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飞轮储能一.飞轮储能原理飞轮储能是通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。
典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。
在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。
图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统。
充电时，电动/发电机通过转换器接外电源作电动机运行,把飞轮转子快速加速到非常高的转速,于是电能转化为动能储存起来。
放电时,电动/发电机作发电机运行,通过电子转换器向负载输出电能,转子转速下降,动能转化为电能。
二.飞轮储能的关键技术飞轮电池的原理简单，主要结构和运行方法已经基本明确，但要实现起来却并不容易,要突破的关键技术有：(1)飞轮转子的设计：转子动力学，强度和密度的优化；(2)磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；(3)功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗电动\发电机；(4)安全及保护特性：不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计；(5)机械备份轴承：磁轴承失效时支撑转子。
飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用，其原因主要有三个：1.飞轮本身的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。
人们曾通过改变轴承结构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力，通过抽真空的办法来减小空气阻力，轴承摩擦系数已小到0.001。
即使如此飞轮所储的能量在一天之内仍有25％被损失，仍不能满足高效储能的要求。
2. 常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。
例如，欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电，储能轮需用钢材150万吨！3. 要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置。
三.飞轮储能技术的进展近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。
磁悬浮飞轮用永磁偏置磁轴承漏磁分析
杨磊;房建成;韩邦成;孙津济
【期刊名称】《轴承》
【年(卷),期】2008(000)002
【摘要】磁悬浮飞轮用永磁偏置磁轴承的定转子气隙间存在漏磁现象,为了准确计算漏磁的大小,从而精确地对磁轴承进行磁路设计,利用有限元法对该现象进行了分析.通过ANSYS软件针对一台磁悬浮飞轮样机用径向磁轴承的磁场分布进行分析,提出了一种等效气隙漏磁系数的计算方法,得到样机用磁轴承的漏磁系数.样机试验结果表明,用这一方法计算得到的漏磁系数进行磁轴承参数设计及性能分析具有足够的精度,能够满足实际工程需要.
【总页数】5页(P24-28)
【作者】杨磊;房建成;韩邦成;孙津济
【作者单位】北京航空航天大学,仪器科学与光电工程学院,北京,100083;北京航空航天大学,仪器科学与光电工程学院,北京,100083;北京航空航天大学,仪器科学与光电工程学院,北京,100083;北京航空航天大学,仪器科学与光电工程学院,北
京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】TH133.3;O241.82
【相关文献】
1.磁悬浮飞轮用新型异极性永磁偏置径向磁轴承 [J], 王曦;石泳;樊亚洪;张健;杨磊;李丽君;杨胜
2.永磁偏置径向磁轴承在磁悬浮反作用飞轮系统中的应用 [J], 王顺;杨逢瑜;陈君辉;王其磊;娄磊
3.磁悬浮飞轮储能用永磁偏置磁轴承设计 [J], 吕东元;吕奇超;李延宝;周一恒;陈曦;蒋燕飞
4.磁悬浮飞轮储能用永磁偏置磁轴承设计 [J], 吕东元;吕奇超;李延宝;周一恒;陈曦;蒋燕飞
5.磁悬浮飞轮用嵌环式永磁偏置径向磁轴承 [J], 王曦;房建成;樊亚洪;刘虎;王春娥;文通;孙津济
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飞轮电池储能技术分析赵志芳【摘要】飞轮电池是一种新型电池.与传统的蓄电池不同,它用物理方法储存电能.飞轮转速具有一定的动能,它是将动能转化为电能的一种电池,具有储能量大、高污染、高效、无噪音、使用周期长等特点.飞轮电池储能技术涉及材料学、电学、计算机、机械学等学科,文章主要分析飞轮电池储能系统的结构和工作原理,并简单阐述飞轮电池储能的关键技术.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2018(035)002【总页数】2页(P151-152)【关键词】飞轮电池;储能技术;工作原理【作者】赵志芳【作者单位】晋中职业技术学院车辆工程系,山西晋中 030600【正文语种】中文0 引言目前，常用的储能方式主要有物理储能、化学储能以及超导储能。
其中，化学储能技术已经比较成熟，并得到了广泛应用。
但是，化学储能技术很容易受到环境的影响，使用周期较短，且电池废弃后对环境污染严重。
超导储能技术对技术条件要求较高，在运行过程中需要的能量较少，不会污染环境。
然而，由于超导线圈必须在低温条件下运行，所以超导储能技术无法大规模运用。
物理储能技术通过物理储能方式将能量储能起来。
在当前全球环境恶化、资源危机的情况下，物理储能技术得到了广泛关注。
目前，物理储能技术主要有抽水储能、压缩空气储能以及飞轮储能技术。
其中，飞轮储能技术由于在储能效率、时间等方面优势明显，具有广阔的应用前景。
1 飞轮电池储能系统的结构和工作原理1.1 飞轮电池储能结构飞轮、轴承、电动机、电力电子控制装置等元件构成了飞轮电池储能系统。
其中，飞轮整个系统的关键元件，直接影响飞轮电池储能的效果。
因此，一般选择强度高、密度小的复合材料。
轴承是支撑飞轮的装置；飞轮电池电机是一个集成装置，可以确保飞轮电池在电动和发电两种模式下实现机械能和电能的互换；真空室的主要作用是为飞轮提供一个真空环境，确保飞轮在一个损耗低、飞轮高速运转的工作环境下工作时不会对设备和人员造成损害；电子电力控制装置则是对储能系统的输出和回馈电能进行控制，以确保飞轮电机的各种工作要求。
基于PID控制的主动磁轴承-飞轮转子系统运动稳定性研究
基于PID控制的主动磁轴承-飞轮转子系统运动稳定性研究
磁悬浮支承应用于控制力矩陀螺具有很多优点,但是飞轮转子在高转速下表现出的陀螺效应是影响系统稳定性的主要因素.现研究了由于陀螺效应产生的章动和进动造成系统失稳的根本原因,并对控制系统提出改进方案.为研究方便,提出了相位分析的方法进行PID控制系统分析.研究结果表明,章动失稳的主要原因是系统的相位滞后引起,进动失稳主要因为积分控制项对系统负阻尼作用引起,同时,研究表明积分控制对系统章动稳定性影响很小.
作者：董淑成房建成俞文伯DONG Shu-cheng FANG Jian-cheng YU Wenbo 作者单位：北京航空航天大学第五研究室,北京,100083 刊名：宇航学报ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS 年，卷(期)：2005 26(3) 分类号：V448 关键词：陀螺效应章动进动稳定性相位滞后。
磁悬浮球形飞轮不平衡振动控制及稳定性分析磁悬浮球形飞轮作为一种新型航天器用姿控机构,同时具备姿控和检测姿态功能,是航天器用于进行高精度、高稳定性姿控功能的理想选择。
磁悬浮球形飞轮通过纯电磁力磁轴承和洛伦兹力磁轴承进行转子径/轴向平动控制和转子径向偏转控制,既降低了飞轮系统承重功耗,又提高了转子偏转控制精度,同时,球形转子结构消除了转子偏转时气隙变形导致的干扰力矩。
本文针对磁悬浮球形飞轮,主要的研究内容如下:(1)为了将磁悬浮球形飞轮进行转子动力学建模,介绍了磁悬浮球形飞轮的工作原理和机械结构,根据实际的磁悬浮球形飞轮机械结构进行坐标系定义,从而将磁悬浮球形飞轮各个关键部件的尺寸和位置关系进行了简化。
在建立了磁悬浮球形飞轮轴承转子系统动力学模型的同时,对动力学模型进行了矩阵化和公式化,通过转换矩阵的形式将磁悬浮球形飞轮转子磁轴承系统中各个关键部件的位置和角度关系进行了公式表述,从而得到了轴承转子系统动力学模型对应的动力学方程。
(2)针对磁悬浮球形飞轮平动磁轴承和偏转磁轴承进行数学建模,首先对转子平动控制用纯电磁磁轴承进行了结构和原理分析,通过推导轴承位移刚度和电流刚度,对平动控制磁轴承进行了建模,其次是对转子偏转控制用洛伦兹力磁轴承进行结构和原理分析,通过对比不同永磁体情况下的磁密均匀性,确定了梯形永磁体方案,并对其进行了仿真分析和等效磁路搭建,从而将磁轴承的磁通磁阻进行了数学量化处理,完成了偏转磁轴承建模。
(3)针对磁悬浮球形飞轮的转子不平衡振动补偿,提出了一种磁悬浮球转子前馈补偿控制方法。
依据达朗伯原理,将转子不平衡质量矩等效至转子两端配重面,得到了转子两端的轴承动反力。
为维持球面磁极气隙的球壳形状,消除磁拉偏负力矩,将高速转子球心与定子球心始终重合。
分析了转子质心偏离旋转轴引起的离心力,计算了转子质心偏离球心后,因电磁悬浮力始终指向转子球心而引起的偏转负力矩。
搭建磁悬浮球形飞轮的仿真系统模型,并编写了仿真程序,基于此,对不同加载顺序下的前馈抑制环节进行了仿真,确定了最佳抑制顺序,完成了不平衡振动仿真和实验研究。
飞轮储能技术及应用汤双清㊀著华中科技大学出版社内容提要本书是以作者多年来从事飞轮储能技术的研究成果,经过整理加工而成的㊂主要介绍了飞轮储能系统的发展历史与现状㊁飞轮电池的主要部件和一些关键技术㊂重点介绍了永磁磁力轴承悬浮力和刚度的计算理论㊁电动磁力轴承的原理和设计计算理论㊁飞轮电池能量转换理论以及飞轮储能系统在分布式发电系统中的应用㊂本书可作为科研院所和高等学校从事飞轮相关技术研究与开发的工程技术人员的参考书,也可作为从事磁力轴承和电机控制方面研究与开发的工程技术人员的参考书㊂作者简介汤双清,男,1962年7月出生于湖北孝感㊂1984年本科毕业于原葛洲坝水电工程学院机械工程系,1989年2月硕士毕业于东南大学机械工程系,1999年9月至2000年2月在法国瓦朗谢纳大学做访问学者,2004年2月博士毕业于华中科技大学机械科学与工程学院㊂现为三峡大学教授,中国机械工程学会会员,湖北省机械工程学会青年分会常务理事兼副秘书长,湖北省金工教学委员会常务理事,湖北省机械原理教学委员会常务理事,三峡大学 151 人才学术带头人㊂主要从事机械设计及理论方面的教学与科研工作,在机器人机构学和人工智能㊁计算机集成制造㊁加工过程数控㊁机电系统动态设计理论与方法㊁磁悬浮轴承及飞轮储能技术等领域有所成就㊂主持研究的课题及项目主要有: 工业机器人动力学参数识别 ㊁ 工业机器人的远㊁近程控制 ㊁ 新型磁力轴承悬浮机理研究 ㊁ 飞轮电池磁悬浮支承系统研究 ㊁ 超细长轴加工方案及制造设备研究 等项目㊂参与国家级研究项目有:国家自然科学基金3项,国家 九五 攀登计划项目子课题1项㊂在国内外刊物上发表论文近50篇,EI检索收录8篇㊂前㊀㊀言飞轮储能既是一个古老的话题,也是一个当今比较热门的话题㊂随着社会的进步和经济的发展,人类对能源的需求与日俱增;能源危机已经初现端倪,它将严重制约人类社会的飞速发展,甚至可能危及人类的生存㊂尽管采用飞轮储能技术并不能增加能源的供给,但它可以扩充能源的供应源,使原来不能直接应用的能源变得可以间接利用,从而可以从根本上缓解能源供应紧张的局面㊂此外,采用飞轮储能技术还可以改善电力供应质量,避免或减缓用电高峰拉闸限电的弊端,进而提高人们的生活质量㊂飞轮储能技术应用十分广泛,涉及卫星和空间站上的后备电源,多种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS),电动汽车㊁分布式发电㊁运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,电网负载调节㊁脉冲动力设备等㊂飞轮储能技术涉及多种学科与技术,主要包括:机械科学㊁电气科学㊁磁学㊁控制科学和材料科学等多学科,以及复合材料的成型与制造技术㊁高矫顽力稀土永磁材料技术㊁磁悬浮技术㊁传感技术㊁用于VVVF (变压变频)的电力电子技术㊁高速双向电动机/发电机技术等关键技术㊂为了让更多的读者了解飞轮储能技术,为努力营造一个节约型的和谐社会尽微薄之力,作者将近年来研究的成果经过整理和加工编写成这本专著,供从事飞轮储能研究与开发的工程技术人员参考㊂限于作者的水平,书中难免有错误和不妥之处,敬请读者批评指正㊂著㊀者序能源工业是现代文明的支柱之一,是工业发展的主体,也是国民经济持续发展的基础,缺少能源,社会将很难发展,没有能源,人类将无法生存㊂中国‘能源发展 十一五 规划“日前公布㊂规划指出, 十一五 时期我国能源建设的总体安排是:有序发展煤炭;加快开发石油天然气;在保护环境和做好移民工作的前提下积极开发水电,优化发展火电,推进核电建设;大力发展可再生能源㊂适度加快 三西 煤炭㊁中西部和海域油气㊁西南水电资源的勘探开发,增加能源基地输出能力;优化开发东部煤炭和陆上油气资源,稳定生产能力,缓解能源运输压力㊂十一五 期间,我国将重点建设五大能源工程:能源基地建设工程㊁能源储运工程㊁石油替代工程㊁可再生能源产业化工程㊁新农村能源工程㊂飞轮储能作为一种储能技术,早在蒸汽时代就有所应用,但直到20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究,那时才真正将飞轮作为一种单独的储能装置,而不是早期仅用于机器速度波动的调节㊂之后,对飞轮储能的研究如雨后春笋,方兴未艾㊂飞轮储能系统也称飞轮电池,与化学电池相比,它的优点主要体现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油还高,因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命只取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,因此较长,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~95%,这意味着有更多可利用的能量,更少的热耗散,而化学电池最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产天㊁国防㊁汽车工业㊁电力产业㊁医疗和通信等在内的多个行业与领域㊂因此,研究与开发飞轮电池的市场前景广阔㊂飞轮电池虽说不能 制造 能量,但它可以将零星的能量积聚起来使用,或将多余的能量储存起来在需要时再使用,而且还具备携带性,是一种储能更大的动力源,它的广泛使用将会引起电力工业的一场革命㊂本书是作者多年来对飞轮储能技术研究的一种总结与提炼,难免还有一些没有考虑周全的地方㊂因此,希望这本书的问世能得到同行专家和广大读者的帮助㊁批评与指正㊂2007年9月目㊀㊀录第1章㊀绪论(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.1㊀引言(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域(2)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理(2)………………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.2㊀飞轮电池的应用领域(4)……………………………………………㊀㊀1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况(5)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.1㊀磁力轴承研究现状(6)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.2㊀飞轮研究现状(10)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.3㊀飞轮电池辅件分析(14)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.4㊀飞轮电池其他研究热点(16)…………………………………………㊀㊀1.4㊀飞轮储能技术的发展机遇和展望(17)………………………………㊀㊀1.5㊀本书各章简介(18)……………………………………………………第2章㊀飞轮电池转子的支承、驱动和控制方案(20)………………………………㊀㊀2.1㊀飞轮电池系统结构方案(21)…………………………………………㊀㊀2.2㊀组合磁悬浮支承系统方案的拟定(22)………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.1㊀支承飞轮转子的磁力轴承(22)………………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.2㊀组合磁悬浮的支承系统方案(23)……………………………………㊀㊀2.3㊀集成式电动机/发电机的选型分析(24)………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.1㊀飞轮电池所用电机(24)………………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.2㊀永磁同步电机数学模型(27)…………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.3㊀永磁同步电机的控制策略(29)………………………………………㊀㊀2.4㊀电动机/发电机的控制方案拟定(31)…………………………………㊀㊀本章小结(32)…………………………………………………………………第3章㊀电动磁力轴承的悬浮机理(34)…………………………………………㊀㊀3.3㊀转子的磁力分析(38)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.1㊀导体环1所受电磁力分析(39)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.2㊀导体环i 所受电磁力分析(40)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.3㊀转子的受力分析(40)………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.4㊀最优的导体环数的确定(41)…………………………………………㊀㊀3.4㊀电动磁力轴承的稳定性分析(42)……………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.1㊀转子稳定运转条件的建立(42)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.2㊀系统稳定运转的最低速度和临界阻尼的确定(46)……………………㊀㊀3.5㊀阻尼系统的设计(46)…………………………………………………㊀㊀3.6㊀电动磁力轴承的可行性和特性分析(48)……………………………㊀㊀3.7㊀设计实例(50)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(51)…………………………………………………………………第4章㊀永磁体空间磁场的计算方法(53)………………………………………㊀㊀4.1㊀引言(53)………………………………………………………………㊀㊀4.2㊀磁化磁体的物理计算模型(54)………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.1㊀Maxwell 方程组及交界面条件(54)……………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.2㊀等效磁荷模型(56)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.3㊀等效电流模型(59)…………………………………………………㊀㊀4.3㊀永磁体周围空间磁场计算的数值方法(60)…………………………㊀㊀㊀㊀4.3.1㊀稳恒电磁场问题的统一表示形式和对应的变分方程(61)……………㊀㊀㊀㊀4.3.2㊀等效磁荷模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.3㊀等效电流模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.4㊀变分问题的有限元法(63)……………………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.5㊀轴对称问题的有限元格式(65)………………………………………㊀㊀4.4㊀圆柱形永磁体空间磁场的计算实例(67)……………………………㊀㊀㊀㊀4.4.1㊀永磁体及周围空间求解域的几何建模与网格划分(68)………………㊀㊀㊀㊀4.4.2㊀对整个求解域的求解(68)……………………………………………㊀㊀本章小结(70)…………………………………………………………………第5章㊀永磁轴承构形综合及其磁力和刚度的计算方法(72)…………………㊃2㊃飞轮储能技术及应用㊀㊀5.3㊀永磁轴承悬浮力的计算理论(76)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.1㊀重要的数学关系推导(76)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.2㊀Maxwell 应力张量及其磁力计算公式(77)……………………………㊀㊀㊀㊀5.3.3㊀虚功原理对应的磁力计算公式(79)…………………………………㊀㊀5.4㊀磁力计算的数值方法(80)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.1㊀Maxwell 力对应的数值方法(80)………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.2㊀虚功力对应的有限元法(81)…………………………………………㊀㊀5.5㊀磁力轴承刚度计算的有限元法(84)…………………………………㊀㊀5.6㊀永磁轴承应用实例分析(85)…………………………………………㊀㊀㊀㊀5.6.1㊀通用圆环形永磁体构成的永磁轴承特性分析(85)……………………㊀㊀㊀㊀5.6.2㊀带锥面磁隙的永磁轴承特性分析(88)………………………………㊀㊀5.7㊀永磁轴承磁场和悬浮力的实验分析(91)……………………………㊀㊀㊀㊀5.7.1㊀永磁轴承的实验方案(91)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.2㊀永磁轴承磁场和悬浮力测试(93)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.3㊀测试结果分析(96)…………………………………………………㊀㊀本章小结(98)…………………………………………………………………第6章㊀飞轮电池能量转换原理与矢量控制(100)……………………………㊀㊀6.1㊀引言(100)………………………………………………………………㊀㊀6.2㊀飞轮电池能量转换方案(100)…………………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.1㊀飞轮电池能量转换系统的要求(100)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.2㊀飞轮电池能量转换系统分析(101)……………………………………㊀㊀6.3㊀PWM 变流器的工作原理分析(103)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.1㊀单相PWM 变流器工作原理(103)……………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.2㊀三相电压型PWM 变流器工作原理(108)……………………………㊀㊀6.4㊀PWM 变流器的数学模型(111)………………………………………㊀㊀㊀㊀6.4.1㊀三相电压型PWM 变流器的数学模型(111)…………………………㊀㊀㊀㊀6.4.2㊀基于虚拟磁链的PWM 变流器数学模型(115)…………………………㊀㊀6.5㊀IGBT 模型和整流器的仿真模型(118)………………………………㊀㊀6.6㊀飞轮电池能量转换系统的矢量控制(119)……………………………㊃3㊃目录㊀㊀㊀㊀6.6.3㊀开关逻辑作用顺序(126)……………………………………………㊀㊀本章小结(127)………………………………………………………………第7章㊀飞轮电池在分布式发电系统中的应用(128)…………………………㊀㊀7.1㊀引言(128)………………………………………………………………㊀㊀7.2㊀含有飞轮电池的太阳能发电站的系统控制结构(129)………………㊀㊀7.3㊀太阳能电池的工作原理㊁种类及选用(131)…………………………㊀㊀7.4㊀飞轮储能单元(133)……………………………………………………㊀㊀7.5㊀动力系统的调节与控制(135)…………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.1㊀单相逆变器(135)……………………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.2㊀三相整流/逆变器(139)……………………………………………㊀㊀7.6㊀系统仿真(140)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(144)………………………………………………………………第8章㊀结语(145)………………………………………………………………㊀㊀8.1㊀全文总结(145)…………………………………………………………㊀㊀8.2㊀研究展望(146)…………………………………………………………参考文献(148)……………………………………………………………………㊃4㊃飞轮储能技术及应用第1章㊀绪㊀㊀论1.1㊀引㊀㊀言飞轮储能系统作为一种使能技术已经应用到包括航空航天㊁电动汽车㊁通信㊁医疗㊁电力等领域[1]㊂早在20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统的研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究㊂之后,英㊁法㊁德㊁日等西方国家也相继投入大量的人力㊁物力进行飞轮电池的研究,而我国从20世纪90年代才开始进行这方面的研究㊂飞轮储能系统又称飞轮电池或机电电池[2],它已经成为电池行业一支新生的力量,并在很多方面有取代化学电池的趋势㊂与化学电池相比,飞轮电池的优势主要表现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油的还高[3],因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命,而且飞轮也不会受到损害;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~ 95%,这意味着有更多可利用的能量㊁更少的热耗散,而化学电池的能量转换效率最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产品);⑧当它与某些其他装置组合使用时,如用于卫星上与卫星姿态控制装置结合在一起时,它的优势更加明显㊂现代飞轮电池使用复合材料飞轮和主动㊁被动组合磁悬浮支承系统[4]已实现飞轮转子转速达60000r/min以上,放电深度达75%以上,可用能量密度大于20Wh/lb(44W㊃h/kg)㊂而镍氢电池的能量密度仅有5~6W㊃h/lb(11~12 W㊃h/kg),放电最大深度不能超过40%㊂总体来说,目前飞轮电池的可用能量密度最低也在40W㊃h/kg以上,最高的已经达到944W㊃h/kg,可见它的优势是十分明显的㊂当它用于电动汽车上时[5],使得现代汽车制造业者完全不必考虑汽车废气的排放,从而真正开创无废气排放汽车的历史㊂不管飞轮电池应用于哪个领域,对飞轮电池的开发研究都会涉及以下几个方面的新技术:复合材料的成型与制造技术;高矫顽力稀土永磁材料技术;磁悬浮技术;用于VVVF(变压变频)电机的电力电子技术;高速双向电动机/发电机技术㊂这些技术通过系统工程技术(包括系统结构仿真和分析)而被融合在一起㊂尽管飞轮电池技术有了长足的进展,但由于它涉及机械科学与技术㊁电机学㊁电力电子技术㊁电磁学㊁传感技术与控制科学㊁材料科学等多学科诸方面的技术,所以到目前为止,国内外仍没有一套成熟的理论和设计方法指导飞轮储能系统的设计㊂即便在国外已有开发出的飞轮电池可供使用,但仍有诸多方面需要改善,而且价格昂贵㊂只有大幅降低其价格并提高其可靠性,才有大范围推广应用的可能㊂本书着重介绍作者这几年关于经济型飞轮电池的研究成果,使读者能更好地了解国内外飞轮电池的研究现状,也为有志于从事飞轮储能的读者提供研究参考㊂1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理1.飞轮电池的组成典型的飞轮储能系统一般是由三大主体㊁两个控制器和一些辅件所组成:①储能飞轮;②集成驱动的电动机/发电机;③磁悬浮支承系统;④磁力轴承控制器和电机变频调速控制器;⑤辅件(如着陆轴承㊁冷却系统㊁显示仪表㊁真空设备和安全容器等)㊂图1.1所示为一种飞轮电池的结构简图[6]㊂其中:1为飞轮;2为含有水冷却的径向磁轴承的定子;3为径向磁轴承;4为轴向磁轴承;5为含有水冷却的电㊃2㊃飞轮储能技术及应用机定子;6为电机内转子部分;7为电机外转子部分;8为真空壳体㊂图1.1㊀飞轮电池结构简图1 飞轮;2 径向磁轴承的定子;3 径向磁轴承;4 轴向磁轴承;5 电机定子;6 电机内转子部分;7 电机外转子部分;8 真空壳体㊀2.飞轮电池的工作原理飞轮电池类似于化学电池,它有以下两种工作模式㊂(1) 充电 模式㊂当飞轮电池充电器插头插入外部电源插座时,打开启动开关,电动机开始运转,吸收电能,使飞轮转子速度提升,直至达到额定转速时,由电机控制器切断与外界电源的连接㊂在整个充电过程中,电机作电动机用㊂(2) 放电 模式㊂当飞轮电池外接负载设备时,发电机开始工作,向外供电,飞轮转速下降,直至下降到最低转速时由电机控制器停止放电㊂在放电过程中,电机作为发电机使用㊂这两种工作模式全部由电机控制器负责完成㊂飞轮转子在运动时由磁力轴承实现转子无接触支承,而着陆轴承则主要负责转子静止或存在较大的外部扰动时的辅助支承,避免飞轮转子与定子直接相碰而导致灾难性破坏㊂真空设备用来保持壳体内始终处于真空状态,减少转子运转的风耗㊂冷却系统则负责电机和磁悬浮轴承的冷却㊂安全容器用于避免一旦转子产生爆裂或定子与转子相碰时发生意外㊂显示仪表则用来显示剩余电量㊃3㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃4㊃飞轮储能技术及应用和工作状态㊂1.2.2㊀飞轮电池的应用领域飞轮电池的应用十分广泛,但主要分为两大类型[1]~[7]:一是作为储能用的,如卫星和空间站的电源,车辆的动力装置,各种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS)等;二是作为峰值动力用的,如电力系统峰值负载的调节,分布式发电系统中电网电力的波动调节,混合动力车辆负载的调节,运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,脉冲动力设备等㊂1.在电动汽车和军用车辆上的应用目前,飞轮储能系统可以单独或与其他动力装置一起混合用于电动汽车上,极大地改善汽车的动力性和经济性以及汽车尾气的排放状况[8]~[11]㊂飞轮储能系统在军事车辆的脉动负载和运行负载调节方面也担负重要角色,如德克萨斯大学奥斯丁电动力学研究中心(UT-CEM)就为军用车辆开发了脉动负载和运行负载调节的飞轮储能系统[12],该系统能储存25MJ的能量,能提供5MW的瞬时功率,可满足14t级军用车辆的脉动动力要求㊂2.在卫星和航天器上的应用Fare公司㊁马里兰大学及受NASA资助的刘易斯(Lewis)研究中心共同开发了空心飞轮系统[13][14],它是将马里兰大学的500W㊃h的空心飞轮系统按比例缩小成50W㊃h的空心飞轮系统㊂该系统用于近距离地球轨道(LEO)卫星和地球同步轨道(GEO)卫星的动力装置,取代了原先的化学电池㊂同时,它结合飞轮储能和卫星的姿态控制,使其优势更加明显[15][16]㊂3.在电热化学炮、电磁炮上的应用飞轮储能系统在电磁炮应用中具有明显优势,有一种8级逐级驱动的线性感应线圈发射炮能将3kg的炮弹以2km/s的速度发射[17]㊂电热化学炮要求在1~5ms内将脉动动力传到枪炮后膛,而由飞轮储能装置构成的脉冲盘交流发电机(PDA)就能适应这种要求[18]㊂4.用于电力质量和电网负载调节电力质量问题是一直困扰着电力工业的老大难问题㊂但随着UPS市场的发展壮大,各种重要的敏感设备(如计算机㊁通信设备和医疗设备等)受电网电力波动或突然的电力供应中断而造成的损失问题逐步得到了解决[19]㊂作为飞轮储能系统,它完全可以担负起UPS的职能,而且电力供应质量可大大改善,供电时间可大大延长㊂此外,大功率㊁高储能的飞轮储能系统还可以用来调节电网用电高峰的电力供应,使其电网负载更加平稳[20]~[22]㊂在以风力发电的机组中,应用飞轮储能系统可使输出电压更加平稳[23][24]㊂5.不间断电源(UPS)不间断供应电源有着强大的应用市场㊂除目前通用的UPS 外,飞轮电池作为一支新生的力量已经逐步参与到UPS 市场中来[25][26]㊂1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况飞轮的起源可以追溯到一百多年以前的瓦特蒸气机时代,那时的飞轮主要用来保持机器的平稳运转,用途比较单一㊂第一次真正具有划时代意义的里程碑是A.Stodola 博士撰写的关于飞轮转子形状和应力分析的书[3],该书于1917年首次被翻译成英文,直到今天它仍然有很重要的参考价值㊂下一个大的里程碑诞生于20世纪70年代早期,由于出现的石油禁运和天然气危机[1],飞轮储能才开始引起人们的足够重视㊂当时,美国能量研究发展署(ERDA)和美国能源部(DoE)开始资助飞轮储能系统的许多应用研究与开发,如针对电动汽车的超级飞轮的研究㊂刘易斯(Lewis)研究中心(LeRC)在ERDA 的协助和美国航空航天局(NASA)的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于混合车辆的飞轮系统的传动系统㊂NASA 同时也资助戈达德(Goddard)空间飞行中心(GSFC)研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承㊂20世纪80年代,尽管DoE 削减了飞轮储能研究的资助,但NASA 继续资助空间飞行中心研究卫星飞轮系统的电磁轴承,同时还资助了兰利(Langley)研究中心(LaRC)及马歇尔(Marshall)空间飞行中心(MSFC)关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究㊂直到20世纪90年代,飞轮储能才真正进入高速发展期㊂这期间,磁悬浮技术的快速发展,提供了高速或超高速旋转机械的无接触支承,配合真空技术,使摩擦损耗包括风损耗降到最低水平;同时,高强度复合材料的大量涌现,如高强度的碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8.27Gpa)的出现,使飞轮转子不发生破坏的转速极大地提高,允许线速度可达500~1000m /s,已超过音速,从而大大地增加了飞轮储能系统的储能密度;电机技术的快速发展,尤其是大功率密度双向电动机/发电机的诞生使得飞轮电池驱动能力进一步增强;电力电子技术的新进展,尤其是变频调速技术的高速发展为飞轮储存的动能㊃5㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃6㊃飞轮储能技术及应用与电能之间高速㊁高效率的转化提供了条件㊂飞轮储能技术必须借助于磁悬浮技术㊁电机技术㊁电力电子技术㊁传感技术㊁控制技术和新型材料(复合材料和高矫顽力永磁材料)技术,并将这些技术有机地结合起来才能真正研制出具有实用价值的飞轮储能系统㊂迄今为止,国内外对飞轮电池的研究主要集中在以下几个方面:(1)磁力轴承(含高温超导磁力轴承);(2)飞轮技术;(3)电机及其控制技术;(4)安全与容器;(5)面向不同应用对象的飞轮储能系统的综合研究等㊂1.3.1㊀磁力轴承研究现状早在19世纪上半叶,人们就开始试验永磁体的无接触悬浮,但并未成功㊂1842年剑桥大学的昂箫(Earnshau)教授[27]通过大量的实验证明,永磁体与永磁体之间或永磁体与软磁体之间不可能实现全部6个自由度上的稳定悬浮,也就是说至少在1个自由度上是不稳定的㊂直到1937年,维吉尼亚大学的霍尔摩斯(B.A.Holmes)教授才利用磁化磁体㊁电磁铁和位置传感器等元器件成功地实现了物体的稳定悬浮,从而标志着磁悬浮时代的到来[28]㊂后来,经过人们大量的实验验证和理论分析,终于找出了实现物体无接触稳定悬浮的几种方法,如利用抗磁性材料[29],与时变场相互作用的导体[30],陀螺力矩[31],超导材料[32]和反馈控制系统[28]等㊂事实上,到目前为止,在上述5种悬浮物体的方法中仅有超导材料和反馈控制系统用于实际的工业应用之中㊂磁悬浮轴承(也称磁力轴承),按控制方式的不同主要有两大类[33][34]:其一是主动磁力轴承(active magnetic bearing,AMB),也就是人们通常称作的电磁轴承,是一种有源磁力轴承;其二是被动磁力轴承(passive magnetic bearing,PMB),也称无源磁力轴承㊂被动磁力轴承目前有两种,即永磁磁力轴承(permanent magnetic bearing,PMB)和超导磁力轴承(superconducting magnetic bearing,SMB),其中永磁磁力轴承简称永磁轴承㊂目前对磁力轴承的研究主要集中在对主动磁力轴承(即电磁轴承)[35][36]和超导磁力轴承[37]~[40]的研究上,而对永磁磁力轴承[41]的研究较少㊂主动磁力轴承最主要的特征是通过控制电磁铁线圈的电流变化来产生时变磁场,以便调整在受到外界干扰时轴承所需的悬浮力,确保转子始终在预定位置平稳运转㊂因此,这类轴承的承受变负载的能力很强,而且有较强的运动稳定性,这对于那些时常受到外界扰动的支承来说又是必须的,如高速切削机床主轴的电磁轴承就采用了主动磁力轴承㊂但这类轴承也存在几个方面的不足:其一,它必须安装多个位置传感器以便时刻监测转子的位置,一旦有一个传感器失效,轴承就不能正常工作,从而降低了系统的可靠性;其二,由于控制线圈的存在,要消耗系统一部分的电能,从而降低了储能效率;其三,由于控制系统的存在,增加了系统的复杂性,也增加了系统失效的可能性㊂所有这些除大幅增加了系统的费用外,也降低了系统的可靠性㊂尽管近期有人开始研究无传感器的主动磁力轴承[42],但控制难度很大,而且可靠性更低㊂超导磁力轴承的主要特征是利用超导体在临界温度以下具有的迈斯纳效应(meissner effect),磁通线不能穿过超导体,即超导体是在磁场中呈现完全抗磁性来实现物体悬浮的㊂但一般来说,超导体的临界温度很低,即使现在所称的高温超导体的临界温度最高的也只有-130ħ㊂因此,要保证超导体的正常工作就必须提供制冷设备,保障超导体始终工作在临界温度以下,这势必增加系统的能量消耗,也增加了系统的投资,同时也增加了失效的可能性㊂永磁磁力轴承的主要特征是利用定子和转子上的永磁体之间或永磁体与软磁体之间的吸力或斥力来支承轴向或径向的负载,结构简单,但承受变载荷的能力较差,稳定性没有主动磁力轴承好,不过,由于它无需传感器和控制线圈,也无需制冷设备,经济性较好,这对那些仅承受静态载荷的应用是具有明显优势的㊂1.电磁轴承电磁轴承是由致动器(actuator)㊁传感器和控制系统三个部件组成㊂致动器是由一组缠绕在定子铁芯上的线圈构成(每个象限至少有一个磁极)㊂对于径向轴承,在转子圆周上至少要安装三个传感器,传感器系统负责测量转子轴的位置,并将位置信号反馈到控制系统,控制系统再将位置信号与参考信号比较来确定转子的位置误差,再经功率放大器控制致动器电磁铁的电流㊂致动器可以用单独的电磁铁(EM)或者由电磁铁和永久磁铁(PM)组合构成,其对应的轴承分别称为EM 轴承和EM /PM 轴承[35]㊂图1.2所示为EM 轴承致动器的两种构形,其中图1.2(b)的布置是一种通用构形,它将产生比图1.2(a)布置更低的运动和磁滞损耗㊂图1.3所示为6种EM /PM 轴承致动器构形,除图1.3(f)仅有轴向主动控制外,其他5种既具有径向主动控制又具有轴向支承定位的功能㊂从上述两种致动器的构形可以看出,EM 致动器在构造上通常比EM /PM 致动器㊃7㊃第1章㊀绪㊀㊀论。
飞轮电池转子偏移对磁轴承性能的影响汤双清;宋文虎;柯友文;黄鹏;李庆东【摘要】由于飞轮电池转子在高速运转时避免不了会产生一定的偏移,偏移会对飞轮电池磁轴承的刚度产生影响,为了更加清楚地知道其具体影响,本文介绍了自归位轴承的模型和磁力计算理论,同时借助有限元法,描述了转子在不同方向偏移下,磁轴承产生自归位磁力和磁轴承刚度的变化,最终得:随着转子偏移量的增大,磁轴承所受到自归位磁力也随之增大,其自归位效果良好;在转子刚刚发生偏移时,磁轴承刚度变化较大,随着转子偏移量增大磁轴承刚度逐步趋向稳定;转子产生径向位移时磁轴承刚度远小于产生轴向位移时的磁轴承刚度.%The magnetic bearing stiffness will be affected by the flywheel battery rotor skewing,which can not be avoided when the flywheel battery rotor rotates at high speed.This article introduces the model of magnetic self-homing bearing and magnetic theory of computation in order to aware of the specific effects more clearly,and describes the change of homing magnetic produced from magnetic bearings and magnetic bearing stiffness when the rotor offsets in different directions by the finite element method.Finally,some conclusions are drawn as follows:As the rotor skewing increases,the magnetic force received from the magnetic bearing increases,which proved its good effect of self-homing.When the rotor is just shifted,the magnetic bearing stiffness change dramatically,which gradually becoming stable with the rotor skewing increases.Magnetic bearing stiffness with radial displacement of the rotor generated is much smaller than that with axial displacement of the rotor generated.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(039)004【总页数】4页(P80-83)【关键词】磁轴承;导体环;有限元;偏移;磁力;刚度【作者】汤双清;宋文虎;柯友文;黄鹏;李庆东【作者单位】三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌 443002;三峡大学新能源微电网湖北省协同创新中心,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】TH133.3飞轮储能系统作为一种储能技术已经应用到航空航天、电动汽车、通信、医疗、电力等领域[1]．飞轮储能系统又叫飞轮电池[2]，飞轮电池由于具有一系列独特的性能，已经成为电池行业的一支新生力量，并在许多方面有取代化学电池的趋势.从现有飞轮使用的支撑方式来看，主要有电磁轴承、超导体磁力轴承和永磁磁力轴承，随着电磁技术的发展，将电磁轴承与永磁轴承完美地结合在一起，出现了一种新型磁力轴承-磁轴承[3]．这种轴承只需要永磁体和闭合导体，其结构简单、价格低廉，适用范围非常广．文献[4]对飞轮转子提出复合材料工业设计方法并设计了一个10层、内径60 mm、外径120 mm、转速达到80 000 r/min的飞轮[4]．文献[5]在中原油田飞轮储能功率放大器项目中，实现了1 800～3 600 r/min升速过程中电动功率120 kW、3 600～1 800 r/min降速发电400 kW/25 s(释放能量10MJ)[5]．飞轮电池需要转子通过高速运转来储存能量，在高速运转中，转子避免不了会产生一定的偏移，对电磁轴承性能造成影响，严重时会使飞轮电池直接损坏．本文主要研究转子在高速运转产生偏移时，磁轴承所受自归位磁力和磁轴承刚度变化，并利用ANSYS对其进行仿真．为了能更清楚地了解磁轴承导体环的工作情况，矩形线圈在特定磁场中的运动构型如图1所示．图1中V为导体环运动速度，I为导体环内电流，矩形导体环的上部和下部分别位于磁场方向向外和向内的磁场中，并且沿着水平方向匀速移动，如果导体环没有垂直方向的运动，则通过它的磁通量不会产生变化，也就是不会有感应电动势，同样不会有感应电流，导体环则不会受到洛伦兹力的作用．假如导体环有垂直方向的偏移运动，通过它的磁通量会产生变化，因此会产生感应电流，从而导体环会受到与偏移方向相反的洛伦兹力的作用，会将其“拉回”到原定位置．假定导体环的电阻为零，上下边的磁感应强度都为B，长度为l．当其产生一个垂直方向的微小位移X时，通过导体环的磁通变化为：感应电动势为：式中，L为导体环的电感．导体环中产生的感应电流为导体环的洛伦兹力为：式中负号表示洛伦兹力与偏移方向相反，由上式可知，只要导体环产生垂直方向的偏移，就会产生与其偏移方向相反的洛伦兹力将其拉回到原来的位置．文献[3]中提到磁轴承由永磁体和导体环两部分组成，在本文应用中永磁体为固定件，故导体环的刚度可以代表轴承的刚度；导体环安装于转子上，可利用导体环在转子产生偏移时使其自动归位．为了简化计算，建立如图2所示的自归位分析模型来说明转子中间部位磁路情况．转子向右侧发生x偏移，确定此方向为正方向，则转子上的导体环右侧的气隙增大为C0+x；左侧气隙减小为C0-x，其中转子平衡位置时气隙长度为C0，此时电磁线圈产生顺时针方向的磁路，加强右侧气隙处磁通密度，减小左侧气隙处磁通密度，两侧气隙间形成的电磁力合力将转子向左侧拉动，若转子向左侧移动，则相应的电磁磁路方向为逆时针方向，向右移动，从而实现转子保持距导体环距离为C0处．当转子存在偏移和倾斜时，磁力线在通过气隙时发生了较为明显的扭曲，此时产生一定的磁力，提供回复力使转子在轴向和径向稳定的运动[6-7]．根据文献[6]，采用磁路定理和等效电流法，可以快速求得磁悬浮飞轮转子径向磁力(以径向x通道为例)，用I0、ix分别表示自感电流和外界控制电流，则导体环的磁力大小可以表示为：式中，μ0为空气导磁率，A0为导体环截面面积，N为导体环中的线圈匝数．根据文献[8]可求出在导体环i上的自感电流．式中，为导体环圈数，α为导体环的半张角，β为导体环的特征角，R为导体环电阻．从上面的公式可以看出，导体环的磁力大小主要与导体环所处的磁场强度、偏移位移有关，导体环r发生偏移，随之所处的磁场的强度B也会发生变化，磁场强度与位移之间是非线性的关系，如果用磁场强度测量仪明确测量导体环所处的空间位置的磁场强度，可以通过这个公式求出导体环自归位磁力，导体环上的磁力是动态变化的．基于ANSYS工程有限元软件，对2对电磁轴承的二维静态磁场磁力进行仿真分析，采用了普通的钕铁硼永磁体，仿真单元选择PLANE53，该单元适合二维静态磁场分析，忽略空气中的漏磁因数．建模过程中对所有区域进行布尔运算，选择交迭操作，磁轴承截面图如图3所示，2个环形磁铁、飞轮转子与磁板形成闭合磁路，通过分析这种结构既可以保证轴向悬浮效果，还可对径向控制达到很好的能力，起到自归位中心旋转．设定相关的Maxwell面标志和虚功边界条件，为了在后处理中方便地获得磁力[9]，在转子发生径向偏移时，利用参数语言分别对位移x(A)从-2.5～2.5 mm间隔0.1 mm的50组数据进行仿真．进行智能网格的划分，线圈单元施加电流密度，求解划分网格，求解成功后，输出组件PERM3受到的电磁力(虚位移计算结果)，可在后处理过程中得到磁力线分布图，如图4～5所示，得到偏移的点的数据．根据仿真数据做成图如图6所示，分析图6可知，当发生偏移量较小时，导体环所受到的磁力也较小，随着偏移量的增大，导体环所受到磁力也随之增大，跟位移方向相反，并且磁力曲线走势比较陡，从磁力上，转子自归位效果比较明显．根据导体环刚度计算公式[3，10]：其中，x为偏移位置到X轴零点的距离，F为偏移位移所对应得磁力．通过计算得到结果，在Matlab中绘制如图7所示．分析图7可得：随着转子径向偏移量增大，导体环所受到的力也逐步增大，在转子自归位作用时所需要导体环的刚度并不是一成不变的，而是随着时间发生的变化．在刚开始发生偏移时(-0.5～0.5 mm)，导体环刚度波动特别大，随着偏移量的增大导体环的刚度逐步稳定，但仍然在随着偏移量的增大而增大，增大趋势较为平缓，直到偏移量为2 mm左右，才慢慢呈现下降趋势．用同样的方式仿真出导体环在Z轴(轴向)偏移时，转子导体环的磁力变化和刚度变化．取值本文仅仅研究转子轴向磁力和刚度变化的趋势，绘制的线条可能有一定的误差，间距为0.1 mm，取值范围：-2.5～2.5 mm，结果如图8～9所示．分析图8～9可知，在发生Z轴(轴向)偏移时，导体环所收到的磁力与X轴偏移时规律基本一致，导体环所受的力都随着偏移量的增大而增大，但磁力大小比X轴(轴向)高出许多；其刚度变化与X轴有些不同，刚发生位移时(-0.5～0.5 mm)，刚度也是急剧变化，到后面虽然比前面平稳但变化仍然很大，毫无规律可寻，在同样的偏移范围内，Z轴平均刚度远大于X轴平均刚度．当飞轮转子在高速运转产生偏移时，利用ANSYS对磁轴承进行仿真和分析得到：在飞轮转子产生偏移的瞬间，磁轴承会受到一个与其偏移方向相反的磁力，将其拉回原来位置，并且随着偏移量的增大，磁轴承所受到回复力也随之增大，其自归位效果很好；在转子刚刚发生偏移时，磁轴承刚度波动特别明显，随着偏移量增大逐步趋向稳定；在转子发生径向偏移时磁轴承所受磁力远远小于转子发生轴向偏移时磁轴承所受磁力，说明飞轮电池在工作时更容易发生径向偏移，需采取更多措施减少其径向偏移；在转子发生径向偏移时磁轴承刚度远远小于其发生轴向偏移时磁轴承刚度，说明飞轮电池在工作时，磁轴承不能承受过大的径向载荷，容易造成磁轴承变形．本文没有研究电磁轴承的控制系统，今后将继续研究．【相关文献】[1] David A Christopher， Raymond Beach． Flywheel Technology Development Program For Aerospace Applications[J]． IEEE AES Systems Magazine, 1998(6)：9-14．[2] Jack G Bitterly． Flywheel Technology Past，Present，and 21st CenturyProjections[J]． IEEE AES Systems Magazine, August 1998：13-16．[3] 汤双清．飞轮电池磁悬浮支承系统理论及应用研究[D]．武汉：华中科技大学，2004．[4] 秦勇，夏源明．复合材料飞轮结构及强度设计研究进展[J]．兵工学报，2006，27(4)：750-756．[5] 戴兴建，张小章，姜新建．清华大学飞轮储能技术研究概况[J]．储能科学与技术，2012，1(1)：64-68．[6] 陈小飞，刘昆．基于ANSYS电磁场分析的磁悬浮飞轮非线性磁力研究[J]．机械科学与技术，2011，30(9)：1424-1430．[7] Sung T H, Lee J S, Han Y H． 300 Wh Class Superconductor Flywheel Energy Storage System with a 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