尹建閣1，湯雙清1，曾東2
（1.三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)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(tǒng)中電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換（即能量的雙向輸送）是以電機(jī)及其控制為核心來實現(xiàn)的，因而集成式電動/發(fā)電機(jī)的選型研究，對儲能系統(tǒng)的整體設(shè)計具有十分重要的意義。介紹了各類通用電機(jī)作為集成式電機(jī)的可行性及其局限性，以及在飛輪儲能系統(tǒng)中極具應(yīng)用前景的其他電機(jī)結(jié)構(gòu)特點和研究狀況。
由于飛輪儲能系統(tǒng)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(shù)限制、無污染等優(yōu)點，該技術(shù)的研究應(yīng)用在節(jié)能和環(huán)保方面，都具有十分重要的意義。
1飛輪儲能技術(shù)原理
飛輪儲能系統(tǒng)，主要由飛輪、集成式電動/發(fā)電機(jī)、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(tǒng)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(jī)狀態(tài)，帶動飛輪加速，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲存下來；需要放能時，飛輪降速，M/G作為發(fā)電機(jī)，由飛輪帶動其轉(zhuǎn)動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)電力電子裝置變換后，輸送給用電設(shè)備或回饋給電網(wǎng)（即并網(wǎng)發(fā)電）。
2高速儲能飛輪用電機(jī)性能要求
飛輪儲能系統(tǒng)中，電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，是以電機(jī)及其控制為核心來實現(xiàn)的。高速儲能飛輪用的理想電機(jī)，應(yīng)具有以下性能要求：
⑴能量轉(zhuǎn)換可逆；
⑵輸出功率大；
⑶轉(zhuǎn)子能承受高轉(zhuǎn)速，易于高速運行；
⑷空載損耗低；
⑸可靠性高；
⑹轉(zhuǎn)換效率高；
⑺對軸承系統(tǒng)的運行具有很小的影響；
⑻能適應(yīng)大范圍的速度變化；
⑼低造價，并結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、易于維護(hù)等。目前，飛輪儲能系統(tǒng)所采用的M/G有通用電機(jī)以及特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)。
3通用電機(jī)
3.1異步電機(jī)
由于異步電機(jī)主要用于電動機(jī)，下面結(jié)合在飛輪儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用，只介紹其發(fā)電運行模式的原理。有兩種情況：
其一，接入電網(wǎng)。若把感應(yīng)電機(jī)的定子接到電網(wǎng)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動機(jī)拖動電機(jī)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過同步速度，電機(jī)將向電網(wǎng)送出有功功率，此時電機(jī)就成為發(fā)電機(jī)。
其二，單機(jī)運行。感應(yīng)發(fā)電機(jī)也可以單獨帶負(fù)載運行。此時需要在定子端點并聯(lián)一組對稱的三相電容器，另外轉(zhuǎn)子中要有一定的剩磁。在空載情況下，用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)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(lián)電容送出容性電流；容性電流通過定子繞組后，將產(chǎn)生與剩磁方向一致的增磁性定子磁動勢和磁場，使氣隙磁場得到加強(qiáng)，最終也是獲得足夠高的電動勢，輸出足夠高的電壓，達(dá)到發(fā)電的目的。
與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，感應(yīng)電機(jī)有許多優(yōu)點，如高效率、高能量密度、加工制造工藝以及控制技術(shù)都十分成熟，但感應(yīng)電機(jī)的缺點是極數(shù)少的感應(yīng)電機(jī)用銅、鐵量大，增加了電機(jī)的重量，高速時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差損耗大，不容忽略。
3.2同步電機(jī)
同步電機(jī)包括很多種，如普通同步電機(jī)(電勵磁)、永磁同步電機(jī)(PMSM)、永磁無刷直流電機(jī)(BLDCM)，開關(guān)磁阻(SR)電機(jī)也是一種同步電機(jī)。與傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)相比，永磁類電機(jī)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(huán)和電刷裝置，成為無刷電機(jī)，因此結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，控制系統(tǒng)也較異步電機(jī)簡單。
PMSM與普通同步電機(jī)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(yīng)電機(jī)相比，PMSM不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)(可達(dá)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(wěn)定運行時，沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗及其他相應(yīng)的損耗，從而使其效率比同規(guī)格感應(yīng)電動機(jī)提高2~8個百分點。
BLDCM結(jié)構(gòu)特點突出，性能優(yōu)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(dá)到峰值時，能產(chǎn)生很大的電磁轉(zhuǎn)矩，且散熱好，提高了負(fù)載密度和功率密度。
其次，普通直流電機(jī)的電刷和機(jī)械式換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器代替。
再次，在原理和控制方式上，基本與直流電動機(jī)系統(tǒng)類似，所以比PMSM控制簡單，且逆變器產(chǎn)生方波比正弦波容易，控制系統(tǒng)的成本會大大降低。
總的來說，永磁電機(jī)普遍具有體積小，質(zhì)量輕，損耗少，效率低，形狀和尺寸靈活等優(yōu)點。但是永磁體的應(yīng)用，存在失磁和退磁的可能，所以需要進(jìn)行最大去磁工作點的校核計算，且不斷開發(fā)高性價比的永磁材料。同時，永磁同步發(fā)電機(jī)制成后，氣隙磁場調(diào)節(jié)困難，也限制了該電機(jī)的應(yīng)用。當(dāng)作為飛輪儲能系統(tǒng)中的集成式電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速極高，空載時的鐵耗是損耗的主要部分，需要重點分析。
3.3開關(guān)磁阻電機(jī)
開關(guān)磁阻(SR)電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，基于磁阻最小原理工作。SR電機(jī)一般用作電動機(jī)，當(dāng)由電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)時，需要激磁（與異步電機(jī)單機(jī)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(dá)到發(fā)電的目的。因此，SR電機(jī)應(yīng)該兼有電動和發(fā)電的特性。與各類同步電機(jī)以及異步電機(jī)相比，首先，SR電機(jī)轉(zhuǎn)子無永磁體，不存在高溫退磁現(xiàn)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(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅固，制造成本低，可工作于極高轉(zhuǎn)速。
在調(diào)速上，異步電動機(jī)要取得與直流電機(jī)相近的調(diào)速特性，需采用復(fù)雜的矢量控制系統(tǒng)，而開關(guān)磁阻電機(jī)通過調(diào)節(jié)開通度、關(guān)斷度、電壓和電流即可，控制簡單靈活。一直以來，SR電機(jī)由于直、交軸電抗比值不能造的較大，所以性能比異步電機(jī)低劣，但是采取了特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)——軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子(ALA轉(zhuǎn)子)，SR電機(jī)的性能得以提高，在飛輪儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用研究也逐漸增多。
3.4通用電機(jī)小結(jié)
對于通用電機(jī)，飛輪儲能系統(tǒng)工作在高速發(fā)電模式，從功率密度和效率來看，電機(jī)選擇次序為：永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和磁阻電機(jī)；從轉(zhuǎn)子機(jī)械特性來看，其次序需要顛倒過來，即：磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)[3]。在確定高速電機(jī)結(jié)構(gòu)型式時，需要對其電磁和機(jī)械特性、控制方式和功率變換系統(tǒng)進(jìn)行綜合對比研究。
4其他電機(jī)
4.1單極電機(jī)
單極電機(jī)（同極電機(jī)或非周期電機(jī)），是感應(yīng)子電機(jī)的一種，通常其轉(zhuǎn)子沒有繞組，只有若干作有規(guī)則分布的凸出部分，而其定子裝有相互間作適當(dāng)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(yīng)子電機(jī)特點是：一個鐵芯下氣隙磁場的極性相同，經(jīng)過轉(zhuǎn)子的磁通方向一定而不交變，因此轉(zhuǎn)子上不產(chǎn)生渦流損耗；同時，轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組或永久磁鐵等強(qiáng)度薄弱部件，可采用的實心轉(zhuǎn)子，能承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。與同型號的永磁電機(jī)相比較，其不足在于：磁路利用率較低，功率密度（功率/質(zhì)量）不高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性有所降低，且轉(zhuǎn)子較長。
文獻(xiàn)[4]給出一種針對飛輪儲能用的同極電機(jī)（結(jié)構(gòu)如圖2），其中轉(zhuǎn)子的各視圖及由勵磁繞組產(chǎn)生的磁通方向如圖3。該電機(jī)勵磁繞組固定在定子上，其軸線與轉(zhuǎn)子軸線一致。采用這種結(jié)構(gòu)，首先可省去滑環(huán)簡化結(jié)構(gòu)，其次轉(zhuǎn)子可由高強(qiáng)度整鋼做成，適于高速旋轉(zhuǎn)，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(yīng)（諧波）在轉(zhuǎn)子上引起的一系列損耗，使同步單極式電機(jī)更加適合設(shè)計高速實心轉(zhuǎn)子，而且消除了定子齒的飽和問題，允許較高的氣隙磁通密度。文獻(xiàn)[5]在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上設(shè)計的儲能500kJ轉(zhuǎn)速范圍50k～100kr/min的飛輪儲能系統(tǒng)用電機(jī)，轉(zhuǎn)子既用于電動/發(fā)電，又充當(dāng)儲能飛輪，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。定子腔體同時起到真空腔和爆裂保護(hù)裝置的作用。整體結(jié)構(gòu)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(zhì)量、UPS以及電動車的應(yīng)用。
4.2Halbach電機(jī)
Halbach電機(jī)是一種磁體特殊構(gòu)型的永磁電機(jī)。通常的永磁電機(jī)設(shè)計，永磁體多采用徑向(垂直)或切向(水平)陣列結(jié)構(gòu)。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(jié)合在一起的一種新型磁性結(jié)構(gòu)，如圖4中(c)(d)所示。圖5是分別應(yīng)用Maxwell軟件仿真出的、對應(yīng)永磁體陣列結(jié)構(gòu)的磁通密度矢量圖?？梢钥闯觯瑥较蚺c切向永磁體陣列的合成(Halbach陣列)，使一邊的磁場增強(qiáng)，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(zhuǎn)矩的增大和電機(jī)出力的提高。
如保持電機(jī)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(jī)效率。轉(zhuǎn)子軛部磁通的減少，首先可相應(yīng)減小轉(zhuǎn)子軛部的厚度，有利于提高功率密度[7]；其次將使得轉(zhuǎn)子軛部內(nèi)由于電磁感應(yīng)效應(yīng)而產(chǎn)生的電渦流減小，從而使得電機(jī)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(jī)實現(xiàn)無鐵芯化提供了有利條件。常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，由于鐵芯的存在，空載損耗很高，空載和負(fù)載運行時的不平衡磁拉力，對磁軸承系統(tǒng)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(zhuǎn)矩要求。Halbach永磁電機(jī)很好的解決了這一矛盾，從而使電機(jī)具備體積小、重量輕、損耗低、功率密度高等優(yōu)點。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(jī)高速運行。Halbach電機(jī)的這些特點特別適合應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)中。
4.3盤式電機(jī)
盤式電機(jī)又稱軸向磁場電機(jī)（AFEM），一般具有軸向尺寸短、重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。尤其盤式永磁同步電機(jī)由于采用永久磁鋼激磁，轉(zhuǎn)子無損耗，電機(jī)運行效率高，由于定、轉(zhuǎn)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(jī)還具有優(yōu)越的動態(tài)性能以及多氣隙組合式結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代高性能伺服電機(jī)和大力矩直接驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展趨勢，在高速飛輪儲能系統(tǒng)中該電機(jī)也具有應(yīng)用前景。
S.Nagaya等指出，與RFEM相比，AFEM軸向和徑向負(fù)載較小，可有效降低常規(guī)電機(jī)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(chǔ)上，設(shè)計并制造了轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)，其盤式（單定子單轉(zhuǎn)子）無槽電動/發(fā)電機(jī)如圖6所示，電動、發(fā)電效率均可達(dá)95%以上。
4.4其他電機(jī)小結(jié)
這里列舉了三種特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)形式，在通用電機(jī)設(shè)計的基礎(chǔ)上，可單獨采用也可交叉應(yīng)用，例如永磁類電機(jī)可以考慮Halbach陣列及盤式無鐵心結(jié)構(gòu)，單極電機(jī)也可采用盤式結(jié)構(gòu)等。此外，還有一些特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)型式，如印刷電路繞組電機(jī)，這是一種專為飛輪儲能系統(tǒng)設(shè)計的電機(jī)，勵磁繞組與電樞繞組由雙面印刷電路構(gòu)成，處于軸向單極磁通中，如圖7所示。該類電機(jī)的優(yōu)勢不言而喻，但其容量及制造工藝有待進(jìn)一步研究發(fā)展。
5結(jié)束語
電機(jī)的發(fā)展有近200年的歷史，種類繁多，結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，性能不斷提高，特別是新材料、新工藝以及新控制技術(shù)的出現(xiàn)，原本有限制的電機(jī)其應(yīng)用領(lǐng)域也重新得以拓展。因此，作為飛輪儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，集成式電機(jī)的選擇余地非常廣，并且根據(jù)儲能目標(biāo)的不同，飛輪外形的變化及其與電機(jī)的聯(lián)接方式、集成方式的不同，電機(jī)的選擇或新結(jié)構(gòu)的設(shè)計都將受到影響。此外，還要考慮飛輪儲能的獨特性，綜合考慮不同部件間的動力耦合、電磁耦合、機(jī)電耦合等，從而選擇性能優(yōu)良且控制、制造成本較為經(jīng)濟(jì)的集成式電機(jī)方案。
