提高超导飞轮储能系统性能的新方法
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
石家庄铁道大学电气与电子工程学院、中国科学院电工研究所应用超导重点实验室的研究人员余志强、孙晓云、邱清泉、刘玉芝、闻程，在2019年第10期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“电机外置式径向型高温超导飞轮储能系统样机悬浮测试及旋转实验”），建立一台小容量电机外置式径向型超导飞轮储能系统样机，详细介绍样机结构及主要部件。
采用灌封和粘接两种工艺，建立两套超导定子并对其进行悬浮测试。基于所建立的有限元数学模型研究样机超导轴承的磁场分布以及超导块材中的电流分布，得到其相应的变化规律。对安装了粘接超导定子的样机进行动态旋转实验，测量转子在不同稳态速度下的自由旋转和径向振动，分析其旋转特性，采用二范数研究转子径向振动幅值的变化规律。
结果表明振动与旋转特性密切相关，低于共振点时转子振动随转速的上升而显著增加，进而导致转子转速不能持续上升。采用组合轴承系统限制转子振动幅度是提高系统转速和机械稳定性的有效方法。
高温超导（以下简称超导）体具有很多优良特性，其中抗磁性和磁通钉扎特性可以实现无源自稳定悬浮，因而备受瞩目。目前超导体及相关技术越来越多地应用于工业领域中，而超导飞轮储能系统和磁悬浮车（Maglev）被认为是最具潜力的超导装备之一。
超导飞轮储能系统（Supercon- ducting Flywheel Energy Storage System, SFESS）除了具有常规飞轮储能系统的高储能密度、高转换效率、大功率密度、长寿命、短时充电以及绿色环保等优点外，其超导磁悬浮所具有的无源自稳定性，使悬浮轴承完全省去了外部控制。超导飞轮储能系统能够应用到风力发电、太阳能发电以及电力系统中，必将对未来的电网产生深远影响。
在过去的二十年里，国内外已经成功地研制出多款超导飞轮储能系统样机。
2007年，美国波音公司（Boeing）设计了1台5kW·h/100kW超导飞轮储能系统样机。在此基础上，2009年又研制出5kW·h/3kW超导飞轮储能系统。波音的超导飞轮储能系统采用轴向型超导轴承，具有较小的损耗。德国ATZ公司在2007年制造了1台5kW·h/250kW的超导飞轮储能系统，采用径向型超导轴承，转子重450kg。
2006年日本国际超导产业技术研究中心（ISTEC）研制了1台10kW·h/100kW超导飞轮储能系统，采用1个径向型超导轴承（外转子型）和2个有源轴承悬浮转子来抑制振动。ISTEC改进了冷却系统结构，采用中心轴冷却超导块材，并详细研究了系统的整体损耗。
2012年韩国电力研究院（KEPRI）开发了1台35kW·h样机。为了提高刚度，KEPRI设计并采用了两套混合轴承组件，每套包含1个径向型超导轴承和1个有源磁阻尼器。目前该样机已应用于地铁站电力系统的削峰平波。
2016年，日本的古河电气公司（Furukawa Electric Corporation, FEC）研发了1台300kW的超导飞轮储能系统，其超导轴承的定转子均由超导材料制成，即定子采用REBa2Cu3Oy超导带绕制，转子由YBa2Cu3Oy制成盘状，其悬浮质量达到4t。到目前为止，该系统已应用于铁路电力网中。
为了减少损耗，葡萄牙的里斯本大学（ULisboa）在零场冷条件下对径向型超导轴承进行了静态测试。伊朗科技大学（IUST）采用盘形超导块材制造超导定子并优化了它的结构。巴西里昂联邦大学（UFRJ）和土耳其盖布泽技术大学（GTU）也进行了相关研究。
2001年，中科院电工所研制了1台混合型超导飞轮储能系统，包含1个轴向型超导轴承和2个有源轴承。课题组对径向型超导轴承和超导飞轮储能系统的结构进行了相关研究：研究永磁转子的磁场特性、优化轴承结构、建立有限元数学模型分析悬浮特性、利用3D测试平台测量轴承悬浮和径向刚度以及设计与优化低温泵的轴承结构等。
为了验证径向型超导飞轮储能系统的基本原理，探索其运行的基本规律和特性。在前期工作的基础上，研制了1台小功率的超导飞轮储能系统样机，采用径向型超导轴承和外部电机驱动，转子完全由径向型超导轴承悬浮，省去了外部控制的有源轴承，整体设计难度和复杂度较大。本文将介绍样机的悬浮测试及旋转实验，并对其电磁特性和旋转特性进行讨论。
1 样机设计
超导飞轮储能系统样机结构如图1所示，其主要部件包括增强型复合材料制成的质量为3kg的飞轮、2kW无刷永磁直流电机、径向型超导轴承、保护轴承以及提供真空环境的真空腔。样机设计参数见表1。整个系统固定在支撑台上，真空腔与台面之间用螺栓固定。
飞轮本体和超导轴承永磁转子均套装在主轴上，转子的套装顺序应先进行主轴与飞轮的套装，其方法是利用主轴与飞轮的热膨胀系数不同，在高温条件下进行加热，将主轴穿过飞轮中间的铝合金轮毂，再进行降温。由于飞轮铝合金轮毂的收缩率大于无磁不锈钢主轴的收缩率，因此主轴与飞轮以压应力紧密结合在一起。
在装配超导轴承的永磁转子时，由于永磁环的装配采用同极相对的方式，从而产生了较大的斥力，所以需用夹具夹紧，并用胶粘牢。装配完成后主轴端部的永磁环用轴套卡紧，防止在主轴高速旋转或大功率放电时松动弹出。电机由固定在飞轮运行腔体盖板上的支架支撑，并用螺栓固定。
电机轴通过柔性联轴器与主轴连接，在确保同轴度的情况下通过联轴器驱动飞轮转子旋转。当系统停止工作时，转子由主轴底部的止推保护轴承支撑。下面分别介绍主要组成部件的结构和参数。
图1 超导飞轮储能系统样机结构
表1 样机设计参数
1.1 飞轮本体
飞轮是储能系统的核心部件之一，是承载能量的部件，这就要求其结构设计必须在有限的体积或质量下提高转动惯量和角速度，以获得高储能密度。目前，制作飞轮的材料一般为不锈钢、玻璃纤维或碳纤维复合材料。飞轮形状主要采用多层空心圆柱状和环状，此外还有纺锤状和伞状等。本样机的飞轮本体结构与转子3D图如图2所示。
飞轮本体主要由玻璃纤维、碳纤维增强复合材料和铝合金轮毂组成（见图2）。飞轮质量为3kg，其外径为160mm，内径为20mm，转动惯量（J）和设计转速分别为0.052kg·m2和20000r/min。当转子转速为10000r/min（即额定转速）时，根据公式，飞轮最大角加速度为19.23rad/s2，飞轮边缘最大线加速度为3.07m/s2。
图2 飞轮本体结构和转子3D图
在设计转速20000r/min下对飞轮在旋转载荷下的径向应力、径向位移以及环向应力进行仿真，计算结果见表2。结果表明飞轮外径径向变形、最大环向拉压应力以及最大径向拉压应力等参数完全满足设计要求。
表2 参数计算结果
1.2 径向型超导轴承
本样机的轴承系统由1个径向型超导轴承和3个机械轴承组成，超导轴承的作用是悬浮转子并抑制其径向振动，保护轴承的作用是使转子不受径向和轴向损坏。径向型超导轴承结构如图3所示。
图3 径向型超导轴承结构：3D外形和2D截面
永磁转子由6块NdFeB永磁环和7片1J22聚磁铁环组成。永磁环轴向磁化，同极性相对。永磁环和聚磁铁环均套装在无磁不锈钢主轴上，永磁环与聚磁铁环一一交叠排列放置，两端用螺母夹紧固定。永磁环尺寸为：外径37mm，内径20mm，高度8mm。
聚磁铁环外径和内径均与永磁环相同，厚度为2mm。经测量，中部的聚磁铁环表面剩磁为0.85T，两端部的聚磁铁环表面剩磁是中部的一半为0.43T，磁场方向为径向。
为样机制作了两套超导定子，分别采用灌封和粘接的方法。采用灌封法制作的超导定子（简称为灌封超导定子，同理简称为粘接超导定子）主要由YBCO超导块材、316L不锈钢杜瓦、热沉以及内壁等器件组成。采用32块超导块材堆叠成4层超导环，在超导环之间垫有氮化铝片以增强导冷效果，热沉为紫铜制成。
为加固超导定子的整体结构，采用灌封工艺封装。灌封超导定子如图4所示，整个定子尺寸为：200mm×40mm×160mm。
图4 灌封超导定子及其灌封过程
粘接超导定子的内壁和底座的材质为无磁不锈钢材质。为了定位和疏导液氮，分别设计了底部托盘和中部托盘两种托盘。底部托盘的上端面和中部托盘的上下端面均设计有锯齿状的凹槽即导流槽，液氮可以从导流槽流到超导块材底部和顶部，增加了超导块材的冷却面积。
底部托盘和中间托盘均用环氧树脂材料制成，底部托盘尺寸为62mm× 42mm×22mm，在其上端面沿圆周方向均匀开有12个槽，两槽中心线的夹角为30°，在外径上的槽口宽5mm，槽深1mm。中部托盘尺寸为 62mm×42mm×2mm，沿圆周方向均匀地在其上下两个端面分别开12个槽，槽深1mm。
总共粘接24块超导块材组成3层超导环，粘接超导定子如图5所示。
图5 超导块材粘接后的3D效果图及粘接超导定子
1.3 电机及测控系统
电机是能量转换的核心部件，飞轮储能系统要求电机在运行时既可作为电动机又可作为发电机。当系统储能时，电机作为电动机运行，带动飞轮加速旋转至额定转速，飞轮储存能量；当系统释能时，电机作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。
目前电机的选取多为两类：一类是交流励磁的变速恒频双馈电机；另一类采用结构简单的永磁电机。后者转子结构简单，机械强度高，可以达到很高的转速，并且在转子上几乎没有损耗，不发热。而这些特点非常适合超导飞轮储能系统结构和运行条件，所以永磁电机越来越多地被选为驱动飞轮主轴的动力机构。
本样机选用北京和利时公司生产的92PMDC6 100100 H1 A改进型高速永磁无刷直流电机，其参数为额定功率2kW、额定转速10000r/min、额定转矩2N·m、极对数5。
基于样机自身结构和被测物理量的特点设计了相应的测控单元，在上位机进行汇总及综合监控，构成了整个测控系统。本测控系统实现了对样机主轴的径向位移、轴向位移、飞轮转速及运行状态、液氮液位、电机电枢电流、电枢线电压以及放电电压等物理量信息的实时监测。
2 样机悬浮测试及其电磁特性分析（略）
2.1 悬浮力测试
灌封超导定子和粘接超导定子的最大悬浮力均大于转子重量，如果在样机的6层永磁转子下场冷，则最大悬浮力必然远大于此数值，所以在真空环境中两套超导定子均完全适用。在实际样机的运行中，粘接超导定子的悬浮刚度已达到53N/mm，因此，所设计的超导轴承完全能够悬浮样机转子。
2.2 径向型超导轴承电磁特性分析
本文采用H-法建立有限元数学模型来分析该样机超导轴承的电磁特性。通过增加外场能够达到提高悬浮力的目的，但是由于Ⅱ型超导体的钉扎力密度具有饱和特性，所以采用这种方法提高悬浮力是有限的。
较大的电磁力作用到超导块材的边缘部分，这也是在样机运行期间超导块材边缘易产生裂纹的原因之一。这种情况对外转子型的径向型超导轴承影响较大，对应移动距离为6mm、8mm和10mm时的感应电流的数值和面积较大，表明在这些位置上的悬浮力较大。
3 转子动态旋转测试及其特性分析（略）
3.1 转子自由旋转特性分析
对于超导飞轮储能系统而言，转子旋转造成的损耗主要来自以下四个方面：①电机转子产生的电枢及外壳中的涡流损耗和磁滞损耗；②不锈钢杜瓦和内壁的涡流损耗；③聚磁铁环的涡流损耗；④由永磁转子产生的超导块材的磁滞损耗和涡流损耗。
对于第①类和第②类损耗，可以采用新材料或改进生产工艺的方法来减少，例如，采用由非晶体材料制成的薄片来制造永磁电机的电枢和铁心等。对于第④类损耗，可以采取降低超导块材的冷却温度（过冷法）或使用具有相似物理性质的超导块材等方法有效减少。
3.2 飞轮转子动态径向振动特性
增加超导轴承系统（包括超导轴承、永磁轴承、有源轴承和磁阻尼器等）的径向刚度来抑制转子径向振动的幅度是提高系统转速的有效途径。
本文建立了一台小型径向型超导飞轮储能系统样机，测量了两种超导定子的悬浮力。采用所建立的数学模型对其超导轴承的磁场和电流分布进行了研究，结果表明在样机的运行过程中，大部分磁力线被限制在两种气隙中：一种是在永磁转子和超导定子之间（径向）；另一种是在相邻两个超导环之间（轴向）。
超导块材中的感应电流主要分布在其边缘，即较大的电磁力作用于它的边缘，可能会导致或加剧相应部分的裂纹。这种情况将会对外转子型超导轴承产生较大影响。测量了转子在2500～5000r/min稳态速度时的自由旋转并分析了其旋转特性，表明振动与旋转特性密切相关，也是转子转速不能持续上升的原因之一。
本样机能够实现飞轮的静动态超导磁悬浮、充电和放电等功能，为下一步研制大型超导飞轮储能系统提供了重要的设计依据。