飛輪儲能系統用集成式電動/發電機分解研究

尹建閣1，湯雙清1，曾東2

（1.三峽大學機械與材料學院，湖北宜昌4430022；2.嘉興電力局，浙江嘉興314000）

摘要：飛輪儲能系統中電能與機械能之間的轉換（即能量的雙向輸送）是以電機及其控制為核心來實現的，因而集成式電動/發電機的選型研究，對儲能系統的整體設計具有十分緊要的意義。解析了各類通用電機作為集成式電機的可行性及其局限性，以及在飛輪儲能系統中極具使用前景的其他電機結構特點和研究狀況。

由于飛輪儲能系統具有儲能密度高、瞬時功率大、充電時間較短、使用壽命長、不受充電次數限制、無污染等優勢，該技術的研究使用在節能和環保方面，都具有十分緊要的意義。

1飛輪儲能技術原理

飛輪儲能系統，主要由飛輪、集成式電動/發電機、非接觸式軸承、真空容器以及電力電子變換裝置等組成，工作原理示意圖如圖1。

系統儲能時，電能通過電力電子裝置變換后控制M/G工作于電動機狀態，帶動飛輪加速，電能轉化為機械能儲存下來；需要放能時，飛輪降速，M/G作為發電機，由飛輪帶動其轉動，將機械能轉化為電能，經電力電子裝置變換后，輸送給用電設備或回饋給電網（即并網發電）。

2高速儲能飛輪用電機性能要求

飛輪儲能系統中，電能與機械能之間的轉換，是以電機及其控制為核心來實現的。高速儲能飛輪用的理想電機，應具有以下性能要求：

⑴能量轉換可逆；

⑵輸出功率大；

⑶轉子能承受高轉速，易于高速運行；

⑷空載損耗低；

⑸可靠性高；

⑹轉換效率高；

⑺對軸承系統的運行具有很小的影響；

⑻能適應大范圍的速度變化；

⑼低造價，并結構簡單、運行可靠、易于維護等。目前，飛輪儲能系統所采用的M/G有通用電機以及特殊結構的電機。

3通用電機

3.1異步電機

由于異步電機主要用于電動機，下面結合在飛輪儲能系統中的使用，只解析其發電運行模式的原理。有兩種情況：

其一，接入電網。若把感應電機的定子接到電網，高速旋轉的飛輪作為原動機拖動電機，使轉子轉速超過同步速度，電機將向電網送出有功功率，此時電機就成為發電機。

其二，單機運行。感應發電機也可以單獨帶負載運行。此時需要在定子端點并聯一組對稱的三相電容器，另外轉子中要有一定的剩磁。在空載情況下，用高速旋轉的飛輪帶動轉子旋轉，使轉子的剩磁磁場切割定子繞組，在定子繞組中感生剩磁電動勢，并向并聯電容送出容性電流；容性電流通過定子繞組后，將萌生與剩磁方向一致的增磁性定子磁動勢和磁場，使氣隙磁場得到增強，最終也是獲得足夠高的電動勢，輸出足夠高的電壓，達到發電的目的。

與傳統的直流電機相比，感應電機有許多優勢，如高效率、高能量密度、出產制造工藝以及控制技術都十分成熟，但感應電機的缺點是極數少的感應電機用銅、鐵量大，增加了電機的重量，高速時轉子轉差損耗大，不容忽略。

3.2同步電機

同步電機包括很多種，如一般同步電機(電勵磁)、永磁同步電機(PMSM)、永磁無刷直流電機(BLDCM)，開關磁阻(SR)電機也是一種同步電機。與傳統的電勵磁電機相比，永磁類電機不需要勵磁繞組和直流勵磁電源，也就取消了容易出問題的集電環和電刷裝置，成為無刷電機，因此結構簡單，運行可靠，控制系統也較異步電機簡單。

PMSM與一般同步電機工作原理相同，輸入定子的是三相正弦波電流，所以諧波成分較少，可降低鐵耗。與感應電機相比，PMSM不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(可達到1甚至容性)，可以減少定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時，沒有轉子電阻損耗及其他相應的損耗，從而使其效率比同規格感應電動機提高2~8個百分點。

BLDCM結構特點突出，性能優越。首先，氣隙磁場為梯形波，由于矩形波電流和矩形波磁場的相互作用，在電流和反電勢同時達到峰值時，能萌生很大的電磁轉矩，且散熱好，提高了負載密度和功率密度。

其次，一般直流電機的電刷和機械式換向器被逆變器和轉子位置測試器代替。

再次，在原理和控制方式上，基本與直流電動機系統類似，所以比PMSM控制簡單，且逆變器萌生方波比正弦波容易，控制系統的成本會大大降低。

總的來說，永磁電機普遍具有體積小，質量輕，損耗少，效率低，形狀和尺寸靈活等優勢。但是永磁體的使用，存在失磁和退磁的可能，所以需要進行最大去磁工作點的校核計算，且不斷開發高性價比的永磁材料。同時，永磁同步發電機制成后，氣隙磁場調節困難，也限制了該電機的使用。當作為飛輪儲能系統中的集成式電機，由于轉速極高，空載時的鐵耗是損耗的主要部分，需要重點分解。

3.3開關磁阻電機

開關磁阻(SR)電機為雙凸極結構，基于磁阻最小原理工作。SR電機一般用作電動機，當由電動機狀態轉變為發電機狀態時，需要激磁（與異步電機單機運行情況相同），最終可獲得足夠高的電動勢，輸出足夠高的電壓，達到發電的目的。因此，SR電機應當兼有電動和發電的特性。與各類同步電機以及異步電機相比，首先，SR電機轉子無永磁體，不存在高溫退磁現象，空載時也沒有勵磁磁場造成的鐵磁損耗，提高了運行的可靠性及效率；其次，電機結構簡單、堅固，制造成本低，可工作于極高轉速。

在調速上，異步電動機要取得與直流電機相似的調速特性，需采用復雜的矢量控制系統，而開關磁阻電機通過調節開通度、關斷度、電壓和電流即可，控制簡單靈活。一直以來，SR電機由于直、交軸電抗比值不能造的較大，所以性能比異步電機低劣，但是采取了特殊的轉子結構——軸向疊片各向異性轉子(ALA轉子)，SR電機的性能得以提高，在飛輪儲能系統中的使用研究也逐漸增多。

3.4通用電機小結

對于通用電機，飛輪儲能系統工作在高速發電模式，從功率密度和效率來看，電機選擇次序為：永磁電機、感應電機和磁阻電機；從轉子機械特性來看，其次序需要顛倒過來，即：磁阻電機、感應電機和永磁電機[3]。在確定高速電機結構型式時，需要對其電磁和機械特性、控制方式和功率變換系統進行綜合對比研究。

4其他電機

4.1單極電機

單極電機（同極電機或非周期電機），是感應子電機的一種，通常其轉子沒有繞組，惟有若干作有規矩分布的凸出部分，而其定子裝有相互間作適當排列的主繞組和勵磁繞組，也可用永久磁鐵而不用勵磁繞組。

單極式感應子電機特點是：一個鐵芯下氣隙磁場的極性相同，經過轉子的磁通方向一定而不交變，因此轉子上不萌生渦流損耗；同時，轉子上沒有勵磁繞組或永久磁鐵等強度薄弱部件，可采用的實心轉子，能承受高速旋轉萌生的離心力，實現高速旋轉。與同型號的永磁電機相比較，其不足在于：磁路利用率較低，功率密度（功率/質量）不高；結構復雜，可靠性有所降低，且轉子較長。

文獻[4]給出一種針對飛輪儲能用的同極電機（結構如圖2），其中轉子的各視圖及由勵磁繞組萌生的磁通方向如圖3。該電機勵磁繞組固定在定子上，其軸線與轉子軸線一致。采用這種結構，首先可省去滑環簡化結構，其次轉子可由高強度整鋼做成，適于高速旋轉，此外冷卻簡單，繞組的空間大大增加，可以有效提高磁通，使無槽定子成為可能。

無槽好處在于，不僅不存在齒槽效應（諧波）在轉子上引起的一系列損耗，使同步單極式電機更加適合設計高速實心轉子，而且消除了定子齒的飽和問題，準許較高的氣隙磁通密度。文獻[5]在文獻[4]的基礎上設計的儲能500kJ轉速范圍50k～100kr/min的飛輪儲能系統用電機，轉子既用于電動/發電，又充當儲能飛輪，從而降低了系統的復雜度。定子腔體同時起到真空腔和爆裂保護裝置的作用。整體結構可靠，用料成本低，制造簡單，功率和儲能密度也能滿足電力質量、UPS以及電動車的使用。

4.2Halbach電機

Halbach電機是一種磁體特殊構型的永磁電機。通常的永磁電機設計，永磁體多采用徑向(垂直)或切向(水平)陣列結構。以4極為例，其示意圖分別如圖4中(a)和(b)所示。而Halbach陣列是將徑向與切向陣列結合在一起的一種新型磁性結構，如圖4中(c)(d)所示。圖5是分別使用Maxwell軟件仿真出的、對應永磁體陣列結構的磁通密度矢量圖。可以看出，徑向與切向永磁體陣列的合成(Halbach陣列)，使一邊的磁場加強，而另一邊的磁場減弱（如圖5中(c)(d)所示）。

氣隙磁通的增加，將意味著電磁轉矩的增大和電機出力的提高。

如保持電機出力不變，則可減小電樞電流和繞組電阻損耗，從而提高電機效率。轉子軛部磁通的減少，首先可相應減小轉子軛部的厚度，有利于提高功率密度[7]；其次將使得轉子軛部內由于電磁感應效應而萌生的電渦流減小，從而使得電機的鐵耗大大降低。如果磁場減小的一邊減小得足夠多的話，有形成單邊磁場的趨勢。這就為電機實現無鐵芯化提供了有利條件。常規磁體結構的永磁電機，由于鐵芯的存在，空載損耗很高，空載和負載運行時的不平衡磁拉力，對磁軸承系統的承載力和剛度提出了很高的要求，去掉鐵芯后能夠克服上述缺陷，但氣隙磁通密度很低，又無法滿足功率和轉矩要求。Halbach永磁電機很好的處理了這一矛盾，從而使電機具備體積小、重量輕、損耗低、功率密度高等優勢。此外，氣隙磁場正弦分布程度較高，諧波含量小，使得定子不需要斜槽即可降低鐵耗，非常適合電機高速運行。Halbach電機的這些特點特別適合使用于高速飛輪儲能系統中。

4.3盤式電機

盤式電機又稱軸向磁場電機（AFEM），一般具有軸向尺寸短、重量輕、體積小、結構緊湊等特點。尤其盤式永磁同步電機由于采用永久磁鋼激磁，轉子無損耗，電機運行效率高，由于定、轉子對等排列，定子繞組具有良好的散熱條件，可獲得很高的功率密度。

此外，這種電機還具有優越的動態性能以及多氣隙組合式結構，是現代高性能伺服電機和大力矩筆直驅動電機的發展趨勢，在高速飛輪儲能系統中該電機也具有使用前景。

S.Nagaya等指出，與RFEM相比，AFEM軸向和徑向負載較小，可有效降低常規電機的軸振動，所以能運行于高速且軸承的尺寸也較小，并在此比較基礎上，設計并制造了轉速為1萬r/min時，輸出功率為17kW的飛輪儲能用集成式盤式電動/發電機，其盤式（單定子單轉子）無槽電動/發電機如圖6所示，電動、發電效率均可達95%以上。

4.4其他電機小結

這里列舉了三種特殊的電機結構形式，在通用電機設計的基礎上，可單獨采用也可交織使用，例如永磁類電機可以考慮Halbach陣列及盤式無鐵心結構，單極電機也可采用盤式結構等。此外，還有一些特殊的電機結構型式，如印刷電路繞組電機，這是一種專為飛輪儲能系統設計的電機，勵磁繞組與電樞繞組由雙面印刷電路構成，處于軸向單極磁通中，如圖7所示。該類電機的優點不言而喻，但其容量及制造工藝有待進一步研究發展。

5結束語

電機的發展有近200年的歷史，種類繁多，結構不斷創新，性能不斷提高，特別是新材料、新工藝以及新控制技術的出現，原本有限制的電機其使用范疇也重新得以拓展。因此，作為飛輪儲能系統能量轉換的關鍵部分，集成式電機的選擇余地非常廣，并且依據儲能目標的不同，飛輪外形的變化及其與電機的聯接方式、集成方式的不同，電機的選擇或新結構的設計都將受到影響。此外，還要考慮飛輪儲能的神奇性，綜合考慮不同部件間的動力耦合、電磁耦合、機電耦合等，從而選擇性能優良且控制、制造成本較為經濟的集成式電機方案。

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