飞轮储能用磁轴承综述

刘钙，朱熀秋

（1.徐州工程学院 电气与控制工程学院，江苏 徐州 221018；2.江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013）

根据“十四五”规划和2035年远景目标纲要的要求，新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。随着新能源发电、分布式电源系统、不间断电源、新型动力车辆等领域的发展，新型储能系统已成为一个世界性的研究课题。飞轮储能可以将清洁能源以动能的形式储存起来，需要时通过电力电子转换装置转换为电能使用。

《计划》要求聚焦深度贫困地区脱贫攻坚这个“坚中之坚”，加强统筹协调、强化政策集成、加大资金投入，大力改善“三区三州”等地区旅游基础设施和公共服务设施，提高可进入性和接待能力、提升服务质量和水平，推进旅游业发展，促进民族交往交流交融和脱贫致富。《计划》明确，将加快“三区三州”主通道建设，加强对旅游业发展的支撑；完善区域干线公路网络，促进区域旅游协调融合发展；加大资金投入和项目倾斜，改善旅游基础设施和公共服务设施。《计划》还要求引导社会资本投入，不断丰富旅游产品和服务。

（1）进行任务的细化，对机器人的前进、后退、前左转弯、前右转弯等动作进行分解。（2）选择正确的突破口，当前方有球时要作出前进的反应。（3）要进行第一扩展，比如当后方有球则要做出后退的反应。（4）进行第二次扩展，当左前侧有球则作出左前转的反应。（5）作出第三次扩展，比如进行前方跟球，以此类推进行第四次、第五次扩展，从而不断完善局部功能。

飞轮储能系统主要包括飞轮转子、磁悬浮轴承、高速电动机、电力电子转换装置以及真空外壳。飞轮转子决定了整个飞轮储能系统所能存储的能量。磁轴承在飞轮储能中用于实现转子和定子的无摩擦运行，减少损耗，提高最高转速。高速电动机是能量转换的核心部件，飞轮储能充电时，电动机带动飞轮加速旋转，到达额定转速后说明飞轮储能充满电，需要使用时，该飞轮将动能转化为电能带动负载，飞轮储能的电量随着飞轮转速的降低变少。电力电子转换装置是飞轮储能系统关键的组成部分，通过电力电子变换器进行能量转换。飞轮储能转子在高速旋转时，空气阻力会限制转子的最高转速，增加系统损耗，因此将飞轮转子密封在全金属外壳内并使用真空泵抽真空。

本文阐述了飞轮储能的主要结构，总结了磁轴承的拓扑结构并详细综述了其参数优化、无传感控制和解耦控制等关键技术。

1 磁悬浮飞轮储能主要支承方式

当今的主要储能方式包含化学储能、抽水储能、超导储能及飞轮储能等［1］，几种储能方式的特性见表1。常用的储能方式是化学储能，如锂电池和铅酸电池，其使用寿命特别短且存在储能密度小以及污染环境等缺点。抽水储能一般使用在水位落差较大的地方，受地理位置限制无法大规模应用。超导储能使用寿命长，但制造成本高，不适合大范围使用。飞轮储能可以将风能和太阳能转化为机械能存储起来，具有储能密度高，瞬时功率大，充放电速度快，使用寿命长，能量转换效率高等特点，适用于电力调峰、分布式电源系统、不间断电源等领域，是一种具有广阔应用前景的储能方式［2］。

表1 几种储能方式的特性Tab.1 Characteristics of several energy storage methods

飞轮储能支承结构1 如图2a 所示，主要由电动机、推力盘、径向磁轴承、推力滚动轴承、转子等组成，优点是刚度任意可调，缺点是结构复杂，控制难度较大，实际可行性较小。

图1 飞轮储能工作原理图Fig.1 Schematic diagram of flywheel energy storage

图2 飞轮储能系统的支承结构Fig.2 Supporting structure of flywheel energy storage system

飞轮储能工作原理如图1 所示：充电时，电动机带动飞轮转子高速旋转，以动能的形式储存在飞轮转子上；放电时，飞轮转子将动能转化为电能，通过变流器带动负载运行［3］。支承技术是飞轮系统的核心技术，传统支承系统普遍采用机械轴承，当飞轮系统转动惯量一定时，通过提高飞轮转速可增大系统储存能量，但转子在高速运转时，机械轴承会产生大量的摩擦损耗，导致轴承寿命大大降低，飞轮储能系统维修频率增加［4］。因此，飞轮储能一般采用磁轴承进行控制，飞轮储能支承结构如图2所示。

飞轮储能支承结构2 如图2b 所示，主要由飞轮本体、辅助轴承、径向主动磁轴承、永磁电动机、轴向主动磁轴承等组成，飞轮与电动机转子相结合并采用外转子结构，结构较为紧凑，采用径向、轴向主动磁轴承组合进行支承，该系统所需的电功率较大，系统结构和控制结构较复杂，轴向空间利用率低。

按磁轴承定子上的磁极数量，通常可以将磁轴承分为三极磁轴承、四极磁轴承、六极磁轴承、八极磁轴承，如图10所示。

飞轮储能支承结构4 如图2d 所示，由二自由度和三自由度的混合磁轴承共同支承，永磁体自身产生的偏置磁场降低了所需电功率。此外，电动机与轴承均设计为外转子形式，电动机本体与飞轮本体组合，装置结构更紧凑；但磁轴承本身占一定的轴向长度，限制了飞轮的临界转速，而且成本较高。

2 飞轮储能用磁轴承结构特点

磁轴承应用于飞轮储能系统，使飞轮转子稳定悬浮以保证转子与定子无直接接触，从而避免了转子高速旋转时带来的摩擦损耗，适用于超高速场合；同时又因为无接触避免了碎屑产生，适用于超洁净场合。

(3)人防工程的管道应由墙体穿入为宜，尽量不由顶板穿入。凡进入防空地下室且其穿过围护结构的管道，均应做防护密闭处理。

磁轴承可以按偏置磁通产生方式、受控自由度数量、磁极数量3个方面进行分类。

2.1 按偏置磁通产生方式分类

2.2.2 二自由度磁轴承

图3 按偏置磁通产生方式分类的磁轴承Fig.3 Magnetic bearings classified by generation modes of biased magnetic flux

2.1.1 主动磁轴承

文献［5］分析了主动磁轴承的等效刚度和等效阻尼在交叉反馈控制方法中对陀螺效应的抑制作用，根据飞轮转子在旋转过程中的不稳定问题对主动磁轴承结构进行改进，新型五自由度主动磁轴承应用于飞轮储能的能量密度是传统飞轮储能的2倍，成功在1.14 mm气隙长度上使一个质量5 440 kg、半径2 m的飞轮稳定悬浮。文献［6］利用拉格朗日方程得到五自由度飞轮储能系统的非线性模型，解决了飞轮储能系统的能量控制问题。

2.1.2 被动磁轴承

被动磁轴承无控制线圈，仅仅通过永磁体产生的吸引力和排斥力实现被动磁轴承转子的稳定悬浮［7］。文献［8］的多环形磁铁形成了多马鞍面形磁场，选取环绕磁铁数量以及环绕半径得到最优多马鞍面磁场并制作被动磁轴承，对卧式飞轮电池进行支承。文献［9］的飞轮储能由2对被动永磁环的被动磁轴承和混合径向磁轴承组成，被动磁轴承可以在陀螺力矩作用下提供角刚度来抑制磁悬浮转子，并产生轴向悬浮力，使飞轮转子在轴向上稳定悬浮，附着在转子边缘上的被动磁轴承对角动量有很大作用。

〔设计意图：任务性的字数要求，无体验式的作文指导，造成了中年级学生无话可写或写流水账的通病，这也是学生的烦恼。由学生的困惑引出作文训练内容，更能激发学生的学习兴趣。〕

对于社会化媒体环境下的信息质量问题，有学者运用双路径模型(Elaboration Likelihood Model)和“把关人”理论进行了实证研究，结果发现信息源的可靠性、信息内容特征、普通受众的信息素养以及平台信息技术等四个维度因素都对信息质量有正向的影响[15]。因此，网络信息采集者(记者、作者)以及信息编辑发布者(网络编辑)，应充分发挥自身优势，积极采编、分享、传播具有较高价值的信息，并自觉强化自我监督，抵制劣质或错误信息的扩散传播。对于网络媒体平台来说，则应加强和优化内容审核管理，利用信息组织技术对信息内容进行筛选、加工和整合，为信息受众提供健康、实用的信息，提升信息的利用价值。

2.1.3 混合磁轴承

相对于以上2种磁轴承，混合磁轴承可以降低功率损耗，减小磁轴承的安匝数和体积，同时缩短磁轴承的轴向长度，易于加工和控制。电力系统使用过程中造成的能量损失以及分布式电源不稳定对微电网造成了极大的影响，因此微电网需要储能密度高，充放电速度快的飞轮电池，飞轮储能系统通过1 个轴向混合磁轴承和1 个新型径向Halbach 混合磁轴承支承，整个系统非常紧凑，而且具有很好的鲁棒性和稳定性。用于电力储能系统的轴向混合磁轴承［10］，永磁体与励磁线圈的结合可以降低功耗，限制系统体积，混合磁轴承支承的飞轮储能系统转速为20 000 r/min，最大存储功率容量为30 W，上、下转子和定子为锥形，可以在飞轮储能系统中达到更大的悬浮力。

2.1.4 小结

混合磁轴承利用永磁轴承产生偏置磁通，通过控制线圈产生控制磁通，同时解决了主动磁轴承和被动磁轴承的缺点，不仅降低功率损耗，同时缩短磁轴承的轴向长度，而且易于加工和控制。

2.2 按受控自由度数量分类

2.2.1 单自由度磁轴承

感染型文本，顾名思义，旨在感染或者说服读者并使其采取行动。商务文本中的售前文件几乎全部都可以归类为感染型文本。企业需要宣传自己，不论是具体的产品和服务，还是业绩，或者参与的活动和事件，对外宣传和公布信息的目的就是让目标读者认同企业，认同企业的产品和服务，认同企业的价值观，认同企业的经营方式，从而购买企业的产品和服务，或者购买企业的股票。

文献［11］在非线性有源磁轴承系统的反馈控制下估计磁通量，建立了单自由度有源磁轴承系统的精确离散时间模型，在零偏置磁通量和电压开关策略下运行，并在仿真中显示了良好的结果，单自由度磁轴承仅在一个方向上主动控制磁轴承的横向移动，其余方向上的运动只受到永磁铁的限制，可以将磁轴承保持在固定位置，精度高于3.5 μm；单自由度主动磁轴承如图4 所示，使用2 个电磁铁控制转子在x方向移动，非线性控制设计利用磁通量的广义互补，推导了磁通量的模型。

图4 单自由度主动磁轴承Fig.4 Active magnetic bearing with single degree of freedom

按偏置磁通产生方式可以将磁轴承分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承3 种，如图3所示。

二自由度磁轴承一般是在径向2 个自由度进行支承。如图5所示，为实现垂直驱动力和水平驱动力的集成，将绕组和永磁体进行集成，文献［12］设计了二自由度洛伦兹力驱动器，定位精度为20 μm，对多自由度洛伦兹力执行器的结构设计具有一定的指导意义。文献［13］针对二自由度三极磁轴承不对称结构导致控制复杂的问题，提出了二自由度六极磁轴承，并进行了数学建模和仿真验证。

图5 二自由度磁轴承Fig.5 Magnetic bearing with two degrees of freedom

2.2.3 三自由度磁轴承

三自由度磁轴承如图6 所示，是在径向2 个自由度和轴向1 个自由度进行支承。飞轮储能系统使用三自由度混合磁轴承进行支承时使用外转子结构，具有轴向利用率高和体积小等优点，可使用模糊PID 控制器对磁轴承进行控制。文献［14］制造了一台30 kW，60 000 r/min 高速电动机，采用三自由度混合磁轴承进行支承，如图7 所示，具有良好的悬浮力以及动态性能。

图6 三自由度径向、轴向混合磁轴承结构示意图Fig.6 Structure diagram of radial-axial hybrid magnetic bearing with three degrees of freedom

图7 三自由度混合磁轴承Fig.7 Hybrid magnetic bearing with three degrees of freedom

2.2.4 四自由度磁轴承

四自由度磁轴承由2 套二自由度磁轴承组合而成。文献［15］提出了新型四自由度同极混合磁轴承（图8）以减小径向四自由度的磁场耦合，其由2 对对称的径向定子和1 个转子组成，每侧的径向定子各有2 块，即x，y定子铁芯，由于不同径向定子铁芯中x，y磁极的特殊设计，x，y通道的磁路相互独立。文献［16］的100 kg 飞轮储能系统利用摆调谐质量阻尼器抑制系统的低频振动，利用拉格朗日定理建立了飞轮储能系统的四自由度动态模型，有效实现了飞轮储能系统在工作转速范围内的平稳运行；主动磁轴承转子系统的稳定控制是磁悬浮控制力矩陀螺仪应用于航天器姿态控制系统的关键技术，通过建立径向四自由度轴向转子系统的状态空间模型，采用不确定系统的区域极点分配方法，设计了鲁棒控制器以保持系统在全转速范围内的稳定性。

若数列由积分形式给出，而定积分又难以计算时，常用两种方法处理:一是利用积分中值定理去掉积分符号，再求极限；另一种是适当地放大与缩小被积函数，使得放大与缩小后的积分容易计算，再用夹逼定理求极限。

图8 四自由度同极混合磁轴承Fig.8 Homopolar hybrid magnetic bearing with four degrees of freedom

2.2.5 五自由度磁轴承

两种切口由于选择的部位不同，其美观程度、术后产妇感觉疼痛不适的程度、伤口的愈合、从切皮到胎儿娩出的时间、胎头娩出的难易程度、手术暴露的术野、术后的黏连情况、再次手术的难易等方面两者有所不同。

目前来看，对于全要素生产率是经济增长质量提高的主要源泉，学者们基本已经取得共识，但已有研究多是针对国家层面，针对单个省级层面全要素生产率的考察还很少。而我国地域辽阔，不同地区间经济发展差异巨大，资源禀赋也有所不同，因此有必要针对具体的地区具体分析，才能有针对性地提出提高全要素生产率的措施。因此，本文基于1992—2016年数据，对安徽全要素生产率增长率进行估算，进而分析要素投入和全要素生产率对经济增长的贡献。

图9 五自由度磁轴承的电主轴Fig.9 Motorized spindle composed of magnetic bearings with five degrees of freedom

2.3 按磁极数量分类

飞轮储能支承结构3如图2c所示，采用1个单自由度和2个二自由度的主动磁轴承共同支承，替代了传统的机械轴承，摩擦损耗大大降低；但整个装置完全由主动磁轴承支承，电功率消耗相对较大，控制结构较复杂，磁轴承本身轴向长度限制了系统的临界转速。

图10 按磁极数量分类的磁轴承Fig.10 Magnetic bearings classified by number of magnetic poles

2.3.1 三极磁轴承

在分子泵上使用磁轴承具有消除摩擦，减少功率损耗，降低维护成本，提高转速和使用寿命等优点，此外，磁轴承可以从根本上解决由润滑油蒸汽回流引起的真空室污染问题，三极磁轴承具有径向磁轴承中最简单的结构，可采用三相逆变器驱动，具有成本低、体积小、功耗低等优点。三极磁轴承如图11 所示，由于三极结构和逆变器驱动的力-电流特性是非线性的，难以准确控制三极磁轴承的位移，利用非线性化数学模型分析三极径向、轴向混合磁轴承的径向力-电流特性，并采用有限元法进行了验证。文献［19］提出了精确计算三极磁轴承控制电流和最优偏置磁场的方法，与传统的偏置方法相比，新方法使悬浮力密度提高15.5 %，安培匝数减少23.4 %。

图11 三极径向、轴向磁轴承Fig.11 Three-pole radial-axial magnetic bearing

2.3.2 四极磁轴承

3.2.1 参数估计法

五自由度磁轴承的电主轴（图9）包括1 套二自由度磁轴承和1 套三自由度磁轴承。文献［17］提出了用于直驱风机的五自由度混合磁轴承，可实现径向四自由度和轴向单自由度的悬浮，该混合磁轴承只采用2组径向控制绕组（一组径向控制绕组可以实现2 个自由度悬浮），与传统的主动磁轴承不同，该混合磁轴承采用了无推力盘的圆柱形转子，可以减小磁悬浮系统体积。文献［18］基于不同方向负载容量最大化的偏置磁通量密度设计原理，设计并组装了1 个五自由度磁轴承系统，对于1个2.2 kg的转子，该六极混合磁轴承的总功耗为12.77 W，仅为具有相同负载容量的传统八极主动磁轴承的13.35 %。

图12 互连式四极磁轴承Fig.12 Interconnected four-pole magnetic bearing

图13 二自由度四极径向混合磁轴承Fig.13 Four-pole radial hybrid magnetic bearing with two degrees of freedom

2.3.3 六极磁轴承

近几年来，我国出台了文化方面、经济方面、政治方面、环保领域等方面的相关法律法规，这些法规为我国社会的稳定发展创造了良好条件。互联网金融具有独特的特点，互联网金融的发展缺乏相应的法律保护与监管。下面将以校园贷为例，青少年对高端产品的需求量越来越大，但是他们的资金有限，这时校园贷就吸引了学生的眼球，通过校园贷学生可以购买到自己想要的产品，但是部分学生无法偿还高额负债，进而使学生走上了歧途，虽然校园贷的贷款利率并没有超过法律的规定，但是校园贷会以其他名目进行收费，这就是人们所说的高利贷。我国的法律法规并没有对这一业务进行明确的规范，消费者也难以用法律来保护自己的合法权益。

文献［22］提出了六极径向混合磁轴承（图14），其拓扑结构包括前定子、后定子、转轴和转子，前定子和后定子分别有6个磁极，绕组缠绕在前定子和后定子的12个磁极上。文献［23］利用有限元软件对六极混合磁轴承的组合磁路、力-电流特性曲线和设计方法进行了计算分析，得到了最大悬浮力以及设计参数。由逆变器驱动的六极混合磁轴承是一种尺寸小、成本低的高性能磁轴承，为解决工作点偏离参考点而影响六极混合磁轴承系统稳定运行的问题，文献［24］结合可变刚度系数确定的稳定区域进行了六极混合磁轴承的参数设计。文献［25］研究了带永磁体的六极径向磁轴承，硅钢片叠压显著地减少了涡流效应，从而减少了材料的磁损耗，永磁体沿最短边缘磁化，产生流向转子的磁通，永磁体的存在使六极混合磁轴承的能耗较小，而且可以由1个三相逆变器驱动。为降低三极混合磁轴承径向悬浮力的非线性，进一步降低成本和功耗，文献［26］使用带二次气隙的交流六极混合磁轴承，其最大承载力为无二次气隙的六极混合磁轴承的184%。文献［27］得到了六极混合磁轴承的解耦控制器，根据不同方向负载容量最大化的偏置磁通量密度设计原理，设计并组装了1个五自由度磁轴承系统的六极混合磁轴承样机；径向六极五自由度交流混合磁轴承如图15所示，定子包括左径向定子铁芯、左轴向定子铁芯、右轴向定子铁芯、右径向定子铁芯，转子由1个转子铁芯和1个转轴组成，还包括2个永磁环，相反两极上的绕组串联连接形成一相，三相绕组星型连接，由三相交流逆变器驱动，轴向控制绕组位于轴向定子铁芯内，并由1个双极性开关功率放大器驱动；用于飞轮储能系统的六极径向、轴向混合磁轴承径向和轴向偏置磁通由1个永磁体产生，径向控制线圈由1个三相逆变器驱动，具有结构紧凑、功耗低、驱动器简单等优点。

图14 六极径向混合磁轴承Fig.14 Six-pole radial hybrid magnetic bearing

图15 径向六极五自由度交流混合磁轴承Fig.15 Radial six-pole AC hybrid magnetic bearing with five degrees of freedom

2.3.4 八极磁轴承

八极异极径向、轴向混合磁轴承磁路的基本结构如图16所示，4个磁极上缠绕控制线圈，另外4个磁极内嵌入永磁体。文献［28］研究了八极主动磁轴承中转子的非线性动力学模型，考虑具有比例导数控制器的转子，得到了二自由度的非线性控制方程。文献［29］研究了用于飞轮储能系统的八极异极径向混合磁轴承，该新型结构可以降低位移刚度，新型八极异极径向混合磁轴承的转子铁芯损耗仅为22.53 W，仅为具有相同负载容量的传统八极异极径向混合磁轴承的41.6 %。文献［30］设计了一个600 Wh的飞轮储能，转子质量为70 kg，响应精度为6 ms，八极径向磁轴承（图17）的最大承载力超过700 N，其径向定子由8个磁极组成。

图16 八极异极径向、轴向混合磁轴承磁路Fig.16 Eight-pole heteropolar radial-axial hybrid magnetic bearing

图17 八极径向磁轴承Fig.17 Eight-pole radial magnetic bearing

2.3.5 小结

径向对称八极磁轴承通过2个双极性开关功率放大器驱动。三极磁轴承仅需1 个三相逆变器驱动，体积小、成本低，但三极磁轴承的不对称结构会造成径向二自由度之间的耦合性大，悬浮力和控制电流之间的线性差等问题。结构对称的六极磁轴承可以有效降低径向二自由度之间的耦合，并且改善悬浮力和控制电流之间的线性，有利于实现飞轮储能磁轴承支承系统的精确控制。

3 磁轴承关键技术

3.1 参数优化

采用磁轴承结构的基本参数设计飞轮储能系统无法实现其最优性能，结构设计不合理则导致空间浪费，因此需要对磁轴承支承结构参数进行优化设计。文献［31］对结构和主要参数进行优化，如第2 气隙长度、永磁体高度和宽度，通过优化可将最大控制电流减小到初始设计的40%。文献［32］对水平轴高温超导体磁轴承的成本和体积进行多目标优化，采用三维有限元分析和外加磁场的高温超导体等效磁导率模型进行优化，体积减小了16.2%，成本降低了16.6%。文献［33］将优化磁性材料应用在无源磁轴承中，研究了2 种改进的无源磁轴承结构（包括使用任意大小的永磁体及其气隙长度）以及相反磁化结构和旋转磁化结构（Halbach）的2 种构型，利用二维规划模型计算2 根无限棒磁体之间的磁场和刚度，得到标准堆积和Halbach 堆积刚度的直接公式，通过优化获得了永磁体最大刚度。文献［34］将粒子群优化和混沌局部搜索算法相结合，对二自由度混合磁轴承的体积、悬浮力、涡流损失和质量进行优化，智能优化算法实现了磁轴承的多目标优化设计，大大减少了优化设计的时间，然而这些算法嵌套的方法并不能提供多目标优化的帕累托解集，而且不能直接观察每个优化目标之间的相互作用。

为提高磁轴承的性能，需要一套完整的参数优化体系，使用多目标优化对磁轴承的优化参数进行选择是一种行之有效的方法，多目标优化算法是实现磁轴承优化目标平衡的关键，通常可以使用遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等智能算法进行多目标优化，利用智能算法选择帕累托解集中的最优解是未来的发展趋势。

3.2 无传感控制技术

磁轴承无传感控制的常用方法是参数估计法、状态观测法以及智能算法检测法等［35］。

传统的主动磁轴承基于互连式四极磁轴承（图12），有4个U形电磁铁（2个用于水平方向，2个用于垂直方向），从而形成4个独立的磁通量回路。为充分利用空间，提高径向承载力，文献［20］提出了新型的二自由度四极径向混合磁轴承，如图13所示，其采用独立磁路，在径向空间安装径向悬浮绕组。文献［21］针对径向磁轴承涉及n对极对数（n=2，3，4，6，8），将磁轴承发生的各种损耗（铜损耗、涡流损耗、磁滞损耗、风损耗等）总结为全损耗，并提出了评价方法，计算不同情况下的损耗并进行总损耗对比分析，结果表明极对数由二极变为四极时，总损耗急剧下降，之后总损耗随极对数的增加而缓慢增加，四极径向磁轴承总损耗最小。

自检测技术为简化传统带位移传感器的磁轴承系统提供了新的可能，开关电流纹波调制方法利用功率放大器产生的开关电流纹波作为检测信号来估计转子位移，为此提出了一种新的差分调制方法，以减少脉冲宽度调制占空比变化对估计结果的影响［36］。基于开关功率放大器驱动线圈的纹波电流斜率，可直接估计主动磁轴承支承的转子位置，文献［37］利用纹波的起浮边缘测量和估计电流，并利用估计电流进一步得到转子位置。文献［38］中自传感技术依赖于2 个相线圈的转子位置相关的互连电压，由1个标准的开关电压放大器供电，在无轴承电动机控制方案的数字信号处理器中相对容易实现和集成。

在吉老师的引领下，学生与文本进行跨越时空的心灵对话，学生、文本、教师、编者四者之间的情感得到了交流和沟通，整个课堂也在心灵的对话和情感的交流中活力四射。

3.人民群众的期待渴求。随着周边各大商业楼盘如雨后春笋般的拔地而起，展现的是物业齐全、服务专业、贴心到位，这让居住在老旧散小区的居民有了对比，滋生出对自身居住的社区能治理更好的渴求。随着生活条件的不断改善，新的问题与矛盾产生，如设施陈旧老化、道路狭窄等，需要有新的机制、方式方法去解决，为此需要社区居委会、社会组织、自治组织的参与。随着城镇化进程的加快，老旧散小区的人员流动频率也较高，社区人员构成复杂就为社区的安全保障构成了威胁，群众对安全的需求得不到满足，由此产生对社区治理要更加规范的渴望。

3.2.2 状态观测法

针对磁轴承系统中转子位移难以准确检测的问题，文献［39］研究了基于连续隐马尔可夫模型的软测量方法，利用等效磁路法推导了它的非线性数学模型，结合隐马尔可夫模型优越的预测能力，收集具有代表性的电流位移数据，建立位置预测模型，通过将预测结果与其他收集数据进行对比，保证了所建立模型的准确性。由于主动磁轴承转子的位移受控制器输出和扰动力的影响，基于主动磁轴承转子系统控制装置的逆模型推导出了外部扰动力的数学表达式，控制器的转子位移和输出都是扰动自检测系统的输入，在自检测系统中增加了三阶低通滤波器，避免了自检测系统由于模型的不确定性而导致的不稳定，利用自检测系统的自适应陷波滤波器消除估计扰动中的同步频率分量［40］。自传感磁轴承旨在简化独立的位移传感器，该技术的关键是直接从线圈电压或电流准确估计转子位置信号，因此执行器本身也可用作虚位移传感器，由于自传感过程的非线性，能够对估计精度进行定量分析的精确模型很少，这限制了该技术的进一步发展，文献［41］以调制型卫星同步矩阵为重点，首次建立了频域自感知的精确分析模型，还考虑了涡流效应和滤波器特性以提高精度。文献［42］提出了基于双态开关功率放大器的同步采样的直接电流估计方法，为减少由自测滤波器和位置估计算法引起的相移，引入了基于同步采样的直接电流估计方法对高速转子位置进行精确检测。

3.2.3 智能算法检测法

主动磁轴承转子系统自检测技术具有降低成本和更好的系统集成的优点，可以替代外部传感器，然而转子实际位移和估计位移之间的自测误差以及传感器跳动将会影响主动磁轴承转子系统，引起电流波动和转子振动，为此提出了调制型主动磁轴承转子系统的扰动抑制方法，并对扰动的振幅和相位进行了识别和实时更新，建立了一个综合的多频扰动模型，并提出了基于目标函数值的阶跃向量的干扰识别算法［43］。文献［44］通过磁铁的电流信号估计无传感控制磁轴承的位置，利用递归神经网络的数据驱动自感知技术来补偿其非线性特性，初始悬浮时的估计误差和悬浮后的抖动分别降低了90%和36%；通过收集控制线圈中的纹波电流，可以在无位移传感器的情况下获得转子位移信息，具有成本低、集成度高的优点，针对传统的傅里叶位移估计方法引起的位移信息提取不完整、不准确的问题，分析具有非平稳特性的纹波电流，估计具有吉布斯效应的转子位移，使用基于多分辨率滤波器双正交的磁轴承电动机转子位移估计算法，该算法可以准确地解调线圈中的纹波电流，提取纹波电流中的位移信息。文献［45］是基于混合核函数模糊支持向量机位移预测模型的无传感控制方法，混合核函数支持向量机预测模型的性能明显优于其他核函数，位移预测值为实际值的95.5%。

3.2.4 小结

无传感控制的方法有很多，需要对其进行对比和选择。参数估计法需要额外的电路检测电感量来估计转子的位移；状态观测法则需要精确的数学模型和状态方程进行转子位移的计算，建立的模型有误差时会导致转子位移估计不准确；使用智能算法建立无传感预测模型可直接利用智能算法的学习能力和非线性拟合能力实现转子位移自检测，是无传感控制技术的未来发展趋势。

3.3 解耦控制技术

磁轴承的1 个缺点是各个自由度之间存在耦合，为了对具有强耦合、非线性和不稳定干扰的三自由度六极主动磁轴承进行解耦，文献［46］通过线性/非线性有源干扰抑制开关控制策略对三自由度六极有源磁轴承解耦；文献［47］针对三自由度混合磁轴承的x，y，z轴之间的交叉耦合，在径向和轴向定子之间增加1个辅助线圈，有效消除了整个工作范围内的交叉耦合，在永磁体和径向或轴向定子之间增加1 个铁环可以降低交叉耦合。六极磁轴承的转子偏离平衡位置时，径向二自由度之间存在较强的磁通耦合，文献［48］指出线性自抗扰控制器具有结构简单，参数设置方便，理论分析简单，扰动幅值几乎不改变扰动跟踪性能等优点。因此，线性自抗扰控制器的理论研究结果远远超过了非线性自抗扰控制器的理论研究结果，已成为实际工程应用的首选［49］。实际的磁轴承系统是一个复杂的非线性系统，线性自抗扰控制器策略不能完全抑制磁轴承系统中的非线性因素，与线性自抗扰控制器相比，非线性自抗扰控制器具有跟踪精度高，抗干扰能力强的优点。然而，在参数调整和稳定性分析方面存在一些困难，非线性扩展状态观察器的跟踪性能与扰动的振幅有关，在干扰条件下，非线性自抗扰控制器的抗干扰能力可能强于线性自抗扰控制器，但由于引入了非线性函数，控制量过大，超调量过大，因此，结合线性自抗扰控制器和非线性自抗扰控制器的优点，文献［50］提出了线性/非线性自抗扰控制器的控制策略。

二是教育改造实效不大。对罪犯的教育改造是基本手段，通过教育可以让罪犯洗心革面、脱胎换骨，这是教育的治本之功效。但是罪犯的性格特点、文化层次、认知水平等各方面均有差异。如何让全体罪犯普遍能接受监狱教育内容，目前各基层监狱做法不一、形式多样，但总体还是缺乏教育内容的核心主线，监狱的惩罚改造功能没有凸显。“你是什么人？这是什么地方？你来干什么?”这三句话的内涵没有在教育改造实际工作中得到充分体现。同时，社会专业性教育资源没有真正延伸到监狱内，出于对外宣传目的，更多时候教育的形式大于内容。

磁轴承不同自由度之间耦合问题常用的解耦方法有逆系统解耦，采用神经网络和支持向量机获得磁轴承的逆系统模型，但该模型的搭建需要很高的精度而且会受到参数变化的影响。为解决现有解耦方法存在的问题，使用自抗扰控制器对磁轴承进行解耦，并且使用智能算法对自抗扰控制器的参数进行寻优，从而实现磁轴承不同自由度之间的解耦。因此，使用简单高效，解耦性能好的控制算法是磁轴承解耦控制的未来发展趋势。

4 结束语

本文详细阐述了飞轮储能工作原理以及常见的4种支承方式，并对其关键部件磁轴承进行了详细介绍，说明了磁轴承应用在飞轮储能中的必要性。并按偏置磁通产生方式、受控自由度数量、磁极数量等分类方式详细介绍了磁轴承。最后对磁轴承关键技术参数优化、无传感控制技术以及解耦控制技术进行分析，指出了未来磁轴承的发展方向。本文的研究对于提高飞轮储能的关键技术水平，突破飞轮储能技术瓶颈，提高我国飞轮储能工程应用能力和国际竞争力具有重要意义。