1MW飛輪儲能系統永磁電機的研制

覃誠群　朱濤

摘 要：飛輪儲能是一種新型大功率、長壽命和環境特性友好的高新技術，可應用于不間斷電源、新能源發電儲能、能量回收利用等能源領域。國外已經實現了商業化應用，清華大學等研究單位已掌握主要關鍵技術，處于商業應用開拓發展期。飛輪儲能與發電機組組合，形成大功率高品質不間斷供電系統，可以在國內UPS 行業開拓發展出一個產值 2 億元的穩定市場。開發大能量低成本飛輪儲能陣列，形成電網規模的儲能電站，可以應用于風能、太陽能發電，發展出一個產值 13 億元的新興市場。研究磁懸浮高端飛輪儲能技術，形成先進飛輪儲能機組產品，占領技術制高點，可拓寬應用于能量再生、高功率脈沖電源等潛在領域。

關鍵詞：飛輪儲能系統;永磁電機;一體化設計

一、概述

飛輪儲能的基本原理是電能與旋轉體動能之間的轉換：在儲能階段，通過電動機拖動飛輪，使飛輪加速到一定的轉速，將電能轉化為動能;在能量釋放階段，電動機作發電機運行，使飛輪減速，將動能轉化為電能。飛輪儲能在工程中早已得到大量應用，與電機結合實現電能的存儲的現代飛輪儲能電源綜合了先進復合材料轉子技術、磁軸承技術、高速電機以及功率電子技術而極大地提高了性能，在2000年前后，現代飛輪儲能電源商業化產品開始推廣，其中美國的飛輪儲能技術處于領先地位。

經過50年的長期積累與國家科技計劃的支持，以美國為代表的國外現代飛輪儲能電源高技術在產業過程中迅速擴張，目前全球有超過3000套基于飛輪儲能的大功率動態不間斷電源系統（UPS）安全可靠運行了上千萬小時，應用于高質量電力、風力發電、車輛制動能再生等領域，這些產品已經從2005年登陸中國市場。大容量飛輪調頻示范電站正在美國建立，為降低自放電率，美國、日本、德國都在大力研發基于高溫超導磁懸浮的大能量飛輪儲能電源，以延長飛輪發電時間到小時級別。

西方國際依據其技術領先優勢，并在風險投資的引領下，在飛輪儲能的各種技術路線下大力研究，開發出各種不同用途的飛輪儲能電源系統。這些應用包括可再生能源的儲能、高品質供電、電網調頻、軌道交通車輛制動動能再生等領域。德國的Piller公司、美國的Active電源公司、Pentdyn公司都在搶占中國市場。

國內自80年代關注飛輪儲能技術開始，自90年代開始關鍵技術基礎研究，建立試驗裝置，在實驗室開展西方國家80年代完成的工作。建立飛輪儲能裝置開展試驗研究的有中科院電工研究所、清華大學、華北電力大學、北京航空航天大學、中科院長春光學精密機械與物理研究所、核工業理化工程研究院研院等單位。復合材料飛輪設計技術國內研究單位主要有鄭州大學、清華大學、中國科技大學、北京航空航天大學等。目前有多個單位正在研發轉速為15000～25000 r/min 功率為75～250kW的高速電動機，主要用于石油化工、天然氣輸送及污水處理等高速離心壓縮機和泵類負載。

二、飛輪儲能技術發展趨勢

（1）系統設計與制造方面：增加飛輪儲能容量，由當前的 10kWh 級提高到100kWh。技術途徑有兩條：一是采用重型金屬材料飛輪;二是提高轉速，采用先進復合材料。國外先進復合材料飛輪儲能密度達到 100Wh/kg，考慮到先進高強纖維的高技術貿易壁壘，國內努力提高的的目標是 50-80Wh/kg。

（2）國外飛輪儲能用高速電機技術日趨成熟，轉速超過 10000 轉/分、功率超過 100 千瓦的高速電機是國內研發方向，需要顯著降低電機的損耗，以利于控制系統的損耗。國內 3000-8000 轉左右的 100-1000 千瓦的永磁同步電機技術已經獲得突破，應用于飛輪儲能，因適應真空環境還需要降低損耗并提高效率。

（3）采用磁懸浮以降低損耗，電磁、永磁混合軸承技術趨于成熟，研究方向是減低主動控制損耗，在現有的飛輪儲能系統中已經得到大量應用。高承載力、微損耗的高溫超導磁懸浮是大容量飛輪儲能系統的軸承發展方向，在國外研究投入較大，國內研究投入力量很少。

（4）為提高功率、能量容量，飛輪儲能單元采用模塊化設計，由多個模塊并聯成陣列式儲系統。目前國外的飛輪儲能電源陣列功率由 10MW 級向 100MW級發展，放電時間由分鐘向小時發展，模塊化運行管理是飛輪儲能系統大型化的主要方向。

三、1MW飛輪儲能系統永磁電機的研制

飛輪儲能系統主要由真空室、飛輪本體、軸承、電動/發電機、雙向功率變換器五部分組成，要實現飛輪儲能技術的突破就必須解決高速飛輪的材料強度及加工工藝、高速電機設計技術、大功率電力電子技術、真空密封技術、電磁軸承等核心技術，而這些高技術與核工業中應用的離心機技術由很大相似之處，這就決定了不可能依靠技術引進來實現技術突破，只能依靠自主創新。我公司與清華大學合作研發電動/發電機一體化永磁電機，應用于1MW飛輪儲能系統。

（一） 飛輪儲能永磁電機技術要求

1、 飛輪儲能機組規格

發電功率：500-1000kW

電動功率：100-300kW

可用儲能：42MJ

儲能效率：≥92%

釋能效率：≥92%

待機損耗： ≤20kW

飛輪電機軸系工作轉速：1200-2700-1200r/min

防護等級：IP54

機組最大直徑：2000mm

2、電機規格

額定功率： 1000 kW

額定電壓： 600 V AC

工作轉速： 1200-2700 rpm

工作頻率： 40-80 Hz

額定效率： 95%

功率因數： 0.95

額定電流： 1050A AC

過載倍數： 1.5

絕緣等級： H級

工作制： S1

安裝方式： 立式安裝

冷卻方式： 強制風冷

（二） 飛輪儲能永磁電機結構設計需要考慮的因素

根據飛輪儲能電源永磁電機的要求，設計中考慮以下因素：

1、轉子處于高速旋轉狀態，永磁體與轉軸之間的固定需要特別考慮，因此采用內置式轉子結構，將永磁體放置在轉子鐵心內部，參見下圖，其中藍色和褐色的為永磁塊。該結構永磁塊形狀簡單，為矩形塊。

2、飛輪儲能裝置放置在充氦的密閉腔體內，轉子只能通過氦氣與外部進行熱交換，散熱不良。由于永磁體布置在轉子上，為了降低轉子的溫升，需要降低轉子的損耗。理想狀態下轉子相對磁場靜止，沒有鐵損耗，轉子無繞組也不存在銅損耗，只有轉子與氦氣之間的風摩損耗。但是如果磁場中有諧波或者磁場相對轉子有運動，則轉子鐵心和永磁體上將產生損耗。為降低轉子損耗，應使定子繞組產生的磁場盡可能正弦，所以定子繞組采用分布短距繞組以削弱定子繞組的諧波磁動勢。每極每相槽數為3，節距為8/9。

3、為降低電力電子控制裝置的容量，減小裝置的電流，設計中應使電機的功率因數接近1，此時轉子永磁材料的用量適當。若進一步減少永磁用量，電流將反而增大，增大定子繞組和電力電子裝置的電流。

4、對于內置式永磁轉子結構，永磁體和磁極部分鐵心在高速旋轉時的離心力需要由磁橋承擔，從強度角度希望磁橋厚，但是從電磁角度，過厚的磁橋會增大轉子的漏磁，是永磁體產生的磁通直接在轉子上流通，而不交鏈定子。為增加轉子強度，將永磁體在寬度方向上分為多個小段，每小塊之間保留鐵心形成磁橋，用磁橋承擔離心力。

5、內置式永磁電機磁阻轉矩的利用。磁阻轉矩的利用在電動機中是提高轉矩密度的重要手段，但作為發電機，由于磁阻轉矩在大部分功角范圍內都是負值，與電磁永磁體產生的轉矩方向相反，在設計中需要減弱磁阻轉矩的作用。

6、定子諧波磁場會在轉子表面產生渦流，引起損耗，為了將轉子的熱量有效散出，轉子表面涂一層吸熱發光材料，該材料可吸收轉子的熱量，通過散發紅外線釋放熱量，將轉子的熱在真空環境傳遞到定子殼體。

（三）各工作狀態分析

對飛輪儲能永磁電機在儲能和放能過程中的各個狀態進行了詳細計算，結果見下表。

不同工況下的分析計算結果

（四）產品測試結果

1MW/60MJ飛輪儲能電源系統充放電性能測試

1200-2700轉/分，升速過程中，充電功率為200kW。

2700-2200轉/分，降速過程中，發電功率為1000kW。

四、結束語

本文對1MW飛輪儲能系統永磁電機設計進行了計算分析，產品試應用于中原油田鉆井平臺上，在鉆井施工中所進行的鉆機動力調峰考核中，通過了5000次的考核運行，節能效果良好，受到用戶的高度認可。為開發飛輪儲能系統配套永磁電機系列產品提供了寶貴經驗。

參考文獻：

[1]上海電器科學研究所編·中小型電機·機械工業出版社，1986.

[2]唐任遠·現代永磁電機理論與設計.機械工業出版社，1997.

[3]徐君賢·電機與電器制造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2000.