1、飞轮储能主体技术研讨会 2019电磁轴承与储能飞轮主要内容 1.磁轴承基本特点 2.磁轴承应用研究现状 3.储能飞轮与磁轴承 4.飞轮磁轴承应用进展现状 5.飞轮磁轴承主要议题 6.小结 引言:磁场力实现支承功能 利用磁场实现无接触的支承功能也是人类由来已久的梦想，借助自然界的磁现象及人类探索自然的成果积累，人们可以增强与精确控制磁场从而有效加以利用。将原本不稳定系统通过反馈控制实现稳定并逐步使之具有实用功能。磁轴承分类 AMBActive Magnetic Bearing PMBPermanent Magnetic Bearing SMBSuper-conducting Magnetic B

2、earing HMBHybrid Magnetic Bearing 电磁轴承 永磁轴承 超导磁轴承 混合磁轴承 电磁轴承基本组成结构（S2M）电流式或 电压式 模拟或数字电路实现 软磁材料 非接触式位移传感器 1 1 1 1 4 2 2 2 1 1 2 2 径向、轴向电磁轴承结构 超导磁悬浮（轴承）麦斯纳效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性效应导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零。2 1 3 4 5 径向 轴向 径向 径向 径向 电磁轴承转子组成 5 自由度主动控制自由度主动控制 电磁轴承性能特点优点 1)无机械接触、微“摩擦”、无磨损（间隙范围：0.110mm）a)

3、允许转子高速运行，提供了新的设计思路，提高功率密度，b)低运行损耗，小于通用轴承520倍，c)长寿命、低运行维护费用 尤其适合透平类机组，2)无须润滑、密封、可在任意介质中运行；可在真空中运行，成为储能飞轮重要的支承解决方案之一 3)转子动态性能可控，减震、隔振、过临界，a)运行精度可控 传感器的分辨率？b)提高运行可靠性 在线诊断、监测等手段，c)利用电磁轴承可以实现转子、结构未知特性的辨识。性能特点局限性 1）电磁铁会饱和，承载能力有限，几乎无过载能力 2）受驱动功率限制，执行器有效带宽 （电磁力摆率）有限，3）存在坠落的可能性，需要专设防护 措施；4）某些方面，如，安全性、可靠性、能量消

4、耗、优化设计等，通用而系统性的设计方法尚有不足，仍需大量的工作 面临挑战面临挑战 电磁轴承或混合磁轴承作为储能飞轮支承解决方案 一、技术问题 二、基础理论 储能飞轮选用磁轴承的特殊性 结构形式多样化 真空密闭环境 极低功耗 低阻力矩 高转速与强陀螺效应 安全性与可靠性（跌落防护）飞轮磁轴承应用现状 1.航天飞轮支承 2.小型储能支承 3.大型储能飞轮支承 4.移动基础飞轮支承 5.现代飞轮飞轮电池（包括电磁弹射）：支承必须维持大功率快速充放电过渡过程中转子稳定性 附录：国内外储能飞轮磁轴承研究调研 在大型涡轮机械领域，电磁轴承已经近30年的运行历史 储能飞轮磁轴承的技术要求？1.高真空环境下，

5、支承部件（包括转子）温度控制 支承功耗的极小化温度控制与储能效率综合要求 极低阻力矩能量保持时间与温度控制“既要马儿跑得好，又要马儿不吃草”2.反馈控制性能与稳定性 陀螺效应强，导致模态频率变化范围大 有限功耗下的稳定维护 支承基础的结构模态敏感 储能飞轮磁轴承的技术要求？4.磁轴承与总体关系 部件与总体 转子动力学与结构力学 结构的多样化，设计方法不足 紧凑型电力电子设备的电磁兼容性 5.测试评估与验收 ISO14839-1/2/3/4 的借鉴意义 API617-8th 附件E的借鉴意义 6.复合材料飞轮转子支承要求的特殊性 1.结构形式单一，多为圆筒或厚壁圆筒 2.结构中存在薄壁结构，挠性

6、大，动力学特性复杂，（包括扭转动力学）3.高度非线性，如，热温度系数，线性定常系统的假设的动摇；4.辐射散热能力差 5.变形大，导致惯量比变化，进而导致动力学特性变化，控制难度加大 相关基础问题与思考 1)借鉴传统旋转机械有关标准，如何评价电磁轴承转子系统可以交付使用？2)主要的评价内容、评价手段是否与现行标准一致？3)电磁轴承飞轮转子系统的稳定性，如何评价？4)电磁轴承飞轮转子是否也有失稳转速？5)为什么有时转速上不去？悬浮与转动区别？6)为什么有时换个基础平台，转子会失稳？18 相关问题与思考 7)保护轴承转子系统的跌落转子动力学行为的预测与评估设计到可靠性与安全性？8)电控系统能力与动力

7、学行为边界？9)高速、超高速，转子运行的新问题？10)工业应用具体设计过程中，电磁轴承转子系统与总体的关系？11)电磁轴承转子系统的加工制造精度？12)转子转动过程中出现反向模态振动？19 基础理论：磁轴承转子（陀螺）动力学 围绕传统支承转子动力学的几大议题：1、横向(lateral rotor dynamics)转子动力学 2、机械平衡 3、稳定性 4、扭转动力学 5、轴向动力学 在此基础上，电磁轴承转子动力学（陀螺力学）的特殊性与传统支承转子动力学的共性议题：20 转子动力学之建模 1)建立模型考虑因素总体上一致 2)转子动力学模型与电磁轴承控制模型的耦合（发展中）3)控制算法与外在刚度、

8、阻尼特性的关系的频变性 4)单机与批量的控制参数差异调试 21 电磁轴承转子动力学分析 横向转子动力学分析要素主体一致，但具体内容有区别，自由（free-free）转子固有频率 无阻尼临界转速 有阻尼不平衡响应分析 稳定性（有阻尼特征值分析）22 自由（free-free）转子固有频率（力自由控制、跌落瞬间）无阻尼临界转速（刚度曲线的来源）23 不平衡响应与转速范围的特殊性 24 不平衡响应与磁轴承闭环传函的应用 a)不平衡响应分析与测试，是旋转机械交付验收过程中的重要工作内容 a)闭环传函与转子不平衡响应分析一样，也是研究激振力(输入)和位移响应(输出)在频域内的对应关系 25 不平衡响应与

9、磁轴承闭环传函 26 电磁轴承转子动力学特殊性 稳定性分析与测试评估 1)与滑动轴承的一阶、二阶稳定性分析关系？2)电磁轴承转子开环不稳定，必须依赖闭环反馈控制，需要能量的输入与控制，3)理论上，控制不当，可能在任意频率失稳？4)电磁轴承转子在任意转速也不能失稳？5)闭环反馈系统的过渡过程对转子性能及稳定性影响 6)如何评估：劳斯判据、奈奎斯特判据-灵敏度传递函数-灵敏度指数 27 转子稳定性分析与测试 28 稳定性分析与测试几点疑问 扫频激振力幅度？扫频波形？扫频状态：零转速或任何转速？29 电磁轴承转子动力学特殊性机械平衡 1)转子转动基准与动平衡基准可能不一致 2)高速动平衡难度大 3)

10、本机平衡可行性 4)残余不平衡的主动控制，“力自由与力控制”5)磁悬浮转子的动平衡目标手段？30 弹性基础对飞轮转子性能影响 a)定子基础结构模态与转子振动模态的耦合与解耦、一体化分析，b)定子基础结构刚度、阻尼特性对转子临界转速的影响 c)定子基础结构动态对转子稳定性影响 31 m m 特殊性转子跌落转子动力学 32 谢谢大家！抛砖引玉，共谋发展 飞轮储能主体技术研讨会2019 34 附录附录1.研究研究现状现状 美国美国 实现兆瓦级功率输出实现兆瓦级功率输出 Maryland University 24kWh碳纤维磁悬浮飞轮系统 劳伦斯国家实验室劳伦斯国家实验室 航天&车辆电源，1kWh/

11、200kW飞轮电池 NASA Glenn研究中心研究中心 电源&姿控磁悬浮复合材料飞轮储能系统，高速轴，100000rpm 宾州州立大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、休斯顿大学德克萨斯超导中心、阿贡国家实验室 英国英国 布里斯托尔大学布里斯托尔大学 储能飞轮风力发电协同运行 日本日本 长冈技术大学长冈技术大学 国立仙台工学院国立仙台工学院 230Wh/5kW飞轮UPS实验装置，最高转速30000rpm 韩国韩国 韩国机械和材料学院韩国机械和材料学院 5kWh飞轮储能系统，径向主动磁轴承+止推磁轴承支承 美国美国 Pentadyne 第二代碳纤维储能飞轮，170210kW，防爆外壳，2010年倒闭

12、Active Power 核心产品CleanSource UPS，单模块120/150/250kVA，多模块2501500kVA，7MVA PowerHouse集装箱式电源系统，240800kW，云计算中心，北京办事处 Beacon Power 1997年，2kWh飞轮电池，永磁/电磁混合支承 2008年，马塞诸塞州，2MW，世界首个随时并网 2011年，纽约州Stephen镇，20MW，唯一电网级大规模飞轮储能应用工程，盈利运营 2011年10月申请破产保护，原班人马成立公司Helix Power VYCON Calnetix公司，原美国航天科技公司 140kW储能飞轮，15s工业UPS应用

13、能力，真空+AMB，永磁电动机/发电机 第三代飞轮，无需防爆外壳保护 罗特尼克能源科技有罗特尼克能源科技有限公司限公司 OmniFly高能碳纤维飞轮 唯一同时适于智能电网、地铁及UPS市场，目前单机输出功率最大商用飞轮储能单元 最大设计输出功率1MW，储能12 kWh，单机待机功耗500 W 计划在长三角地区建立OmniFly全球制造中心，规划产能将达到4.5 GW Urenco、Satcon技术公司、ASF Trinity电源公司、飞轮系统公司（USFS）35 1.研究背景研究背景-国外产业化情况国外产业化情况 36 1.研究研究背景背景-国外产业化国外产业化情况情况 加拿大加拿大 Temp

14、oral Power 100/250/500kW，50kWh，永磁轴承支承 德国德国 Piller 1650kW/10s大容量低速飞轮储能UPS，已市场销售，北京/深圳/上海 风电公司Enercon、西门子 法国法国 Socomec公司公司 碳纤维储能飞轮电池UPS，转速最高30000rpm，601000kW 日本日本 Kansai电力公司电力公司 3.3kV系统上开展飞轮储能改善电网稳定性研究 世界上容量最大变频调速飞轮蓄能发电系统，26.5MVA 工程应用工程应用 澳大利亚澳大利亚Coral Bay、Sand Bay、Nine Miles Beach、Denham（储能新兴市场）日本日本D

15、ogo Island 美国美国Alaska等一系列岛屿电网 采用飞轮储能提高电网稳定性、减少风电对系统电压和频率的影响，最大可能降低柴油发电机出功 37 1.研究研究背景背景-国内研究国内研究情况情况 中国科学院电工研究所中国科学院电工研究所 早期探索 清华大学清华大学 1996年，300Wh样机；1997年，首次充放电+复合材料飞轮 1999年，第二代飞轮；2003年，500Wh UPS原理样机 2012年，8Pa真空室+主动磁悬浮轴承 2016年，1MW/16kWh工程样机工程样机 北京飞轮储能柔性研究所北京飞轮储能柔性研究所 中科院电工所&天津核工业理化工程研究院 永磁高温超导磁悬浮高温

16、超导磁悬浮，永磁+液压轴承 华北电力大学华北电力大学 电力系统调峰用飞轮储能系统 10kW准磁悬浮飞轮储能装置，永磁+油浮轴承 北京航空航天大学北京航空航天大学 姿控/储能两用磁悬浮飞轮 输出功率100W（最大200W），储能量13Wh，83%武汉理工大学武汉理工大学 新能源汽车 海军工程大学海军工程大学 电磁弹射 哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 10kWh飞轮储能系统 38 1.研究背景研究背景-国内产业化情况国内产业化情况 盾石盾石磁能科技有限公司，冀东发展集团 2014年9月，国内第一台200kW工业化磁飞轮调试成功 GTR333型，1MW飞轮型城轨再生制动能量回收利用装置 GTR200型：“863”工业园区型光伏/储能微电网系统集成示范项目 1MW地铁飞轮储能电站，美国洛杉矶地铁黄金线 英国艾格岛、费尔岛微电网、加拿大镍矿微电网、阿拉斯加大学微网 沈阳微控新能源技术有限公司（VYCON），2018年3月 贝肯新能源（天津）有限公司（Temporal Power），2018 二重德阳储能科技有限公司，100kW飞轮储能装置