飛輪儲(chǔ)能電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性的探究

趙健桐

（本溪市高級(jí)中學(xué)，遼寧 本溪 117000）

1 綜述

1.1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)工作原理

飛輪儲(chǔ)能是一種物理儲(chǔ)能技術(shù)，利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)能與電能的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換。其互逆式電機(jī)有兩種工作模式：充電模式與放電模式。在充電過(guò)程中，外加電源驅(qū)動(dòng)（作為電機(jī)轉(zhuǎn)子的）飛輪，飛輪轉(zhuǎn)速不斷提升至工作轉(zhuǎn)速區(qū)，此時(shí)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能。飛輪一般采用磁懸浮控制，且工作腔體內(nèi)為真空，由于沒(méi)有機(jī)械摩擦及空氣阻力，能量消耗極小，因此,能量就通過(guò)飛輪的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來(lái)了。在放電過(guò)程中，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)模式，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并不斷減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能向外輸出，從而實(shí)現(xiàn)了電能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。通過(guò)以上過(guò)程的周而復(fù)始，飛輪儲(chǔ)能電機(jī)就實(shí)現(xiàn)了電能的輸入、存儲(chǔ)和輸出。

1.2 飛輪儲(chǔ)能電機(jī)轉(zhuǎn)子介紹

1.2.1 飛輪轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是飛輪儲(chǔ)能的核心部件，是儲(chǔ)能的直接介質(zhì)。其旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)能就是所存儲(chǔ)的能量，儲(chǔ)能公式為：E= Jω2

式中：J 為飛輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω 為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

從存儲(chǔ)能量的角度來(lái)看，E越大越好。從公式可以看出，增加飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，或者提高飛輪轉(zhuǎn)速都可以提高飛輪的存儲(chǔ)能量。

1.2.2 轉(zhuǎn)子材料的選用與工作轉(zhuǎn)速

雖然金屬材料飛輪有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在儲(chǔ)能密度偏低的問(wèn)題。復(fù)合材料不但可設(shè)計(jì)性好，還往往具有很高的比強(qiáng)度。目前的高速飛輪普遍采用超強(qiáng)碳纖維/玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合材料。在材料強(qiáng)度上限范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速越高，其儲(chǔ)能密度就越大。因此，應(yīng)力求最大限度地提高轉(zhuǎn)子速度。但是要注意，飛輪材料強(qiáng)度的上限決定了其轉(zhuǎn)速也會(huì)有最大值的限制，不能超過(guò)其限定值，否則材料會(huì)發(fā)生破壞。

1.3 研究轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性的意義

如上所述，轉(zhuǎn)子是飛輪儲(chǔ)能電機(jī)的核心部件，以切換轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行動(dòng)能和電能的往復(fù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子工作時(shí)始終處于高速旋轉(zhuǎn)中，其運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。一旦發(fā)生失穩(wěn)，輕則影響充放電效率和儲(chǔ)能總量，重則發(fā)生嚴(yán)重事故。因此，我們要對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2 影響轉(zhuǎn)子工作穩(wěn)定性的因素

影響轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性的因素主要有：發(fā)熱、振動(dòng)、材料變形斷裂、分層、部件脫落。

2.1 發(fā)熱

發(fā)熱是影響轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性的最主要因素，絕大多數(shù)情況下的轉(zhuǎn)子失效均與發(fā)熱有關(guān)。運(yùn)行中轉(zhuǎn)子的發(fā)熱主要來(lái)源于轉(zhuǎn)子繞組與鐵心、磁懸浮軸承部件以及控制電路器件。發(fā)熱源的熱量會(huì)相互迭加，由于轉(zhuǎn)子工作在高真空環(huán)境下，無(wú)法通過(guò)空氣對(duì)流來(lái)進(jìn)行有效散熱。如果熱量無(wú)法迅速導(dǎo)出，則溫度會(huì)不斷上升，最終導(dǎo)致系統(tǒng)溫度過(guò)高。較高的溫度會(huì)使轉(zhuǎn)子本體和鐵心硅鋼片的熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致材料出現(xiàn)變形與開(kāi)裂。另外，轉(zhuǎn)子本體和鐵心分別采用不同的材料，通過(guò)機(jī)械連接和粘接的方式進(jìn)行固定。由于兩者的熱膨脹系數(shù)不同，高溫會(huì)造成轉(zhuǎn)子本體與鐵心因膨脹率不一致而發(fā)生分離。永磁體的磁性能會(huì)隨著周邊環(huán)境溫度的升高而下降，高溫會(huì)讓其磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生較大變化，破壞已經(jīng)形成的平衡，降低系統(tǒng)的可靠性，甚至?xí)l(fā)生不可逆的去磁現(xiàn)象，使磁懸浮軸承失效，導(dǎo)致飛輪轉(zhuǎn)子與定子直接強(qiáng)烈碰撞的嚴(yán)重事故。至于電子器件的發(fā)熱，若不能及時(shí)將熱量導(dǎo)出，器件就會(huì)因過(guò)熱而失效，直至損壞而造成控制系統(tǒng)癱瘓。這同樣也會(huì)造成極其嚴(yán)重的事故。

2.2 振動(dòng)

振動(dòng)最主要的原因是轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量偏大，不平衡量會(huì)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一種周期變化的離心力偶，其對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)將產(chǎn)生擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)的變化頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)一致。隨著轉(zhuǎn)速的提升，當(dāng)變化頻率和轉(zhuǎn)子的固有頻率相等時(shí)，發(fā)生共振，此時(shí)轉(zhuǎn)子的振幅最大。發(fā)生共振時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就稱為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。 如果在臨界轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其劇烈振動(dòng)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子造成較大影響，本體可能會(huì)出現(xiàn)變形、層間分離、開(kāi)裂以及部件脫落等問(wèn)題。在震動(dòng)嚴(yán)重，且控制力不夠的情況下，控制系統(tǒng)無(wú)法控制其運(yùn)行軌跡邊界，會(huì)造成轉(zhuǎn)子失控，發(fā)生事故。

2.3 材料變形、斷裂、分層

飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用金屬材料制作的轉(zhuǎn)子輪轂在環(huán)向應(yīng)力最大處往往會(huì)發(fā)生塑形變形，使飛輪狀態(tài)改變。飛輪本體的斷裂主要包括有纖維斷裂和纖維分層。當(dāng)飛輪的環(huán)向應(yīng)力大于纖維的最大強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起纖維斷裂。由于轉(zhuǎn)子基體的強(qiáng)度小于纖維的強(qiáng)度，在斷裂處會(huì)形成小裂紋，隨著更多的纖維斷裂，小裂紋逐漸發(fā)展為較大裂紋，最后導(dǎo)致飛輪的破壞；當(dāng)徑向應(yīng)力成為飛輪破壞的主要因素時(shí)，飛輪的基體在徑向拉應(yīng)力的作用下，會(huì)因基體屈服開(kāi)裂、纖維與基體脫粘或纖維斷裂而導(dǎo)致飛輪發(fā)生分層破壞。

2.4 部件脫落

飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速往往達(dá)到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，甚至更高，轉(zhuǎn)子邊緣的線速度可達(dá)到200m/s以上。如此高速的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大的離心力。其轉(zhuǎn)子上安裝的部件要能夠承受如此高的離心力。例如轉(zhuǎn)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(yīng)力，但對(duì)拉應(yīng)力的承受效果相對(duì)較差，其抗拉強(qiáng)度往往低于抗壓強(qiáng)度的十分之一，如果沒(méi)有保護(hù)措施，永磁體無(wú)法承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的巨大離心力而發(fā)生碎裂而脫落。此外，固定在轉(zhuǎn)子上的其他部件如果安裝不夠牢固，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)脫落的可能。

3 改善轉(zhuǎn)子工作穩(wěn)定性的措施

3.1 針對(duì)發(fā)熱的措施

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

3.2 針對(duì)振動(dòng)的措施

飛輪轉(zhuǎn)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(dòng)平衡精度，安裝前一定要進(jìn)行動(dòng)平衡操作。對(duì)于工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，不平衡量引起的變形量較小，可以按照剛體來(lái)處理；如果工作轉(zhuǎn)速大于一階臨界轉(zhuǎn)速（甚至二階臨界轉(zhuǎn)速），此時(shí)轉(zhuǎn)子應(yīng)按照撓性體來(lái)處理，并采用高速動(dòng)平衡機(jī)。另外，還有一點(diǎn)也要注意，工作轉(zhuǎn)速超臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速必定會(huì)通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，其振動(dòng)肯定要加劇。但只要迅速通過(guò)，由于軸系阻尼作用的存在，是不會(huì)造成破壞的。

3.3 針對(duì)材料變形、斷裂、分層的措施

首先，輪轂部件材料應(yīng)該保證剛度和延展性。做結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)時(shí)就要做好應(yīng)力計(jì)算和模擬，選擇性能好的材料。針對(duì)纖維斷裂和分層，比較常見(jiàn)的方法是采用多層復(fù)合材料轉(zhuǎn)子，由若干單層復(fù)合材料圓環(huán)組裝而成，各層之間采用過(guò)盈裝配或張力纏繞，在飛輪內(nèi)部各層間產(chǎn)生徑向預(yù)壓應(yīng)力。當(dāng)多層飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，層間預(yù)壓力隨轉(zhuǎn)速增加逐漸減小，在工作轉(zhuǎn)速時(shí)，層間仍會(huì)保持有正壓力，不會(huì)松脫。另外，各環(huán)的徑向厚度與半徑比選擇至關(guān)重要，因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)狀態(tài)下，各環(huán)徑向膨脹速度不一致，會(huì)產(chǎn)生徑向位移不一致的現(xiàn)象，各環(huán)徑向厚度的選擇應(yīng)避免纏繞環(huán)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(lái)說(shuō)，脆性基體破壞應(yīng)變小、能量吸收能力弱，很難阻止裂紋擴(kuò)展，易于產(chǎn)生基體開(kāi)裂。在碳纖維飛輪圓環(huán)之間加入彈性聚氨酯過(guò)渡層，或者直接以聚氨酯彈性材料作為復(fù)合材料基體，可以吸收能量、抑制裂紋擴(kuò)展，從而提高基體的韌性。

3.4 針對(duì)部件脫落的措施

保護(hù)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(qiáng)度非導(dǎo)磁合金鋼護(hù)套。碳纖維綁扎帶厚度較小，而且不產(chǎn)生高頻渦流損耗。但碳纖維是熱的不良導(dǎo)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(qiáng)度非導(dǎo)磁合金鋼護(hù)套，永磁體與護(hù)套間采用過(guò)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(dǎo)體，既可以屏蔽掉一些高頻諧波，也有利于永磁體的散熱。

轉(zhuǎn)子的部件脫落主要發(fā)生在高速工作狀態(tài)下。因此，可采用多種檢測(cè)手段檢測(cè)轉(zhuǎn)子部件的安裝質(zhì)量，以盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。由于飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其使用狀態(tài)的特殊性，應(yīng)采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)材料損傷及斷裂情況進(jìn)行檢測(cè)。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(jì)算機(jī)層析照相法等。另外，在正式安裝之前還要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)測(cè)試。將轉(zhuǎn)子安裝到試驗(yàn)臺(tái)上，以工作轉(zhuǎn)速1.1～1.2倍的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后檢查各個(gè)部件是否有變形、移位，以此來(lái)測(cè)試安裝質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高比能量、高比功率、高效率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)理想的儲(chǔ)能裝置。飛輪轉(zhuǎn)子作為核心部件，運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)影響運(yùn)行穩(wěn)定性各個(gè)因素的研究，從設(shè)計(jì)、材料選擇以及裝配和檢測(cè)工藝方面不斷優(yōu)化，從而確保飛輪轉(zhuǎn)子的性能滿足穩(wěn)定運(yùn)行的需要，使飛輪儲(chǔ)能成為成熟的新能源技術(shù)。

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