飞轮储能电机转子运行稳定性的探究

赵健桐

（本溪市高级中学，辽宁 本溪 117000）

1 综述

1.1 飞轮储能技术工作原理

飞轮储能是一种物理储能技术，利用高速旋转的飞轮来实现动能与电能的存储与转换。其互逆式电机有两种工作模式：充电模式与放电模式。在充电过程中，外加电源驱动（作为电机转子的）飞轮，飞轮转速不断提升至工作转速区，此时处于电动机状态，电能转换为机械动能。飞轮一般采用磁悬浮控制，且工作腔体内为真空，由于没有机械摩擦及空气阻力，能量消耗极小，因此,能量就通过飞轮的惯性转动，以动能的形式存储起来了。在放电过程中，电机运行在发电机模式，飞轮带动发电机发电，并不断减速，将动能转换为电能向外输出，从而实现了电能到动能的转换。通过以上过程的周而复始，飞轮储能电机就实现了电能的输入、存储和输出。

1.2 飞轮储能电机转子介绍

1.2.1 飞轮转子

转子是飞轮储能的核心部件，是储能的直接介质。其旋转时的动能就是所存储的能量，储能公式为：E= Jω2

式中：J 为飞轮轴转动惯量；ω 为飞轮转动角速度。

从存储能量的角度来看，E越大越好。从公式可以看出，增加飞轮转动惯量，或者提高飞轮转速都可以提高飞轮的存储能量。

1.2.2 转子材料的选用与工作转速

虽然金属材料飞轮有制造工艺简单、成本低等优点，但存在储能密度偏低的问题。复合材料不但可设计性好，还往往具有很高的比强度。目前的高速飞轮普遍采用超强碳纤维/玻璃纤维与环氧树脂的复合材料。在材料强度上限范围内，转子工作转速越高，其储能密度就越大。因此，应力求最大限度地提高转子速度。但是要注意，飞轮材料强度的上限决定了其转速也会有最大值的限制，不能超过其限定值，否则材料会发生破坏。

1.3 研究转子运行稳定性的意义

如上所述，转子是飞轮储能电机的核心部件，以切换转速的方式进行动能和电能的往复转换。转子工作时始终处于高速旋转中，其运行稳定性至关重要。一旦发生失稳，轻则影响充放电效率和储能总量，重则发生严重事故。因此，我们要对转子的运行稳定性进行重点研究。

2 影响转子工作稳定性的因素

影响转子运行稳定性的因素主要有：发热、振动、材料变形断裂、分层、部件脱落。

2.1 发热

发热是影响转子运行稳定性的最主要因素，绝大多数情况下的转子失效均与发热有关。运行中转子的发热主要来源于转子绕组与铁心、磁悬浮轴承部件以及控制电路器件。发热源的热量会相互迭加，由于转子工作在高真空环境下，无法通过空气对流来进行有效散热。如果热量无法迅速导出，则温度会不断上升，最终导致系统温度过高。较高的温度会使转子本体和铁心硅钢片的热应力增加，导致材料出现变形与开裂。另外，转子本体和铁心分别采用不同的材料，通过机械连接和粘接的方式进行固定。由于两者的热膨胀系数不同，高温会造成转子本体与铁心因膨胀率不一致而发生分离。永磁体的磁性能会随着周边环境温度的升高而下降，高温会让其磁场强度发生较大变化，破坏已经形成的平衡，降低系统的可靠性，甚至会发生不可逆的去磁现象，使磁悬浮轴承失效，导致飞轮转子与定子直接强烈碰撞的严重事故。至于电子器件的发热，若不能及时将热量导出，器件就会因过热而失效，直至损坏而造成控制系统瘫痪。这同样也会造成极其严重的事故。

2.2 振动

振动最主要的原因是转子的剩余不平衡量偏大，不平衡量会在转子旋转时产生一种周期变化的离心力偶，其对转子的转动将产生扰动，这个扰动的变化频率与转子的转数一致。随着转速的提升，当变化频率和转子的固有频率相等时，发生共振，此时转子的振幅最大。发生共振时转子的转速就称为转子的临界转速。 如果在临界转速下长时间运行，其剧烈振动会对转子造成较大影响，本体可能会出现变形、层间分离、开裂以及部件脱落等问题。在震动严重，且控制力不够的情况下，控制系统无法控制其运行轨迹边界，会造成转子失控，发生事故。

2.3 材料变形、断裂、分层

飞轮在高速旋转时，采用金属材料制作的转子轮毂在环向应力最大处往往会发生塑形变形，使飞轮状态改变。飞轮本体的断裂主要包括有纤维断裂和纤维分层。当飞轮的环向应力大于纤维的最大强度时，会引起纤维断裂。由于转子基体的强度小于纤维的强度，在断裂处会形成小裂纹，随着更多的纤维断裂，小裂纹逐渐发展为较大裂纹，最后导致飞轮的破坏；当径向应力成为飞轮破坏的主要因素时，飞轮的基体在径向拉应力的作用下，会因基体屈服开裂、纤维与基体脱粘或纤维断裂而导致飞轮发生分层破坏。

2.4 部件脱落

飞轮电机的转速往往达到几万转以上，甚至更高，转子边缘的线速度可达到200m/s以上。如此高速的旋转产生巨大的离心力。其转子上安装的部件要能够承受如此高的离心力。例如转子上的永磁体一般采用钕铁硼材料，这种材料能够承受一定的压应力，但对拉应力的承受效果相对较差，其抗拉强度往往低于抗压强度的十分之一，如果没有保护措施，永磁体无法承受转子高速旋转而产生的巨大离心力而发生碎裂而脱落。此外，固定在转子上的其他部件如果安装不够牢固，高速旋转时也会出现脱落的可能。

3 改善转子工作稳定性的措施

3.1 针对发热的措施

针对转子绕组发热，可考虑采用磁阻电机。转子由铁芯叠片而成，其上无绕组，这就消除了绕组引起的发热。同时，采用铁损值低的超薄硅钢片来减少磁滞损耗和涡流损耗引起的发热。对于磁悬浮轴承的发热，解决的方法之一是适当减少控制间隙，使其所需的控制力相应减小。通过这种方式可以降低电磁铁的电流，从而降低发热。对于控制电路板的发热，首先要优化设计，包括采用合理的走线设计，避免热点集中，尽可能地将功率均匀地分布；对温度比较敏感的器件安置在温度最低的区域；还有，可在高热耗散器件（如芯片）底面使用热导材料（如导热硅胶等），并保持一定的接触区域供器件散热，以便将热量迅速导走。

3.2 针对振动的措施

飞轮转子的材料要尽量做到均匀和平衡分布，必须要有非常好的动平衡精度，安装前一定要进行动平衡操作。对于工作转速低于一阶临界转速的转子，不平衡量引起的变形量较小，可以按照刚体来处理；如果工作转速大于一阶临界转速（甚至二阶临界转速），此时转子应按照挠性体来处理，并采用高速动平衡机。另外，还有一点也要注意，工作转速超临界转速的转子在启动和制动时，转速必定会通过临界转速，其振动肯定要加剧。但只要迅速通过，由于轴系阻尼作用的存在，是不会造成破坏的。

3.3 针对材料变形、断裂、分层的措施

首先，轮毂部件材料应该保证刚度和延展性。做结构形状设计时就要做好应力计算和模拟，选择性能好的材料。针对纤维断裂和分层，比较常见的方法是采用多层复合材料转子，由若干单层复合材料圆环组装而成，各层之间采用过盈装配或张力缠绕，在飞轮内部各层间产生径向预压应力。当多层飞轮运转时，层间预压力随转速增加逐渐减小，在工作转速时，层间仍会保持有正压力，不会松脱。另外，各环的径向厚度与半径比选择至关重要，因为在高速旋转状态下，各环径向膨胀速度不一致，会产生径向位移不一致的现象，各环径向厚度的选择应避免缠绕环由于径向拉伸造成的破坏。还有一种方法是增加基体的韧性。一般来说，脆性基体破坏应变小、能量吸收能力弱，很难阻止裂纹扩展，易于产生基体开裂。在碳纤维飞轮圆环之间加入弹性聚氨酯过渡层，或者直接以聚氨酯弹性材料作为复合材料基体，可以吸收能量、抑制裂纹扩展，从而提高基体的韧性。

3.4 针对部件脱落的措施

保护永磁体的措施主要有两种，一种是采用碳纤维绑扎，另一种是在永磁体外面加一层高强度非导磁合金钢护套。碳纤维绑扎带厚度较小，而且不产生高频涡流损耗。但碳纤维是热的不良导体，不利于永磁体的散热。目前常用的方法是采用永磁体外面加一层高强度非导磁合金钢护套，永磁体与护套间采用过盈配合。这样做虽然增加了永磁体直径，但是它是电和热的良导体，既可以屏蔽掉一些高频谐波，也有利于永磁体的散热。

转子的部件脱落主要发生在高速工作状态下。因此，可采用多种检测手段检测转子部件的安装质量，以尽早发现问题。由于飞轮转子结构及其使用状态的特殊性，应采用无损检测方法对材料损伤及断裂情况进行检测。常用的方法有目视法、超声波法、X射线法、热成像法、微波法、计算机层析照相法等。另外，在正式安装之前还要对转子进行高速旋转测试。将转子安装到试验台上，以工作转速1.1～1.2倍的速度进行旋转，然后检查各个部件是否有变形、移位，以此来测试安装质量。

4 结语

飞轮储能系统具有高比能量、高比功率、高效率、长寿命等优点，被认为是未来理想的储能装置。飞轮转子作为核心部件，运行时的稳定性至关重要。通过对影响运行稳定性各个因素的研究，从设计、材料选择以及装配和检测工艺方面不断优化，从而确保飞轮转子的性能满足稳定运行的需要，使飞轮储能成为成熟的新能源技术。

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