飛輪儲能電機轉子運行穩定性的探究

趙健桐

（本溪市高級中學，遼寧 本溪 117000）

1 綜述

1.1 飛輪儲能技術工作原理

飛輪儲能是一種物理儲能技術，利用高速旋轉的飛輪來實現動能與電能的存儲與轉換。其互逆式電機有兩種工作模式：充電模式與放電模式。在充電過程中，外加電源驅動（作為電機轉子的）飛輪，飛輪轉速不斷提升至工作轉速區，此時處于電動機狀態，電能轉換為機械動能。飛輪一般采用磁懸浮控制，且工作腔體內為真空，由于沒有機械摩擦及空氣阻力，能量消耗極小，因此,能量就通過飛輪的慣性轉動，以動能的形式存儲起來了。在放電過程中，電機運行在發電機模式，飛輪帶動發電機發電，并不斷減速，將動能轉換為電能向外輸出，從而實現了電能到動能的轉換。通過以上過程的周而復始，飛輪儲能電機就實現了電能的輸入、存儲和輸出。

1.2 飛輪儲能電機轉子介紹

1.2.1 飛輪轉子

轉子是飛輪儲能的核心部件，是儲能的直接介質。其旋轉時的動能就是所存儲的能量，儲能公式為：E= Jω2

式中：J 為飛輪軸轉動慣量；ω 為飛輪轉動角速度。

從存儲能量的角度來看，E越大越好。從公式可以看出，增加飛輪轉動慣量，或者提高飛輪轉速都可以提高飛輪的存儲能量。

1.2.2 轉子材料的選用與工作轉速

雖然金屬材料飛輪有制造工藝簡單、成本低等優點，但存在儲能密度偏低的問題。復合材料不但可設計性好，還往往具有很高的比強度。目前的高速飛輪普遍采用超強碳纖維/玻璃纖維與環氧樹脂的復合材料。在材料強度上限范圍內，轉子工作轉速越高，其儲能密度就越大。因此，應力求最大限度地提高轉子速度。但是要注意，飛輪材料強度的上限決定了其轉速也會有最大值的限制，不能超過其限定值，否則材料會發生破壞。

1.3 研究轉子運行穩定性的意義

如上所述，轉子是飛輪儲能電機的核心部件，以切換轉速的方式進行動能和電能的往復轉換。轉子工作時始終處于高速旋轉中，其運行穩定性至關重要。一旦發生失穩，輕則影響充放電效率和儲能總量，重則發生嚴重事故。因此，我們要對轉子的運行穩定性進行重點研究。

2 影響轉子工作穩定性的因素

影響轉子運行穩定性的因素主要有：發熱、振動、材料變形斷裂、分層、部件脫落。

2.1 發熱

發熱是影響轉子運行穩定性的最主要因素，絕大多數情況下的轉子失效均與發熱有關。運行中轉子的發熱主要來源于轉子繞組與鐵心、磁懸浮軸承部件以及控制電路器件。發熱源的熱量會相互迭加，由于轉子工作在高真空環境下，無法通過空氣對流來進行有效散熱。如果熱量無法迅速導出，則溫度會不斷上升，最終導致系統溫度過高。較高的溫度會使轉子本體和鐵心硅鋼片的熱應力增加，導致材料出現變形與開裂。另外，轉子本體和鐵心分別采用不同的材料，通過機械連接和粘接的方式進行固定。由于兩者的熱膨脹系數不同，高溫會造成轉子本體與鐵心因膨脹率不一致而發生分離。永磁體的磁性能會隨著周邊環境溫度的升高而下降，高溫會讓其磁場強度發生較大變化，破壞已經形成的平衡，降低系統的可靠性，甚至會發生不可逆的去磁現象，使磁懸浮軸承失效，導致飛輪轉子與定子直接強烈碰撞的嚴重事故。至于電子器件的發熱，若不能及時將熱量導出，器件就會因過熱而失效，直至損壞而造成控制系統癱瘓。這同樣也會造成極其嚴重的事故。

2.2 振動

振動最主要的原因是轉子的剩余不平衡量偏大，不平衡量會在轉子旋轉時產生一種周期變化的離心力偶，其對轉子的轉動將產生擾動，這個擾動的變化頻率與轉子的轉數一致。隨著轉速的提升，當變化頻率和轉子的固有頻率相等時，發生共振，此時轉子的振幅最大。發生共振時轉子的轉速就稱為轉子的臨界轉速。 如果在臨界轉速下長時間運行，其劇烈振動會對轉子造成較大影響，本體可能會出現變形、層間分離、開裂以及部件脫落等問題。在震動嚴重，且控制力不夠的情況下，控制系統無法控制其運行軌跡邊界，會造成轉子失控，發生事故。

2.3 材料變形、斷裂、分層

飛輪在高速旋轉時，采用金屬材料制作的轉子輪轂在環向應力最大處往往會發生塑形變形，使飛輪狀態改變。飛輪本體的斷裂主要包括有纖維斷裂和纖維分層。當飛輪的環向應力大于纖維的最大強度時，會引起纖維斷裂。由于轉子基體的強度小于纖維的強度，在斷裂處會形成小裂紋，隨著更多的纖維斷裂，小裂紋逐漸發展為較大裂紋，最后導致飛輪的破壞；當徑向應力成為飛輪破壞的主要因素時，飛輪的基體在徑向拉應力的作用下，會因基體屈服開裂、纖維與基體脫粘或纖維斷裂而導致飛輪發生分層破壞。

2.4 部件脫落

飛輪電機的轉速往往達到幾萬轉以上，甚至更高，轉子邊緣的線速度可達到200m/s以上。如此高速的旋轉產生巨大的離心力。其轉子上安裝的部件要能夠承受如此高的離心力。例如轉子上的永磁體一般采用釹鐵硼材料，這種材料能夠承受一定的壓應力，但對拉應力的承受效果相對較差，其抗拉強度往往低于抗壓強度的十分之一，如果沒有保護措施，永磁體無法承受轉子高速旋轉而產生的巨大離心力而發生碎裂而脫落。此外，固定在轉子上的其他部件如果安裝不夠牢固，高速旋轉時也會出現脫落的可能。

3 改善轉子工作穩定性的措施

3.1 針對發熱的措施

針對轉子繞組發熱，可考慮采用磁阻電機。轉子由鐵芯疊片而成，其上無繞組，這就消除了繞組引起的發熱。同時，采用鐵損值低的超薄硅鋼片來減少磁滯損耗和渦流損耗引起的發熱。對于磁懸浮軸承的發熱，解決的方法之一是適當減少控制間隙，使其所需的控制力相應減小。通過這種方式可以降低電磁鐵的電流，從而降低發熱。對于控制電路板的發熱，首先要優化設計，包括采用合理的走線設計，避免熱點集中，盡可能地將功率均勻地分布；對溫度比較敏感的器件安置在溫度最低的區域；還有，可在高熱耗散器件（如芯片）底面使用熱導材料（如導熱硅膠等），并保持一定的接觸區域供器件散熱，以便將熱量迅速導走。

3.2 針對振動的措施

飛輪轉子的材料要盡量做到均勻和平衡分布，必須要有非常好的動平衡精度，安裝前一定要進行動平衡操作。對于工作轉速低于一階臨界轉速的轉子，不平衡量引起的變形量較小，可以按照剛體來處理；如果工作轉速大于一階臨界轉速（甚至二階臨界轉速），此時轉子應按照撓性體來處理，并采用高速動平衡機。另外，還有一點也要注意，工作轉速超臨界轉速的轉子在啟動和制動時，轉速必定會通過臨界轉速，其振動肯定要加劇。但只要迅速通過，由于軸系阻尼作用的存在，是不會造成破壞的。

3.3 針對材料變形、斷裂、分層的措施

首先，輪轂部件材料應該保證剛度和延展性。做結構形狀設計時就要做好應力計算和模擬，選擇性能好的材料。針對纖維斷裂和分層，比較常見的方法是采用多層復合材料轉子，由若干單層復合材料圓環組裝而成，各層之間采用過盈裝配或張力纏繞，在飛輪內部各層間產生徑向預壓應力。當多層飛輪運轉時，層間預壓力隨轉速增加逐漸減小，在工作轉速時，層間仍會保持有正壓力，不會松脫。另外，各環的徑向厚度與半徑比選擇至關重要，因為在高速旋轉狀態下，各環徑向膨脹速度不一致，會產生徑向位移不一致的現象，各環徑向厚度的選擇應避免纏繞環由于徑向拉伸造成的破壞。還有一種方法是增加基體的韌性。一般來說，脆性基體破壞應變小、能量吸收能力弱，很難阻止裂紋擴展，易于產生基體開裂。在碳纖維飛輪圓環之間加入彈性聚氨酯過渡層，或者直接以聚氨酯彈性材料作為復合材料基體，可以吸收能量、抑制裂紋擴展，從而提高基體的韌性。

3.4 針對部件脫落的措施

保護永磁體的措施主要有兩種，一種是采用碳纖維綁扎，另一種是在永磁體外面加一層高強度非導磁合金鋼護套。碳纖維綁扎帶厚度較小，而且不產生高頻渦流損耗。但碳纖維是熱的不良導體，不利于永磁體的散熱。目前常用的方法是采用永磁體外面加一層高強度非導磁合金鋼護套，永磁體與護套間采用過盈配合。這樣做雖然增加了永磁體直徑，但是它是電和熱的良導體，既可以屏蔽掉一些高頻諧波，也有利于永磁體的散熱。

轉子的部件脫落主要發生在高速工作狀態下。因此，可采用多種檢測手段檢測轉子部件的安裝質量，以盡早發現問題。由于飛輪轉子結構及其使用狀態的特殊性，應采用無損檢測方法對材料損傷及斷裂情況進行檢測。常用的方法有目視法、超聲波法、X射線法、熱成像法、微波法、計算機層析照相法等。另外，在正式安裝之前還要對轉子進行高速旋轉測試。將轉子安裝到試驗臺上，以工作轉速1.1～1.2倍的速度進行旋轉，然后檢查各個部件是否有變形、移位，以此來測試安裝質量。

4 結語

飛輪儲能系統具有高比能量、高比功率、高效率、長壽命等優點，被認為是未來理想的儲能裝置。飛輪轉子作為核心部件，運行時的穩定性至關重要。通過對影響運行穩定性各個因素的研究，從設計、材料選擇以及裝配和檢測工藝方面不斷優化，從而確保飛輪轉子的性能滿足穩定運行的需要，使飛輪儲能成為成熟的新能源技術。

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