車載飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究*

湯延祺，　朱熀秋

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

車載飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究*

湯延祺，朱熀秋

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能密度大、充電快、高效無(wú)污染、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，將其用于電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能裝置正受到越來(lái)越多的關(guān)注。在介紹了車載飛輪應(yīng)用原理的基礎(chǔ)上結(jié)合飛輪的特點(diǎn)描述了其在各類電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。闡述了飛輪材料、磁軸承技術(shù)與高性能電機(jī)技術(shù)在車載飛輪中的應(yīng)用價(jià)值與特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀并歸納總結(jié)。

關(guān)鍵詞：車載飛輪； 關(guān)鍵技術(shù)； 磁軸承； 高性能電機(jī)

0引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車的使用越來(lái)越普遍，中國(guó)的汽車已經(jīng)突破1億輛。2009年，國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸行業(yè)使用的石油能源占油品消費(fèi)總量的56.2%[1]。在能源危機(jī)與全球環(huán)境惡化的雙重壓力下，中國(guó)與世界各國(guó)都在積極推動(dòng)電動(dòng)汽車的技術(shù)開發(fā)與使用，從而減少、甚至擺脫汽車對(duì)石油的依賴。電動(dòng)汽車雖然較燃油汽車更清潔，但其續(xù)航能力差、充電時(shí)間長(zhǎng)、功率小，使其推廣受到阻礙。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)又稱為機(jī)械電池，是利用飛輪的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)儲(chǔ)存能量。一般用于車輛動(dòng)力系統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)又稱為車載飛輪電池。與內(nèi)燃機(jī)相比，車載飛輪電池?zé)o噪聲、清潔無(wú)污染、能量轉(zhuǎn)化效率高；與傳統(tǒng)蓄電池相比，車載飛輪使用壽命長(zhǎng)、能量密度大、充放電時(shí)間短。20世紀(jì)50年代，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)被提出可以運(yùn)用于汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中，但受當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，沒(méi)有突破性的成果。隨著高強(qiáng)度復(fù)合材料的誕生、電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展、新型高性能電機(jī)的出現(xiàn)與磁軸承技術(shù)的不斷進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注。其在電動(dòng)汽車的應(yīng)用也將使電動(dòng)汽車得到快速發(fā)展。

1飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用原理

1.1飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中存儲(chǔ)的能量E就是飛輪的機(jī)械能。它的表達(dá)式為

(1)

式中：J——飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ω——旋轉(zhuǎn)角速度。

盡管飛輪可以直接輸出機(jī)械能，但一般只作為電池使用，其釋放的最大能量為

(2)

式中：ω1——最大旋轉(zhuǎn)角速度；

ω2——最小旋轉(zhuǎn)角速度。

為了保證電能的最小輸出功率，通常飛輪的最小轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，系統(tǒng)就能夠保證電能的最小輸出功率。這樣飛輪的放電深度可以達(dá)到75%，而蓄電池一般只有20%～40%。同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)飛輪轉(zhuǎn)速就可以知道飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電深度，而對(duì)蓄電池的檢測(cè)就很困難。

1.2飛輪用于電動(dòng)汽車中的工作原理

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中充當(dāng)電池的功能，所以其工作模式主要有充電、放電和能量保持。圖1顯示了兩種充電方式，區(qū)別主要是輸入能量的類型不同。

圖1　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

方式一以電能作為輸入能量。充電時(shí)，電能通過(guò)電力電子裝置控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、加速與運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)同時(shí)帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)飛輪儲(chǔ)存能量；放電時(shí)，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速下降，其機(jī)械能轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，電能通過(guò)電力電子設(shè)備進(jìn)行電能質(zhì)量控制，成為電動(dòng)汽車可用電能。

方式二以機(jī)械能通過(guò)傳動(dòng)裝置直接帶動(dòng)飛輪運(yùn)行。主要用于電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收，將汽車制動(dòng)時(shí)的機(jī)械能用于充電，達(dá)到節(jié)能的效果。由于飛輪的轉(zhuǎn)速很高，所以制動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能要通過(guò)傳動(dòng)裝置提速后才能給飛輪加速。方式二中的放電過(guò)程與方式一中相同。能量保持階段，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)既不充電也不放電，保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

2飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在各類電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

應(yīng)用于不同場(chǎng)合、具有不同功能的電動(dòng)汽車在設(shè)計(jì)上有很大的差異，特別是動(dòng)力系統(tǒng)，會(huì)根據(jù)汽車使用的不同的情況而設(shè)計(jì)。通常電動(dòng)汽車分為純電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車兩種，下面介紹飛輪在這兩種電動(dòng)汽車中的使用。

2.1純電動(dòng)汽車

雖然蓄電池的技術(shù)已經(jīng)成熟，在純電動(dòng)汽車中使用較為普遍，但飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)較之還是有明顯的優(yōu)勢(shì)。表1列舉了飛輪與幾種常用于電動(dòng)汽車的蓄電池的比較[2]。在表2中可以清晰地看到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量密度、功率密度、使用壽命、充電時(shí)間等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1　飛輪與幾種車用電池的比較

當(dāng)飛輪取代蓄電池用于純電動(dòng)汽車時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為唯一的供能裝置存在。在20世紀(jì)80年代初，瑞士Oerlikon公司研制了第一輛完全由飛輪供電的公共汽車，飛輪重達(dá)1.3t。由于它是在氫氣環(huán)境下旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，所以額定轉(zhuǎn)速并不高，只有3000r/min。該汽車行程約0.8km，每到一站充電2min[3]。1992年，美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司將開發(fā)的12塊飛輪電池用于IMPACT 轎車上，一次充電可以行駛480km，靜止?fàn)顟B(tài)加速到100km/h只需要8s。這種大功率的輸出是蓄電池所達(dá)不到的[4]。

2.2混合電動(dòng)汽車

盡管飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電時(shí)間、能量密度、輸出功率等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但由于超高速飛輪的運(yùn)行還有很多技術(shù)和安全限制，飛輪一次能攜帶的能量有限，完全由飛輪供電的電動(dòng)汽車局限很多。混合電動(dòng)汽車?yán)眯铍姵卮鎯?chǔ)能量大、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率高的優(yōu)勢(shì)，將蓄電池與飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，共同為電動(dòng)汽車供電?；旌想妱?dòng)汽車與傳統(tǒng)蓄電池電動(dòng)汽車相比，供電設(shè)備的效率是原來(lái)的兩倍，而體積、重量和損耗只有原來(lái)的一半，同時(shí)避免了蓄電池的頻繁與深度放電，提高了蓄電池的使用壽命。1996年，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)設(shè)計(jì)的混合電動(dòng)汽車使用了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，飛輪最高轉(zhuǎn)速只有5000r/min，儲(chǔ)能67Wh，主要用于制動(dòng)能回收與啟動(dòng)加速，30%的制動(dòng)能可回收[5]。2007年荷蘭CCM公司設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力巴士使用了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，飛輪功率240kW，重達(dá)1.3947t的汽車加速到75km/h只用了過(guò)去一半的時(shí)間，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)25%的功率[6]。

3車載飛輪的關(guān)鍵技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

車載飛輪主要需要解決的問(wèn)題是能量的存儲(chǔ)、釋放以及減少損耗，同時(shí)保證高速旋轉(zhuǎn)下的安全問(wèn)題，所以飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中飛輪材料、磁軸承技術(shù)、電機(jī)的選擇與控制策略是研究的核心。

3.1飛輪材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

飛輪的儲(chǔ)能密度與飛輪所能承受機(jī)械強(qiáng)度是選擇飛輪材料的兩個(gè)重要因素。飛輪的儲(chǔ)能密度e可以表示為

(3)

式中：ks——飛輪形狀系數(shù)；

ρ——飛輪材料密度；

σ——飛輪材料許用應(yīng)力。

由式(3)可知，飛輪的儲(chǔ)能密度與飛輪形狀有關(guān)，與飛輪材料密度成反比，與飛輪材料許用應(yīng)力成正比。所以理想的飛輪材料密度小、強(qiáng)度大。表2中給出了幾種常用于飛輪的材料。從表2中可以看出，目前碳素纖維是最好的選擇[7]。

表2　飛輪轉(zhuǎn)子材料參數(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，往往使用多種材料混合制成飛輪，以降低價(jià)格，同時(shí)也能使飛輪能夠在高速旋轉(zhuǎn)下正常工作。文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)了一種用于混合動(dòng)力汽車的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖2所示。永磁電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子與飛輪結(jié)合在一起，當(dāng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其外層比內(nèi)層承受的離心力更大，所以飛輪的外層用碳素纖維，而內(nèi)層則選擇強(qiáng)度相對(duì)較小、硬度更大、價(jià)格更為便宜的玻璃纖維；再里層是密度較大的鋁，相對(duì)復(fù)合材料密度大、強(qiáng)度小，但當(dāng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在離心力的作用下緊貼著內(nèi)壁，與硬度較大的玻璃纖維接觸，防止碳素纖維的變形。這樣的設(shè)計(jì)降低了成本，同時(shí)也保證了飛輪高速運(yùn)行下的安全性能。

圖2　混合材料的飛輪剖面結(jié)構(gòu)

3.2飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中磁軸承的研究應(yīng)用

磁軸承具有無(wú)摩擦損耗、壽命長(zhǎng)、噪聲小、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，在車載飛輪中運(yùn)用可以保證飛輪高速運(yùn)行的同時(shí)機(jī)械損耗很小，降低軸承的故障率，同時(shí)減少了電動(dòng)汽車的噪聲。磁軸承通常分為被動(dòng)磁軸承、主動(dòng)磁軸承與混合磁軸承。這幾種磁軸承各有優(yōu)勢(shì)，其中在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中運(yùn)用較多的是被動(dòng)磁軸承和混合磁軸承。

3.2.1被動(dòng)磁軸承

2003年，韓國(guó)電力公司設(shè)計(jì)的一臺(tái)立式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)使用兩個(gè)被動(dòng)磁軸承來(lái)支承。其中：一個(gè)為永磁軸承，由兩個(gè)釹鐵硼永磁環(huán)軸向?qū)Ψ判纬?，承載了飛輪絕大部分的重量；另一個(gè)為超導(dǎo)磁軸承，結(jié)構(gòu)如圖3所示，定子為由YBCO超導(dǎo)材料構(gòu)成，轉(zhuǎn)子由3塊軸向充磁的永磁環(huán)組成，永磁環(huán)同極相對(duì)(N-S S-N N-S)，之間用鎳鐵合金隔開，轉(zhuǎn)子與飛輪之間加入銅環(huán)作為電磁阻尼器。當(dāng)超導(dǎo)磁軸承定子與轉(zhuǎn)子之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，銅環(huán)中磁場(chǎng)發(fā)生變化形成渦流損耗，阻礙磁場(chǎng)進(jìn)一步變化，從而阻礙軸承振動(dòng)。試驗(yàn)表明，電磁阻尼器的使用使相同擾動(dòng)下的超導(dǎo)磁軸承振動(dòng)幅度明顯減小，改善了超導(dǎo)磁軸承的性能[9]。

2007年，里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)的G.G.Sotelo等人設(shè)計(jì)并制造的磁懸浮飛輪系統(tǒng)同樣使用被動(dòng)磁軸承與超導(dǎo)磁軸承結(jié)合的方式來(lái)支承。其被動(dòng)磁軸承采用了4片永磁體的新型結(jié)構(gòu)，由于磁場(chǎng)不均勻會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以在磁體間加入了3塊小鋁環(huán)充當(dāng)阻尼機(jī)制，結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)減少了漏磁通，與傳統(tǒng)的2片永磁體結(jié)構(gòu)的被動(dòng)磁軸承相比，其軸向力增大了73%[10]。

圖3　新型超導(dǎo)磁軸承

圖4　新型被動(dòng)磁軸承

3.2.2混合磁軸承

混合磁軸承將主動(dòng)磁軸承和被動(dòng)磁軸承的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，通常是利用永磁體代替主動(dòng)磁軸承中電磁鐵形成偏置磁通。這樣可以減小功率放大器的損耗，減小磁軸承安匝數(shù)與體積。

2006年，北京航空航天大學(xué)房建成等人設(shè)計(jì)了一種用于磁懸浮飛輪的永磁偏置徑向磁軸承。其為異極磁軸承，8極外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖5所示。該設(shè)計(jì)減少了軸承的軸向長(zhǎng)度，使軸承的體積變小，易于加工與控制，并且其永磁磁場(chǎng)在x、y方向上不會(huì)產(chǎn)生耦合。但是該磁軸承的控制磁場(chǎng)在兩個(gè)徑向自由度的耦合嚴(yán)重，同時(shí)其8個(gè)磁極極性不同，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗[11]。

圖5　8極混合磁軸承

為了解決異極磁軸承渦流損耗的問(wèn)題，文獻(xiàn)[12]提出了一種低渦流損耗的異極磁軸承用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖6所示?？刂拼磐ū荛_永磁體從第二氣隙通過(guò)，減少了控制電流的大??；與文獻(xiàn)[11]中結(jié)構(gòu)相比極數(shù)由8極變成4極，而轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)渦流損耗與磁場(chǎng)交變頻率的平方成正比，所以渦流損耗變?yōu)樵瓉?lái)的1/4。同時(shí)，該設(shè)計(jì)中第二氣隙的使用可以使永磁體產(chǎn)生的位移剛度小，降低飛輪的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大大提高飛輪的控制精度。

圖6　4極混合磁軸承

文獻(xiàn)[11-12]都存在控制磁場(chǎng)在x、y軸方向上的耦合問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致磁軸承的非線性范圍變寬，影響磁軸承的控制性能，而且異極結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生很大的渦流損耗。該課題組又設(shè)計(jì)了一種用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的同極外轉(zhuǎn)子磁軸承，如圖7所示。試驗(yàn)證明，當(dāng)x方向通電流時(shí)，y軸方向的力Fy與x軸方向的力Fx的關(guān)系是Fy<3%Fx，有效地避免了磁通在兩個(gè)徑向自由度之間的耦合問(wèn)題，提高了飛輪的控制性能與穩(wěn)定性[13]。

2011年，國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)并制造了一種用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的徑向混合磁軸承。圖8為其剖面圖。這種永磁偏置的同極磁軸承結(jié)構(gòu)緊湊，偏置磁通在空心圓柱體形的氣隙中均勻、連續(xù)分布，大大減小了磁滯與渦流損耗。試驗(yàn)證明，其徑向力比傳統(tǒng)異極磁軸承大了35%，所有磁極上的偏置磁場(chǎng)都是解耦的，控制磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子軸向偏移時(shí)有耦合，但其大小可以忽略。該磁軸承轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6000r/min，適用于高速、低損耗的車載飛輪[14]。

圖7　同極磁軸承結(jié)構(gòu)

圖8　新型徑向混合磁軸承剖面圖

3.3電機(jī)在車載飛輪中研究發(fā)展現(xiàn)狀

電機(jī)是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)力核心，決定了系統(tǒng)的效率與性能，常用于車載飛輪的電機(jī)有無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、磁阻電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)。

3.3.1無(wú)刷直流電機(jī)

無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度大、功率密度大，而其最大的特點(diǎn)就是沒(méi)有了傳統(tǒng)直流電機(jī)的電刷與換向器，增大了電機(jī)的效率和壽命。同時(shí)，在無(wú)刷直流電機(jī)的矩形波電流和磁場(chǎng)相互作用下，電流和反電動(dòng)勢(shì)同時(shí)達(dá)到峰值，可以產(chǎn)生很大的電磁轉(zhuǎn)矩[15]。一般用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的是永磁無(wú)刷直流電機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，減少了電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的交變磁場(chǎng)帶來(lái)的鐵耗。

1996年，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Paul P.Acarnley等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙定子永磁無(wú)刷直流電機(jī)，并將之運(yùn)用于車載飛輪中。圖9為該電機(jī)采用的軸向雙定子結(jié)構(gòu)，電機(jī)額定功率25kW，最大轉(zhuǎn)速50000r/min，空載損耗25W，功率密度 1.5kW/kg，效率達(dá)到90%。這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距大、運(yùn)行平穩(wěn)，適合起動(dòng)大質(zhì)量負(fù)載。但由于該飛輪重4kg，系統(tǒng)儲(chǔ)能僅為67Wh，所以只用來(lái)電動(dòng)汽車的起動(dòng)與吸收制動(dòng)能，吸收率30%[5]。文獻(xiàn)[16]中提出了兩種徑向雙定子結(jié)構(gòu)，可以有效提高高速無(wú)刷直流電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，應(yīng)用于車載飛輪中同樣有優(yōu)勢(shì)。

圖9　雙定子永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

2007年美國(guó)波音公司設(shè)計(jì)并測(cè)試了一臺(tái)由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛輪，電機(jī)功率100kW，飛輪儲(chǔ)能5kWh，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到15000r/min。電機(jī)使用6極永磁轉(zhuǎn)子和無(wú)齒槽定子結(jié)構(gòu)，定子中有冷卻套防止其過(guò)熱。試驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)齒槽定子的使用雖然使系統(tǒng)能量密度下降，但將負(fù)機(jī)械剛度降到了24.2N/mm[17]，減少了定子損耗，有效提高了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的效率，在電動(dòng)汽車中使用可以提高續(xù)航能力、減少充電時(shí)間。

2012年Babak.Abdi等人為美國(guó)國(guó)家航空航天局設(shè)計(jì)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到60000r/min，系統(tǒng)使用的同樣是無(wú)齒槽無(wú)刷直流電機(jī)，采用4極永磁外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)和飛輪相結(jié)合，減少了系統(tǒng)體積，如圖10所示。外轉(zhuǎn)子無(wú)齒槽無(wú)刷直流電機(jī)在保證大轉(zhuǎn)矩的同時(shí)降低了定子損耗，且沒(méi)有齒槽轉(zhuǎn)矩，效率很高，有利于電機(jī)的高速運(yùn)行。但是由于定子表面有繞組纏繞，定子與轉(zhuǎn)子間有效氣隙很大，削弱了內(nèi)部磁通量，導(dǎo)致電機(jī)功率不高，所以該系統(tǒng)適合小型便捷式電動(dòng)汽車的使用[18]。

圖10　無(wú)齒槽無(wú)刷直流電機(jī)

傳統(tǒng)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)在空載時(shí)定子損耗較大，空載時(shí)與負(fù)載時(shí)出現(xiàn)的磁拉力不平衡，對(duì)磁軸承的剛度有很大的要求。2004年山東大學(xué)徐衍亮等人設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)如圖11所示的用于高速飛輪的無(wú)定子鐵心外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷直流電機(jī)。由于定子沒(méi)有鐵心會(huì)導(dǎo)致氣隙磁通密度降低，減少電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，所以該電機(jī)采用Halbach磁體結(jié)構(gòu)作為永磁體的8極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，每極3塊磁體。試驗(yàn)證明當(dāng)Halbach磁體厚度增加時(shí)，氣隙磁場(chǎng)密度線性增加，但轉(zhuǎn)子軛磁通密度幾乎不變。城市用車停頓時(shí)間較長(zhǎng)，該結(jié)構(gòu)電機(jī)用于車載飛輪將大幅較少空載損耗[19]。

圖11　無(wú)定子鐵心無(wú)刷直流電機(jī)

3.3.2永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)采用永磁材料代替勵(lì)磁繞組，減小了銅耗，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。由于永磁同步電機(jī)的調(diào)速范圍大，在車載飛輪中具有廣泛的應(yīng)用前景。下面介紹的幾種新型永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)可以增大其轉(zhuǎn)矩密度，更大地發(fā)揮其雙向電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，使它更好地適用于車載飛輪。

文獻(xiàn)[20]中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的裴玉龍等人設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于混合電動(dòng)汽車的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的雙定子永磁同步電機(jī)。該電機(jī)采用徑向雙定子結(jié)構(gòu)，外定子48槽，內(nèi)定子18槽，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面分別貼有50和20塊永磁體，并且在轉(zhuǎn)子中間嵌入管狀非磁性殼體，從而避免了內(nèi)外磁場(chǎng)的磁耦合，如圖12所示。該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將其分成了兩個(gè)電機(jī)，外定子與轉(zhuǎn)子外表面構(gòu)成外電機(jī)，其槽數(shù)較多，在電機(jī)低速時(shí)也可以提供較高的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的直接起動(dòng)；由于額定工作狀態(tài)下，每極下磁通量低，線圈的重量減少；并且這種槽距與極距的安排可以顯著降低端繞組長(zhǎng)度，使軸向空間充分利用。內(nèi)電機(jī)由內(nèi)定子與轉(zhuǎn)子內(nèi)表面構(gòu)成，充當(dāng)了雙向電機(jī)里發(fā)電機(jī)的角色，可輸出不同幅值的電壓；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩提升時(shí)，與外電機(jī)一起提供額外瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。

圖12　雙定子永磁同步電機(jī)

2012年韓國(guó)忠南大學(xué)J.H.Choi等人專門針對(duì)電動(dòng)汽車的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種徑向雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子都是4極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上永磁體采用Halbach陣列徑向充磁，結(jié)構(gòu)如圖13所示。雖然與文獻(xiàn)[20]中電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，但都可以看成是內(nèi)外兩個(gè)電機(jī)組成，內(nèi)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，外電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)，作為車載飛輪的雙向電機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)，可以顯著提高系統(tǒng)的效率[21]。

圖13　雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)

2011年，新加坡南洋理工大學(xué)T. D. Nguyen等人設(shè)計(jì)并制造了一種新型軸向磁通永磁同步電機(jī)用于車載飛輪，電機(jī)額定功率1kW，最高轉(zhuǎn)速6000r/min，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖14(a)，圖中未顯示定子繞組。雙定子、雙轉(zhuǎn)子軸向分布，碳纖維復(fù)合材料包裹著兩個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成一個(gè)緊湊的飛輪，雙氣隙結(jié)構(gòu)提高了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，噪聲更小。但是電機(jī)轉(zhuǎn)矩變大的同時(shí)，定子齒與轉(zhuǎn)子永磁體之間相互影響產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)變大，為此研究人員利用磁極偏移來(lái)減小齒槽轉(zhuǎn)矩。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)永磁體位置傾斜18.7°時(shí)該結(jié)構(gòu)的齒槽轉(zhuǎn)矩最小，如圖14(b)所示(比原來(lái)減少了87%)，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩幾乎不變。該電機(jī)在提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)保證了車載飛輪充放電時(shí)的穩(wěn)定性[22]。

圖14　軸向磁通永磁同步電機(jī)

文獻(xiàn)[23]中提出的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)同樣使用軸向磁通的永磁同步電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，飛輪軸采用立式結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與飛輪相連，兩個(gè)盤狀定子夾著轉(zhuǎn)子并使轉(zhuǎn)子軸向懸浮，其他4個(gè)自由度由機(jī)械軸承承重，可以大大減少重力帶來(lái)的摩擦損耗。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖15所示。定子上的三相繞組通正弦電流，轉(zhuǎn)子上下表面永磁體的極性安排及構(gòu)成的磁路也如圖15所示。

圖15　自懸浮永磁同步電機(jī)

3.3.3磁阻電機(jī)

磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，調(diào)速性能好，起動(dòng)轉(zhuǎn)距大，可靠性高，適合高速運(yùn)行。開關(guān)磁阻電機(jī)與同步磁阻電機(jī)都可以用于車載飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機(jī)最大的特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬，同時(shí)也具有較高的效率與可靠性。同步磁阻電機(jī)具有平緩的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在低速運(yùn)行時(shí)也有平緩的轉(zhuǎn)矩、噪聲小。這些優(yōu)點(diǎn)在開關(guān)磁阻電機(jī)中很難得到，就使得同步磁阻電機(jī)更適合裝配在電動(dòng)汽車中。

1999年，美國(guó)加州大學(xué)H.Hofmann等人設(shè)計(jì)了一種用于車載飛輪的同步磁阻電機(jī)，電機(jī)功率60kW，最高轉(zhuǎn)速48000r/min。該電機(jī)采用兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上鐵磁鋼與無(wú)磁性鋼交替排列，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖16所示。這種兩極轉(zhuǎn)子可以增大電機(jī)的凸極比，從而改善功率因數(shù)。選擇的磁體的厚度與定子齒距相匹配時(shí)可以減少轉(zhuǎn)子表面的渦流，從而減少鐵耗。該系統(tǒng)中還利用磁軸承與電機(jī)相結(jié)合的方式減少電機(jī)損耗。由于多極轉(zhuǎn)子會(huì)受到定子繞組很大的徑向力，而兩極轉(zhuǎn)子兩極受到的力剛好大小相等、方向相反，徑向合力幾乎為0，減輕了磁軸承的負(fù)擔(dān)[24]。這種電機(jī)能夠有效提高電能的轉(zhuǎn)化效率，減少車載飛輪的損耗。

圖16　新型同步磁阻電機(jī)

為了追求更大的凸極比與更高的效率，中國(guó)科學(xué)院電工研究所在2005年設(shè)計(jì)了一種用于飛輪的高溫超導(dǎo)同步磁阻電機(jī)。電機(jī)是兩極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上加入了兩塊條狀高溫超導(dǎo)磁體，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，超導(dǎo)材料幾乎不影響直軸(d-axis)的磁導(dǎo)，但會(huì)阻礙交軸(q-axis)的磁通通過(guò)，如圖17所示。這樣使得電機(jī)的凸極比變大，擁有更高的效率、更小的損耗，同等功率下可以縮小電機(jī)的尺寸，有利于其在車載飛輪中的運(yùn)用[25]。

圖17　高溫超導(dǎo)同步磁阻電機(jī)

3.3.4感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)是依靠定轉(zhuǎn)子之間的電磁感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。因其技術(shù)成熟、制造簡(jiǎn)單、成本低而被廣泛應(yīng)用。但是感應(yīng)電機(jī)損耗大、功率因數(shù)較低、不能承受高轉(zhuǎn)速以及較大的體積，使其應(yīng)用受到限制[15,26]。通常使用雙饋感應(yīng)電機(jī)作為大功率飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，用于普通車載飛輪的優(yōu)勢(shì)并不大。

2003年德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校開發(fā)的一種用于鐵路機(jī)車的大功率飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，使用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)儲(chǔ)能10kWh，額定功率2MW。為了防止電機(jī)過(guò)熱，采用油冷和風(fēng)冷相結(jié)合；電機(jī)采用變頻調(diào)速，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到15000r/min，額定轉(zhuǎn)速12000r/min；雖然更多的極對(duì)數(shù)可以使電機(jī)兩端空間更緊湊，但為了防止控制電路開關(guān)頻率過(guò)高，定子上只有2極[27]。

為了使感應(yīng)電機(jī)能在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有更好的性能，卡塔爾大學(xué)M. I. Daoud等人在2014年設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱六相電機(jī)，相當(dāng)于雙三相感應(yīng)電機(jī)，定子上的兩套繞組電角度相差30°，如圖18所示。該電機(jī)減小了每相電壓與控制電路的開關(guān)頻率，提高了普通感應(yīng)電機(jī)的容錯(cuò)性，電機(jī)缺相時(shí)仍能保證系統(tǒng)較為穩(wěn)定地充放電。雖然各國(guó)研究人員對(duì)感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制做了大量的改進(jìn)與創(chuàng)新，但目前使用感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一般只適用于大功率機(jī)車，在普通電動(dòng)汽車中的運(yùn)用并不常見(jiàn)[28]。

圖18　六相感應(yīng)電機(jī)

4結(jié)語(yǔ)

從對(duì)車載飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究可以看出，其能量密度大、充電時(shí)間短、功率大、壽命長(zhǎng)，再加上存儲(chǔ)的是機(jī)械能，清潔無(wú)污染、轉(zhuǎn)化效率好。車載飛輪的優(yōu)勢(shì)很明顯，但其推廣受到技術(shù)、價(jià)格等限制，需要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究。

(1) 電動(dòng)汽車中飛輪與其他動(dòng)力的結(jié)合。目前由于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)有限，尤其是電機(jī)速度的限制，在一定成本內(nèi)攜帶的能量并不大，單獨(dú)使用飛輪供能比較困難，所以飛輪與蓄電池或內(nèi)燃機(jī)共同供能是當(dāng)下的趨勢(shì)。

(2) 車載飛輪中磁軸承的應(yīng)用。磁軸承具有無(wú)摩擦、低損耗、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，適合車載環(huán)境，最重要的是磁軸承的使用可以克服高速飛輪帶來(lái)的摩擦損耗，提高能量的轉(zhuǎn)化效率。

(3) 車載飛輪中高性能電機(jī)的研究。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能的大小、速度以及系統(tǒng)與汽車能量的傳遞都依賴電機(jī)完成，不同類型的電動(dòng)汽車對(duì)飛輪中電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率等要求不同，研究高性能電機(jī)是車載飛輪技術(shù)的關(guān)鍵。

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Development and Key Technologies of Flywheel Energy Storage System for Vehicle*

TANGYanqi,ZHUHuangqiu

(College of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：The flywheel energy storage system (FESS) has many advantages such as high energy density, fast charge, high efficiency, pollution-free, longevity of service. As a new type of impetus of electric vehicle, the FESS was being paid more and more attention. The structure and principle of vehicle FESS were first described. Then based on the characteristics of FESS, its applications in different kinds of electric vehicles were introduced. Finally, the importance of the flywheel materials，high-performance motor and magnetic bearing technology for vehicle flywheel is pointed out and their development status at home and abroad was introduced in detail.

Key words：vehicle flywheel; key technologies; magnetic bearing; high performance motor

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61174055)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2012707)；江蘇省“333工程”資助(2014)；江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目(2014)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(2014)

作者簡(jiǎn)介：湯延祺(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)軸承電機(jī)與磁懸浮軸承的設(shè)計(jì)與控制。朱熀秋(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o(wú)軸承電機(jī)、磁軸承支承高速電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、特種電機(jī)非線性智能控制等。

中圖分類號(hào)：TH 133

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)05- 0038- 09

收稿日期：2015-11-02