1MW飞轮储能系统永磁电机的研制

覃诚群　朱涛

摘 要：飞轮储能是一种新型大功率、长寿命和环境特性友好的高新技术，可应用于不间断电源、新能源发电储能、能量回收利用等能源领域。国外已经实现了商业化应用，清华大学等研究单位已掌握主要关键技术，处于商业应用开拓发展期。飞轮储能与发电机组组合，形成大功率高品质不间断供电系统，可以在国内UPS 行业开拓发展出一个产值 2 亿元的稳定市场。开发大能量低成本飞轮储能阵列，形成电网规模的储能电站，可以应用于风能、太阳能发电，发展出一个产值 13 亿元的新兴市场。研究磁悬浮高端飞轮储能技术，形成先进飞轮储能机组产品，占领技术制高点，可拓宽应用于能量再生、高功率脉冲电源等潜在领域。

关键词：飞轮储能系统;永磁电机;一体化设计

一、概述

飞轮储能的基本原理是电能与旋转体动能之间的转换：在储能阶段，通过电动机拖动飞轮，使飞轮加速到一定的转速，将电能转化为动能;在能量释放阶段，电动机作发电机运行，使飞轮减速，将动能转化为电能。飞轮储能在工程中早已得到大量应用，与电机结合实现电能的存储的现代飞轮储能电源综合了先进复合材料转子技术、磁轴承技术、高速电机以及功率电子技术而极大地提高了性能，在2000年前后，现代飞轮储能电源商业化产品开始推广，其中美国的飞轮储能技术处于领先地位。

经过50年的长期积累与国家科技计划的支持，以美国为代表的国外现代飞轮储能电源高技术在产业过程中迅速扩张，目前全球有超过3000套基于飞轮储能的大功率动态不间断电源系统（UPS）安全可靠运行了上千万小时，应用于高质量电力、风力发电、车辆制动能再生等领域，这些产品已经从2005年登陆中国市场。大容量飞轮调频示范电站正在美国建立，为降低自放电率，美国、日本、德国都在大力研发基于高温超导磁悬浮的大能量飞轮储能电源，以延长飞轮发电时间到小时级别。

西方国际依据其技术领先优势，并在风险投资的引领下，在飞轮储能的各种技术路线下大力研究，开发出各种不同用途的飞轮储能电源系统。这些应用包括可再生能源的储能、高品质供电、电网调频、轨道交通车辆制动动能再生等领域。德国的Piller公司、美国的Active电源公司、Pentdyn公司都在抢占中国市场。

国内自80年代关注飞轮储能技术开始，自90年代开始关键技术基础研究，建立试验装置，在实验室开展西方国家80年代完成的工作。建立飞轮储能装置开展试验研究的有中科院电工研究所、清华大学、华北电力大学、北京航空航天大学、中科院长春光学精密机械与物理研究所、核工业理化工程研究院研院等单位。复合材料飞轮设计技术国内研究单位主要有郑州大学、清华大学、中国科技大学、北京航空航天大学等。目前有多个单位正在研发转速为15000～25000 r/min 功率为75～250kW的高速电动机，主要用于石油化工、天然气输送及污水处理等高速离心压缩机和泵类负载。

二、飞轮储能技术发展趋势

（1）系统设计与制造方面：增加飞轮储能容量，由当前的 10kWh 级提高到100kWh。技术途径有两条：一是采用重型金属材料飞轮;二是提高转速，采用先进复合材料。国外先进复合材料飞轮储能密度达到 100Wh/kg，考虑到先进高强纤维的高技术贸易壁垒，国内努力提高的的目标是 50-80Wh/kg。

（2）国外飞轮储能用高速电机技术日趋成熟，转速超过 10000 转/分、功率超过 100 千瓦的高速电机是国内研发方向，需要显著降低电机的损耗，以利于控制系统的损耗。国内 3000-8000 转左右的 100-1000 千瓦的永磁同步电机技术已经获得突破，应用于飞轮储能，因适应真空环境还需要降低损耗并提高效率。

（3）采用磁悬浮以降低损耗，电磁、永磁混合轴承技术趋于成熟，研究方向是减低主动控制损耗，在现有的飞轮储能系统中已经得到大量应用。高承载力、微损耗的高温超导磁悬浮是大容量飞轮储能系统的轴承发展方向，在国外研究投入较大，国内研究投入力量很少。

（4）为提高功率、能量容量，飞轮储能单元采用模块化设计，由多个模块并联成阵列式储系统。目前国外的飞轮储能电源阵列功率由 10MW 级向 100MW级发展，放电时间由分钟向小时发展，模块化运行管理是飞轮储能系统大型化的主要方向。

三、1MW飞轮储能系统永磁电机的研制

飞轮储能系统主要由真空室、飞轮本体、轴承、电动/发电机、双向功率变换器五部分组成，要实现飞轮储能技术的突破就必须解决高速飞轮的材料强度及加工工艺、高速电机设计技术、大功率电力电子技术、真空密封技术、电磁轴承等核心技术，而这些高技术与核工业中应用的离心机技术由很大相似之处，这就决定了不可能依靠技术引进来实现技术突破，只能依靠自主创新。我公司与清华大学合作研发电动/发电机一體化永磁电机，应用于1MW飞轮储能系统。

（一） 飞轮储能永磁电机技术要求

1、 飞轮储能机组规格

发电功率：500-1000kW

电动功率：100-300kW

可用储能：42MJ

储能效率：≥92%

释能效率：≥92%

待机损耗： ≤20kW

飞轮电机轴系工作转速：1200-2700-1200r/min

防护等级：IP54

机组最大直径：2000mm

2、电机规格

额定功率： 1000 kW

额定电压： 600 V AC

工作转速： 1200-2700 rpm

工作频率： 40-80 Hz

额定效率： 95%

功率因数： 0.95

额定电流： 1050A AC

过载倍数： 1.5

绝缘等级： H级

工作制： S1

安装方式： 立式安装

冷却方式： 强制风冷

（二） 飞轮储能永磁电机结构设计需要考虑的因素

根据飞轮储能电源永磁电机的要求，设计中考虑以下因素：

1、转子处于高速旋转状态，永磁体与转轴之间的固定需要特别考虑，因此采用内置式转子结构，将永磁体放置在转子铁心内部，参见下图，其中蓝色和褐色的为永磁块。该结构永磁块形状简单，为矩形块。

2、飞轮储能装置放置在充氦的密闭腔体内，转子只能通过氦气与外部进行热交换，散热不良。由于永磁体布置在转子上，为了降低转子的温升，需要降低转子的损耗。理想状态下转子相对磁场静止，没有铁损耗，转子无绕组也不存在铜损耗，只有转子与氦气之间的风摩损耗。但是如果磁场中有谐波或者磁场相对转子有运动，则转子铁心和永磁体上将产生损耗。为降低转子损耗，应使定子绕组产生的磁场尽可能正弦，所以定子绕组采用分布短距绕组以削弱定子绕组的谐波磁动势。每极每相槽数为3，节距为8/9。

3、为降低电力电子控制装置的容量，减小装置的电流，设计中应使电机的功率因数接近1，此时转子永磁材料的用量适当。若进一步减少永磁用量，电流将反而增大，增大定子绕组和电力电子装置的电流。

4、对于内置式永磁转子结构，永磁体和磁极部分铁心在高速旋转时的离心力需要由磁桥承担，从强度角度希望磁桥厚，但是从电磁角度，过厚的磁桥会增大转子的漏磁，是永磁体产生的磁通直接在转子上流通，而不交链定子。为增加转子强度，将永磁体在宽度方向上分为多个小段，每小块之间保留铁心形成磁桥，用磁桥承担离心力。

5、内置式永磁电机磁阻转矩的利用。磁阻转矩的利用在电动机中是提高转矩密度的重要手段，但作为发电机，由于磁阻转矩在大部分功角范围内都是负值，与电磁永磁体产生的转矩方向相反，在设计中需要减弱磁阻转矩的作用。

6、定子谐波磁场会在转子表面产生涡流，引起损耗，为了将转子的热量有效散出，转子表面涂一层吸热发光材料，该材料可吸收转子的热量，通过散发红外线释放热量，将转子的热在真空环境传递到定子壳体。

（三）各工作状态分析

对飞轮储能永磁电机在储能和放能过程中的各个状态进行了详细计算，结果见下表。

不同工况下的分析计算结果

（四）产品测试结果

1MW/60MJ飞轮储能电源系统充放电性能测试

1200-2700转/分，升速过程中，充电功率为200kW。

2700-2200转/分，降速过程中，发电功率为1000kW。

四、结束语

本文对1MW飛轮储能系统永磁电机设计进行了计算分析，产品试应用于中原油田钻井平台上，在钻井施工中所进行的钻机动力调峰考核中，通过了5000次的考核运行，节能效果良好，受到用户的高度认可。为开发飞轮储能系统配套永磁电机系列产品提供了宝贵经验。

参考文献：

[1]上海电器科学研究所编·中小型电机·机械工业出版社，1986.

[2]唐任远·现代永磁电机理论与设计.机械工业出版社，1997.

[3]徐君贤·电机与电器制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2000.