術和無軸承技術。第五是高速永磁電機的損耗、溫升計算和散熱技術問題。針對高速永磁電機關鍵技術的研究現(xiàn)狀和存在的不足,探討高速永磁同步電機技術的發(fā)展趨勢和研究方向,為高速永磁同步電機技術的發(fā)展及其應用提供有益的借鑒。1高速永磁電機的功率與轉速當前飛輪系統(tǒng)主要有兩種形式:一是電機與飛輪并行結構,電機通過轉軸與飛輪相連的如圖1(a)所示,這種結構的飛輪系統(tǒng)適合用于存儲容量較大的場合;二是電機與飛輪同心結構,電機采用外轉子結構,外側通過輪轂與飛輪本體連接如圖1(b)所示,這種結構的飛輪系統(tǒng)將電機與飛輪集成一體,使得系統(tǒng)的體積更緊湊,適合用于存儲容量較小的,可移動的場合。為實現(xiàn)儲能系統(tǒng)電能與機械能之間高效地轉化,提高飛輪儲能系統(tǒng)的儲能容量,要求飛輪儲能用電機具有高轉換效率,高旋轉速度,即轉子能夠承受高速旋轉的離心力且定、轉子損耗小,效率高。目前應用于飛輪儲能的電機形式主要有感應電機、磁阻電機、永磁電機(永磁無刷電機、盤式永磁電機和無軸承電機)等幾種。感應電機轉子結構簡單,不需要位置傳感器,成本低,能在高溫高速下長時間運行,然而感應電機的轉矩是通過轉差產生的,轉差頻率會在轉子中產生很大的渦流損耗,特別是在高速運行時,轉子損耗更加嚴重,導致感應電機的效率偏低,長時間運行時轉子發(fā)熱嚴重從而影響轉子的機械強度。開關磁阻電機轉子上沒有繞組,也沒有永磁體,結構簡單,高溫運行能力強,但其特殊結構也會產生一些缺點如:轉矩脈動大、噪聲大,且其運行時必須依靠傳感器獲取轉子位置信號,這將增加系統(tǒng)的復雜性。永磁電機以其高功率密度、高效率,可以運行在較高的轉速,因此得到了廣泛應用［4］。圖2給出了近年來國內外高速永磁電機的主要功率與轉速的等級。從圖2可以看出在實際的工業(yè)應用中高速永磁同步電機的功率等級和轉速總比仿真和實驗室的測試要低,且大多數(shù)是中小功率電機,這種電機的功率等級在幾百瓦至數(shù)十千瓦之間,轉速一般在幾萬到十幾萬轉每分鐘。近年來,隨著高性能永磁材料、電力電子技術、磁懸浮技術的發(fā)展及市場的需求,功率等級在數(shù)百千瓦,轉速在一萬到數(shù)百萬轉每分鐘的高速電機成為研究熱點。2高速永磁電機的結構永磁電機的結構多種多樣,按照磁路形式不同可分為徑向磁通式、軸向磁通式和橫向磁通式,按照定轉子位置不同可以分為內轉子式和外轉子式,按照定子有無鐵心可分為有鐵心和無鐵心結構,有鐵心結構又可分為有槽和無槽結構。美國宇航局(NASA)Glenn研究中心擁有先進的飛輪儲能技術,20世紀60年代NASA為了解決航空發(fā)射領域中能量的問題,提出了將飛輪儲能系統(tǒng)應用于航空發(fā)射領域。對用于飛輪儲能系統(tǒng)的高速永磁電動/發(fā)電機進行探討,對比了5中不同拓撲結構的永磁轉子,指出表貼式轉子結構具有較高的輸出功率。同時為了減小轉子渦流損耗采用了定子斜槽結構,如圖3所示。意大利的NicolaBianchi等人對不同拓撲結構的定子對高速永磁電機性能的影響做了研究。在文獻中,對比了定子開槽結構和無槽結構如圖4所示,指出有齒槽結構的定子有效氣隙較小,空載氣隙磁場大,但槽開口導致氣隙磁導不均勻,引起齒槽轉矩和轉子渦流損耗。無齒槽結構的定子結構不存在槽開口引起的轉子損耗,但其有效氣隙大,空載氣隙磁場小,且不易于繞組的安放。近年來,Halbach結構因其特別的充磁方式,產生一個單邊磁場分布,對于外轉子電機可以采用定子無鐵心結構,這種結構消除了高速電機的空載鐵耗和不平衡磁拉力,且具有較高的氣隙磁密,從而保證了電機的功率密度和轉矩密度。內轉子電機轉子軛部采用非導磁性材料,這樣大大提高了系統(tǒng)的功率密度,在飛輪儲能系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)越性［8］。美國LawrenceLivermore國家實驗室對比了外轉子傳統(tǒng)充磁方式電機與Halbach結構在飛輪系統(tǒng)中的各項性能,指出Halbach結構電機的空載損耗是傳統(tǒng)結構的1/10［9］。英國謝菲爾德大學的D.Howe等人將Halbach結構的外轉子無鐵心高速永磁電機用于電動汽車的飛輪系統(tǒng)峰值功率緩沖。電機的拓撲結構如圖5所示,每極由4塊燒結的釤鈷永磁體拼接而成,電機能在28kW,30-60kr/min的轉速范圍內連續(xù)運行,效率達到90%以上,最大可以輸出50kW的功率［10］。韓國忠南大學的Seok-MyeongJang等人對飛輪儲能用的高速PMSM做了大量的研究,在2000年對1kW/40000(r·min－1)的常規(guī)有槽,無槽環(huán)形繞組結構和Halbach無鐵心三種不同結構的永磁無刷直流電機就電壓、轉矩、損耗和效率等性能進行了對比,指出Halbach結構具有最高的效率和功率密度［11］。2006年研究了一臺如圖6所示的高速永磁同步電機,電機轉子為兩極,每極有多塊永磁體拼接而成,采用整體充磁方式,定子采用的是無槽的環(huán)形繞組形式。這種繞組形式有效地將電機繞組軸向端部轉移到定子鐵心軛部,使電機軸向長度縮短,解決了整數(shù)槽電機端部過長的問題［12］。2008年對一臺15kW,轉速18000r/min,定子為無槽結構,電機軸向長60mm,永磁體內外徑分別為46mm和59mm的高速永磁電機進行了研究,在考慮阻力矩的情況下,得到了電機在電動、空載和發(fā)電的動態(tài)性能［13］。2009年設計了一臺如圖7所示的30kW/20000(r·min－1)高速雙轉子永磁電機［14］,其轉子采用Halbach結構,定子為無鐵心結構,內外永磁體厚度分別為15mm和10mm軸向長度50mm,繞組和氣隙總厚度為33.5mm。這種結構的電機消除了定子鐵心的空載鐵耗和不平衡磁拉力,電機在轉速6000~13084r/min范圍內的效率均達到99%以上。北京航天航空大學對衛(wèi)星姿態(tài)用飛輪電機進行了大量的研究。2004年研制了一臺磁懸浮姿控儲能兩用飛輪如圖8所示,采用了新型Halbach磁體結構和無鐵空心杯定子結構電機,這種結構大大減小了飛輪的體積和重量,消除了定子鐵耗,并對電機的整體結構進行了集成設計優(yōu)化?；贐UCK斬波調速的鎖相雙環(huán)控制消除了導通區(qū)的電流脈動,降低了轉子損耗。沈陽工業(yè)大學的王鳳翔教授提出了一種有利于提高冷卻效率和增加轉子剛度的定子環(huán)形繞組結構。轉子永磁體為環(huán)形結構采用加工轉配后再整體充磁的工藝。定子繞組的下層邊放在定子鐵心槽中,下層邊分布在定子鐵心軛部外緣的槽中,使電機軸向長度縮短,解決了整數(shù)槽電機端部過長的問題,提高了轉子剛度,而且冷卻氣流直接冷卻定子繞組,提高了冷卻效率?，F(xiàn)已成功研制了磁懸浮軸承支撐如圖9所示的的75kW,60000r/min高速永磁電機［17］。盤式結構的永磁電機軸向結構緊湊,具有較大的氣隙長度,氣隙諧波含量少,可以使電機在過載時仍具有較高的效率,散熱面積大。將盤式電機用于飛輪儲能中具有諸多的優(yōu)點:電機軸向長度短,轉子振動不敏感;在高速運行時,磁軸承的控制復雜且損耗嚴重,然而盤式電機轉子可以自懸浮,節(jié)省了一套磁軸承;大直徑,高轉動慣量的轉子與飛輪轉子合二為一。浙江大學C.Zhang和新加坡南洋理工大學K.J.Tseng等人2008年聯(lián)合設計的250VA,20000r/min飛輪儲能用盤式永磁電機［18－19］的結構如圖10所示,電機為雙定子盤式結構,定、轉子結構分別如圖10(b)、圖10(c)所示,兩側定子繞組形成同相位的旋轉磁場,可有效提高電機的電負荷,電機的轉子位于雙層定子中間,轉子永磁體與定子繞組產生的軸向力,使飛輪轉子在軸向能夠自懸浮,轉子兩端各裝有兩個徑向磁懸浮軸承,用以實現(xiàn)徑向懸浮。電機的功率密度達到459.04W/kg。同樣的結構也被應用在2010年設計的4kW/60000r·min－1的永磁同步飛輪電機［20］中,該電機轉子共有兩套永磁體,分別位于轉子的上下表面,其轉子永磁體排布和定子結構如圖11所示,上層、下層永磁體極性相反,相當于永磁體串聯(lián),增大了永磁體的厚度,轉子功率密度達到400W/kg,效率為96%。TrongDuyNguyen等人于2010年設計了一臺24槽雙層繞組結構的盤式飛輪電機結構如圖12所示,永磁轉子與定子繞組產生的軸向力使飛輪轉子能夠自懸,基于轉子磁鏈定向控制,成功實現(xiàn)了同時控制電機的轉速和軸向位置［21］。2009年匈牙利的Za-lanKohari等人對超導磁懸浮飛輪用盤式永磁同步電機進行研究。研制了一臺100kW,15000r/min的雙轉子,定子無鐵心盤式結構的電機。由于沒有定子鐵心,磁力線直接通過繞組,在空載會引起定子繞組渦流損耗［22］。3高速永磁電機轉子結構轉子的應力分析及動力學研究是轉子機械設計的主要研究方向。其目的和任務是為轉子系統(tǒng)的優(yōu)化設計、提高效率、保證安全和延長壽命提供理論和技術上的支持與保障,確保轉子系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性。由于電機的轉速較高,轉子將承受很大的離心力,轉子設計時應合理的選擇轉子的長徑比,使轉子既有足夠的強度和剛度,又有足夠的空間安放永磁體,輸出需要的轉矩和功率。燒結而成的永磁材料不能承受高速旋轉產生的拉應力,為了保證永磁體在巨大離心力的作用下,承受的拉應力在永磁體的屈服強度內,需要在其外面加一層保護套。目前保護永磁體的方法主要有兩種:一是在采用高強度的非導磁不銹鋼護套;二是采用碳纖維綁扎永磁體［23］。除此外,轉子動力學問題也是不可忽略的。為了避免彎曲共振的發(fā)生,必須準確預測轉子系統(tǒng)的臨界轉速。確保轉子的工作轉速低于一階臨界轉速并在一定的安全范圍內。因此高速永磁電機轉子強度的準確計算和動力學分析是高速電機設計的關鍵技術。國內外已有學者對轉子結構強度和動力學做了大量的研究。文獻對一臺100kW,30000r/min,轉子采用鉻鎳鐵合金套筒與永磁體過盈配合,初始過盈量為0.2mm的高速永磁同步電機進行應力分析,提出減小永磁體與護套之間的摩擦系數(shù)可以減小永磁體應力。文獻給出了轉子護套過盈配合量的計算。文獻針對實心和空心杯兩種不同轉子結構的高速永磁同步電機的機械、電磁和動力學特性進行對比研究,分析其優(yōu)缺點及應用范圍。文獻利用磁懸浮轉子系統(tǒng)自身懸浮特性進行激振實驗,確定有限元模型中磁力軸承支承剛度,計算磁力軸承轉子系統(tǒng)臨界轉速并分析其振動模態(tài)。4磁懸浮軸承技術軸承是高速電機的核心部件。由于電機轉速很高,傳統(tǒng)的機械軸承磨損嚴重,摩擦損耗大,發(fā)熱嚴重,需要潤滑、冷卻裝置。而氣浮軸承、液浮軸承雖然解決了機械軸承的機械磨損,但其結構復雜,承載能力有限,裝置龐大,應用場合受限。磁懸浮軸承是一種利用磁拉力使轉子穩(wěn)定懸浮,實現(xiàn)定轉子之間的非接觸懸浮。該技術具有無機械磨損、無需潤滑冷卻且可以承受很高的轉速等優(yōu)點。高速電機的磁懸浮技術主要有兩種類:一種是磁力軸承;另一種是磁懸浮無軸承電機。4.1磁性材料轉子懸浮技術磁懸浮軸承按其工作原理可分為四類:被動磁軸承是利用磁性材料之間固有的作用力(吸力或斥力)實現(xiàn)轉子的懸浮。被動磁軸承結構簡單,功耗小,但承載力也較小,剛度與阻尼有限。一般在飛輪儲能中實現(xiàn)軸向懸浮。(2)轉軸控制單元主動磁軸承中的偏置磁場和控制磁場均是由繞組電流建立,產生可控磁拉力。其控制單元根據(jù)轉軸反饋的位移信號實時調節(jié)繞組電流,控制磁拉力的大小和方向,實現(xiàn)轉子的穩(wěn)定懸浮。主動磁軸承承載力大,控制靈活,剛度阻尼可根據(jù)具體應用場合調節(jié)。目前已廣泛應用到高速電機、飛輪儲能等高速領域。(3)省偏置農業(yè)改性混合磁軸承是利用永磁體代替偏置繞組建立偏置磁場。因此混合磁軸承可以節(jié)省偏置繞組,減小磁軸承的體積。隨著磁軸承應用場合對體積、損耗等性能要求越來越高,永磁偏置磁軸承在機電能量轉換、能量儲存、高速電機等領域顯示出突出的優(yōu)勢,目前已成為磁懸浮技術一個重要的研究和發(fā)展方向。(4)場間相互作用超導磁懸浮是利用超導體內部的感應電流與外磁場間的相互作用產生的。而超導體內部俘獲的磁通將保證超導體的側向穩(wěn)定性,從而使轉子系統(tǒng)穩(wěn)定的懸浮,而不需要其他任何控制系統(tǒng)。4.2電機的結構和訴訟原理磁力軸承技術雖然實現(xiàn)了轉子無接觸高速運行,但由磁軸承單元支撐的高速電機系統(tǒng)復雜,軸向較長,轉子臨界轉速較低,從而制約了電機功率和轉速的進一步提升。無軸承永磁同步電機同時具備永磁同步電機的優(yōu)良特性與磁懸浮軸承的特點,它省去磁懸浮軸承而實現(xiàn)自懸浮,使整個飛輪系統(tǒng)的結構更加緊湊。無軸承電機將是高速電機發(fā)展的一大突破。2010年日本M.Ooshima等人設計的飛輪電機為外轉子無鐵心永磁同步電機［28］,轉子外圍用碳纖維復合材料捆綁著,電機本身自帶懸浮力繞組,省去了一套徑向磁懸浮軸承的使用,使電機的結構更為緊湊。文獻中以0.8kW/5000(r·min－1)的電機為例,對其磁懸浮能力進行了靜態(tài)、動態(tài)測試,證明這種結構可以應用在飛輪電機中。但對其在高速電機中的應用情況還需進一步測試。電機的結構和繞組的示意圖如圖13所示。瑞士的T.Baumagartner等人在2012年對高速無軸承永磁同步電機進行了分析與設計,以50000r/min的電機為例,對其磁懸浮能力進行了測試,證明這種結構可以使電機在40000r/min以下穩(wěn)態(tài)運行［29］。電機的結構和繞組的示意圖如圖14所示。美國NASAGlennResearchCenter2012年設計的一臺可以實現(xiàn)5個自由度自懸浮的永磁電機［30］,結構如圖15所示,該電機由兩臺錐型無軸承永磁同步電機構成,可以在五個自由度上實現(xiàn)電機轉子的主動控制,取消了磁軸承,縮小了電機軸向長度和系統(tǒng)的無功損耗,提高了轉子的臨界轉速和系統(tǒng)的效率。與以往轉矩繞組負責控制旋轉和懸浮繞組負責控制懸浮不同的是,該電機通過對每對極下的繞組分開控制的方式實現(xiàn)所有繞組均參與旋轉和懸浮控制,利用每極下磁場的不同實現(xiàn)轉子的懸浮。國內對無軸承電機的研究起步較晚,目前,江蘇大學、南京航空航天大學、浙江大學等多家單位開展了對無軸承電機技術的研究工作。南京航空航天大學對一臺兩自由度無軸承永磁同步電機和三自由度磁懸浮軸承單元組成的高速電機進行了研究［31］。江蘇大學和蘇黎世聯(lián)邦工學院共同開展對4kW無軸承永磁同步電機的研究和應用工作,解決了傳感器檢測、降低功率損耗等關鍵技術問題［32］。浙江大學對感應型無軸承電機和永磁無軸承電機進行了電磁設計及運行控制研究［33］。5轉子導向率低的影響因素永磁同步電機轉子與定子基波磁動勢同步旋轉,因此通常忽略轉子渦流損耗。高速永磁同步電機諧波頻率較高,且由于定子開槽、定子磁勢的空間和時間諧波的存在,會在轉子中產生渦流損耗。盡管與定子鐵心損耗以及繞組銅耗相比,轉子渦流損耗較小,但是轉子散熱條件差,轉子渦流損耗可能會引起轉子較高的溫升。且永磁材料性能與溫度有關,尤其是對于居里點較低、電導率較高、溫度系數(shù)較大的釹鐵硼材料,過高的溫度會使釹鐵硼永磁電機性能下降,甚至引起磁鋼的退磁而損壞電機。因此轉子磁鋼渦流損耗的準確計算對于保證電機性能和可靠性都顯得尤為重要。國內外學者提出了多種計算轉子渦流損耗的方法,研究方法主要有兩種:一種為不計磁路飽和及齒槽效應,如解析法。事實上,磁路飽和與否會引起磁鋼內渦流分布發(fā)生較大的變化,定子開槽會引起氣隙磁導不均勻而帶來磁鋼渦流損耗,并且定子的極槽配合會導致空間與時間諧波的含量發(fā)生變化,進而對渦流損耗產生影響;另一種為計及了磁路飽和及齒槽效應的瞬態(tài)有限元法,但往往只計算總的磁鋼渦流損耗。英國謝菲爾德大學的Zhu.Z.Q教授做了多年的研究工作:2004年提出一個相對完整的基于極坐標的二維渦流損耗分析模型,這個模型考慮了曲率、時間和空間諧波以及感生的渦流磁場對氣隙磁場的影響［34］。但是這個模型忽略了由于定子開槽造成氣隙磁導變化的影響。2010年又提出了一個精確的子域模型(AnAccurateSubdomainModel),這個模型主要針對各種極槽配合的表貼式電機進行性能分析,計及定子開槽、徑向或平行充磁、內外轉子結構等因素的影響［35］。隨著轉子渦流損耗的計算模型的不斷完善,研究的重心落在了削弱轉子渦流損耗的方法上。主要的方法可以分為三類:一是永磁體分塊技術,包括永磁體軸向分塊和周向分塊。JasonD,KaisAtallah.等人研究了永磁體軸向分塊對轉子渦流損耗的影響,采用3D有限元對兩臺用于控制全電飛機機翼姿態(tài)的永磁同步電機進行研究,得出永磁體軸向分塊能夠有效地減小轉子永磁體渦流損耗［36］。文獻分析了磁鋼周向分塊對高速永磁同步電機的轉子渦流損耗的影響,分別考慮了磁體周向寬度小于諧波磁場在永磁體中的透入深度和磁體周向寬度大于諧波磁場在永磁體中的透入深度,證明了磁體周向寬度小于諧波磁場在永磁體中的透入深度時,永磁體分塊能有效地減小永磁體中的渦流損耗;反之,永磁體分塊會使永磁體中的渦流損耗增加。二是利用導電屏蔽層屏蔽高頻諧波磁場。文獻分析了保護套和屏蔽層對轉子渦流損耗的影響,對比了碳纖維/環(huán)氧樹脂和鈦合金對轉子損耗的影響,發(fā)現(xiàn)這兩種保護套對轉子整體的損耗影響不大,但導電率大的鈦合金有助于減小永磁體損耗,因此提出了在保護套和永磁體之間加一層高電導率的薄屏蔽層,結果發(fā)現(xiàn)這種結構有效的減小轉子損耗,轉子溫升由原來的240℃降低了70℃。文獻對有限長度實心轉子的屏蔽層厚度對渦流損耗的影響進行了分析。文獻研究了轉子護套開周向淺槽對轉子渦流損耗、風摩損耗及溫升的影響。證明在轉子護套上開周向淺槽改變了護套中渦流的分布可以有效減小高速電機轉子損耗,且不影響轉子護套強度。周向淺槽可阻隔渦流路徑,減小渦流損耗,同時還可以增加散熱面積,有利于降低轉子溫升。三是從定子側考慮,如減小槽口寬度,增大氣隙長度,采用無槽結構,采用合適的極槽配合和繞組型式,繞組電感以減小氣隙中的諧波等。文獻分析定子結構對轉子渦流損耗的影響,指出選擇合適的極槽配合、減小槽口寬度增加氣隙長度能減小轉子渦流損耗;文獻使用輔助槽減小高速永磁電動機的轉子渦流損耗。文獻探討了繞組電感對轉子渦流損耗的影響,指出電感值越大,電流變化越平緩電流的諧波分量越低,轉子渦流損耗越小。但是電感越大,電機的功率因數(shù)越低,所以合理的增加繞組電感可以有效地降低轉子渦流損耗。在電機的溫升計算和散熱技術方面,對于定子上的鐵心損耗和繞組中的銅損,采用合適的冷卻措施(如油冷或水冷)就可以把定子的溫度