飞轮储能用磁轴承综述.docx

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1、飞轮储能用磁轴承综述目录摘要2前言2?磁悬浮飞轮储能主要支承方式3?飞轮储能用磁轴承结构特点6?按偏置磁通产生方式分类62. 1. 1.主动磁轴承72. 1.2.被动磁轴承72. 1. 3.混合磁轴承82. 1.4.小结8?按受控自由度数量分类82. 2. 1.单自由度磁轴承83. 2. 2.二自由度磁轴承104. 2. 3.三自由度磁轴承10?四自由度磁轴承11?五自由度磁轴承11?按磁极数量分类122. 3. 1.三极磁轴承132. 3. 2.四极磁轴承132. 3. 3.六极磁轴承142. 3. 4.八极磁162. 3. 5.小结17?磁轴承关键技术17? ?参数优化17? ?无传感控制

2、技术183. 2. 1.参数估计法183. 2. 2.状态观测法183. 2. 3.智能算法193. 2. 4.小结20?解耦控制技术20?结束语21参考文献：21摘要磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现定子与转子之间无机械接触 的一种新型支承轴承，在飞轮储能领域具有非常广阔的应用前景。本文阐述了飞轮储能工作原理以及常见的4种磁轴承支承方式，根据偏置 磁通产生方式、受控自由度数量、磁极数量对磁轴承结构进行分类介绍，并对 磁轴承关键技术参数优化、无传感控制技术以及解耦控制技术进行综述，指出 磁轴承关键技术的未来发展趋势是使用智能算法建立模型求最优解。关键词：滑动轴承；磁力轴承；磁通量；自由度

3、；磁极；参数设计；检测; 解耦控制前言根据“十四五规划和2035年远景目标纲要的要求，新型储能是构建新型电 力系统的重要技术和基础装备，是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。随着新能源发电、分布式电源系统、不间断电源、新型动力车辆等领域的 发展，新型储能系统已成为一个世界性的研究课题。飞轮储能可以将清洁能源以动能的形式储存起来，需要时通过电力电子转 换装置转换为电能使用。飞轮储能系统主要包括飞轮转子、磁悬浮轴承、高速电动机、电力电子转 换装置以及真空外壳。飞轮转子决定了整个飞轮储能系统所能存储的能量。磁轴承在飞轮储能中用于实现转子和定子的无摩擦运行，减少损耗，提高 最高转速。高速电动机是能量转换

4、的核心部件，飞轮储能充电时，电动机带动飞轮加 速旋转，到达额定转速后说明飞轮储能充满电，需要使用时，该飞轮将动能转 化为电能带动负载，飞轮储能的电量随着飞轮转速的降低变少。电力电子转换装置是飞轮储能系统关键的组成部分，通过电力电子变换器 进行能量转换。飞轮储能转子在高速旋转时，空气阻力会限制转子的最高转速，增加系统 损耗，因此将飞轮转子密封在全金属外壳内并使用真空泵抽真空。本文阐述了飞轮储能的主要结构，总结了磁轴承的拓扑结构并详细综述了 其参数优化、无传感控制和解耦控制等关键技术。磁悬浮飞轮储能主要支承方式当今的主要储能方式包含化学储能、抽水储能、超导储能及飞轮储能等, 几种储能方式的特性见表

5、Io常用的储能方式是化学储能，如锂电池和铅酸电池，其使用寿命特别短且 存在储能密度小以及污染环境等缺点。抽水储能一般使用在水位落差较大的地方，受地理位置限制无法大规模应 用。超导储能使用寿命长，但制造成本高，不适合大范围使用。飞轮储能可以将风能和太阳能转化为机械能存储起来，具有储能密度高， 瞬时功率大，充放电速度快，使用寿命长，能量转换效率高等特点，适用于电 力调峰、分布式电源系统、不间断电源等领域，是一种具有广阔应用前景的储 能方式。表I几种储能方式的特性特性化学储能 （化学能）抽水储能 （机械能）超导储能 （电磁能）飞轮储能 （机械能）使用寿命35年20年以上20年20年以上储能密度小小大

6、大设备尺寸较大较大较小较小环境影响污染环境几乎无污染几乎无污染几乎无污染价格成本低较高较高较高维护频率较高低高低飞轮储能工作原理如图1所示：充电时，电动机带动飞轮转子高速旋转， 以动能的形式储存在飞轮转子上；放电时，飞轮转子将动能转化为电能，通过 变流器带动负载运行。支承技术是飞轮系统的核心技术，传统支承系统普遍采用机械轴承，当飞 轮系统转动惯量一定时，通过提高飞轮转速可增大系统储存能量，但转子在高 速运转时，机械轴承会产生大量的摩擦损耗，导致轴承寿命大大降低，飞轮储 能系统维修频率增加图。因此，飞轮储能一般采用磁轴承进行控制，飞轮储能支承结构如图2所示。图1飞轮储能工作原理图推力屐动粕承校向

7、磁轴漱桧向主动谶 轴承永磁电动机轴向主动1廊劭轴)承二自由度 磁轴承电动机* Afft 磁轴承-(d)支射结构4图2飞轮储能系统的支承结构飞轮储能支承结构1如图2a所示，主要由电动机、推力盘、径向磁轴承、 推力滚动轴承、转子等组成，优点是刚度任意可调，缺点是结构复杂，控制难 度较大，实际可行性较小。飞轮储能支承结构2如图2b所示，主要由飞轮本体、辅助轴承、径向主 动磁轴承、永磁电动机、轴向主动磁轴承等组成，飞轮与电动机转子相结合并 采用外转子结构，结构较为紧凑，采用径向、轴向主动磁轴承组合进行支承， 该系统所需的电功率较大，系统结构和控制结构较复杂，轴向空间利用率低。飞轮储能支承结构3如图2c

8、所示，采用1个单自由度和2个二自由度的 主动磁轴承共同支承，替代了传统的机械轴承，摩擦损耗大大降低；但整个装 置完全由主动磁轴承支承，电功率消耗相对较大，控制结构较复杂，磁轴承本 身轴向长度限制了系统的临界转速。飞轮储能支承结构4如图2d所示，由二自由度和三自由度的混合磁轴承 共同支承，永磁体自身产生的偏置磁场降低了所需电功率。止匕外，电动机与轴承均设计为外转子形式，电动机本体与飞轮本体组合， 装置结构更紧凑；但磁轴承本身占一定的轴向长度，限制了飞轮的临界转速， 而且成本较高。飞轮储能用磁轴承结构特点磁轴承应用于飞轮储能系统，使飞轮转子稳定悬浮以保证转子与定子无直 接接触，从而避免了转子高速旋

9、转时带来的摩擦损耗，适用于超高速场合；同 时又因为无接触避免了碎屑产生，适用于超洁净场合。磁轴承可以按偏置磁通产生方式、受控自由度数量、磁极数量3个方面进 行分类。按偏置磁通产生方式分类按偏置磁通产生方式可以将磁轴承分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁 轴承3种，如图3所示。(a)主动磁轴承隔磁铝环永磁体(b)被动磁轴承定子线圈永磁体(C)混合磁轴承图3按偏置磁通产生方式分类的磁轴承2. 1. 1.主动磁轴承文献分析了主动磁轴承的等效刚度和等效阻尼在交叉反馈控制方法中对 陀螺效应的抑制作用，根据飞轮转子在旋转过程中的不稳定问题对主动磁轴承 结构进行改进，新型五自由度主动磁轴承应用于飞轮储能的能量

10、密度是传统飞 轮储能的2倍，成功在1.14 mm气隙长度上使一个质量5440kg半径2m的飞 轮稳定悬浮。文献利用拉格朗日方程得到五自由度飞轮储能系统的非线性模型,解决了 飞轮储能系统的能量控制问题。2. 1. 2.被动磁轴承被动磁轴承无控制线圈，仅仅通过永磁体产生的吸引力和排斥力实现被动 磁轴承转子的稳定悬浮。文献网的多环形磁铁形成了多马鞍面形磁场,选取环绕磁铁数量以及环绕半 径得到最优多马鞍面磁场并制作被动磁轴承，对卧式飞轮电池进行支承。文献9的飞轮储能由2对被动永磁环的被动磁轴承和混合径向磁轴承组成, 被动磁轴承可以在陀螺力矩作用下提供角刚度来抑制磁悬浮转子，并产生轴向 悬浮力，使飞轮转

11、子在轴向上稳定悬浮，附着在转子边缘上的被动磁轴承对角 动量有很大作用。2. 1. 3.混合磁轴承相对于以上2种磁轴承，混合磁轴承可以降低功率损耗，减小磁轴承的安 匝数和体积，同时缩短磁轴承的轴向长度，易于加工和控制。电力系统使用过程中造成的能量损失以及分布式电源不稳定对微电网造成 了极大的影响，因此微电网需要储能密度高，充放电速度快的飞轮电池，飞轮 储能系统通过1个轴向混合磁轴承和1个新型径向HaIbaCh混合磁轴承支承, 整个系统非常紧凑，而且具有很好的鲁棒性和稳定性。用于电力储能系统的轴向混合磁轴承口。,永磁体与励磁线圈的结合可以降 低功耗，限制系统体积，混合磁轴承支承的飞轮储能系统转速为

12、20 OOO rmin, 最大存储功率容量为30 W,上、下转子和定子为锥形，可以在飞轮储能系统中 达到更大的悬浮力。2. 1. 4.小结混合磁轴承利用永磁轴承产生偏置磁通，通过控制线圈产生控制磁通，同 时解决了主动磁轴承和被动磁轴承的缺点，不仅降低功率损耗，同时缩短磁轴 承的轴向长度，而且易于加工和控制。按受控自由度数量分类2.2. 1.单自由度磁轴承在非线性有源磁轴承系统的反馈控制下估计磁通量可，建立了单自由度有 源磁轴承系统的精确离散时间模型，在零偏置磁通量和电压开关策略下运行， 并在仿真中显示了良好的结果，单自由度磁轴承仅在一个方向上主动控制磁轴 承的横向移动，其余方向上的运动只受到永

13、磁铁的限制，可以将磁轴承保持在 固定位置，精度高于35m;单自由度主动磁轴承如图4所示，使用2个电 磁铁控制转子在X方向移动，非线性控制设计利用磁通量的广义互补，推导了 磁通量的模型。一、总览单自由度磁悬浮轴承是一种磁悬浮轴承，其工作原理是利用电流和磁力平 衡来实现轴承的悬浮和支持。它在许多领域中得到了广泛的应用，例如高速列 车、机床加工、离心泵和气体轴承等。二、磁力与电流单自由度磁悬浮轴承的轴承部分由两个磁极组成，它们之间通过电流进行 控制。一个磁极是一个电磁铁圈，通过施加电流使其产生磁场。当两个磁极产 生相反的磁场时，它们之间会形成一个磁场梯度，这种梯度会支持轴承并使其 悬浮。三、偏心量单

14、自由度磁悬浮轴承的偏心量是指轴承和旋转轴线之间的距离。在实际应 用中，偏心量会影响轴承的平衡。为了使轴承保持平衡，需要根据偏心量的大 小对电流进行调整。四、传感器单自由度磁悬浮轴承通常配备有传感器，用于检测轴承的位置和偏心量。 传感器可以将检测到的信息反馈给控制器，控制器通过调整电流来实现轴承的 平衡。这种反馈系统使轴承能够自动调整并实现稳定的运行。五、应用价值单自由度磁悬浮轴承有着广泛的应用价值。在工业生产领域中，它可以用 于大型机床和汽车工业中的精密加工。止匕外，它还可以用于离心泵、风扇和气 体轴承等应用中。在科研领域中，它可以用于实验室内的旋转加速器和离心机 等设备。【结论】单自由度磁悬

15、浮轴承是一种利用电磁力平衡来实现轴承悬浮和支持的技 术。它在工业生产和科研领域中有着广泛的应用价值。通过本文的介绍，读者可以更好地了解单自由度磁悬浮轴承的工作原理和应用领域，为其在实际应用 中提供更好的帮助和指导。2. 2.2.二自由度磁轴承二自由度磁轴承一般是在径向2个自由度进行支承。如图5所示，为实现垂直驱动力和水平驱动力的集成，将绕组和永磁体进 行集成，文献口2设计了二自由度洛伦兹力驱动器，定位精度为20m,对多自 由度洛伦兹力执行器的结构设计具有一定的指导意义。文献口3针对二自由度三极磁轴承不对称结构导致控制复杂的问题，提出了 二自由度六极磁轴承，并进行了数学建模和仿真验证。图5二自由度磁轴承2. 2. 3.三自由度磁轴承三自由度磁轴承如图6所示，是在径向2个自由度和轴向1个自由度进 行支承。飞轮储能系统使用三自由度混合磁轴承进行支