飛輪儲能用新型磁懸浮無軸承異步電機系統(tǒng)研究

飛輪儲能是實現(xiàn)能源高效利用的有效手段之一，已成為動力電池研究領域的主攻方向。項目針對飛輪儲能系統(tǒng)中傳動電機高速運行及飛輪轉子懸浮支承等技術難題，提出一種新型高效的磁懸浮無軸承異步電機傳動系統(tǒng)，用于飛輪儲能系統(tǒng)的懸浮支承和能量轉換。 經(jīng)過4年研究與實踐，課題組完成了既定研究計劃和任務，在特定對象飛輪儲能用磁懸浮無軸承異步電機(Bearingless Induction Motor，BIM)新型拓撲結構與參數(shù)設計、非線性智能控制、懸浮系統(tǒng)容錯控制、高速轉子振動抑制、無速度傳感器高效運行及高品質(zhì)數(shù)字控制集成系統(tǒng)實現(xiàn)等方面開展了研究工作。 相關成果獲2016年江蘇省科學技術三等獎1項、教育部發(fā)明二等獎1項；發(fā)表學術論文47篇，其中SCI收錄24篇、EI收錄13篇，申請發(fā)明專利20項，其中授權10項。課題負責人入選江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程中青年學術帶頭人”、江蘇省“六大人才高峰”資助對象和“中國博士后特別資助”對象。主要工作如創(chuàng)新性成果如下： 1) 設計了一種無機械摩擦、結構簡單緊湊同時能夠產(chǎn)生徑向力與軸向力的新型磁懸浮飛輪儲能用BIM，并開展電磁參數(shù)優(yōu)化計算，外協(xié)完成樣機加工。 2) 揭示了飛輪儲能用磁懸浮BIM系統(tǒng)多變量、非線性和強耦合特性，提出并實現(xiàn)了基于模型預測控制理論、滑模變結構、自抗擾理論、懸浮系統(tǒng)容錯控制等磁懸浮無軸承異步電機系統(tǒng)非線性智能控制方法，實現(xiàn)了其高性能控制。 3) 提出了兩種不同補償準則下的BIM懸浮轉子振動補償控制策略，有效實現(xiàn)了轉子振動抑制，提高了懸浮性能。 4) 攻克BIM系統(tǒng)運行控制中轉速檢測的難題，實現(xiàn)磁懸浮無軸承異步電機系統(tǒng)低成本無傳感器高效運行。 5) 設計并開發(fā)基于TMS320 DSP的BIM系統(tǒng)全數(shù)字控制系統(tǒng)，同時，基于C語言設計開發(fā)了數(shù)字控制系統(tǒng)的模塊化軟件程序，不僅提高了系統(tǒng)運行效率，而且增強了程序可移植性和通用性。 本項目的研究，將為新型磁懸浮系統(tǒng)的應用提供理論和技術基礎，為提升飛輪儲能系統(tǒng)整體研究水平及自主創(chuàng)新能力提供有益幫助。

飛輪儲能是實現(xiàn)能源高效利用的有效手段之一，已成為動力電池研究領域的主攻方向。項目針對飛輪儲能系統(tǒng)中傳動電機高速運行及飛輪轉子懸浮支承等技術難題，結合無軸承異步電機和磁軸承優(yōu)勢，提出一種新型磁懸浮無軸承異步電機系統(tǒng)，用于飛輪儲能系統(tǒng)的懸浮支承和能量轉換。該磁懸浮無軸承異步電機系統(tǒng)由兩臺單繞組混合轉子無軸承異步電機和一臺軸向磁軸承融合而成，具有高功率密度、高功率因數(shù)、高可靠性、低功耗、低成本等優(yōu)點。本項目旨在研究結構新穎合理的磁懸浮無軸承異步電機基本原理與拓撲結構；建立其優(yōu)化設計、性能參數(shù)計算、數(shù)學建模、仿真分析的一般方法；研究不同運行模式下系統(tǒng)懸浮/電動/發(fā)電運行的多目標協(xié)調(diào)控制；分析系統(tǒng)容錯性能，揭示其故障診斷與容錯控制的一般規(guī)律；搭建基于dSPACE實驗系統(tǒng)，進行實驗驗證。本項目的研究，將為新型磁懸浮系統(tǒng)的應用提供理論和技術基礎，為提升飛輪儲能系統(tǒng)整體研究水平及自主創(chuàng)新能力提供有益幫助。

飛輪蓄能發(fā)電設備的旋轉摩擦損耗較大，為了減少旋轉摩擦損耗，所以一般都采用磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是飛輪儲能系統(tǒng)的關鍵部件。磁軸承根據(jù)磁場性質(zhì)的不同主要分為被動磁懸浮軸承(PMB)和主動磁懸

浮軸承(AMB)兩種：

(a)被動磁懸浮軸承

被動磁懸浮軸承有代表性的是高溫超導磁懸浮軸承。無源磁懸浮軸承磁場通常是不可控的。傳統(tǒng)的超導體無法滿足磁軸承的要求，但是自從高溫超導體Y(釔)系發(fā)現(xiàn)以來，制造高溫超導磁軸承成為可能。永久磁鐵安裝在飛輪上，高溫超導體安裝在底座上并用液氮冷卻，利用超導體的特性之一的Meissier效應(超導抗磁性)。永久磁鐵的磁通被超導體阻擋而產(chǎn)生排斥力，使飛輪處于懸浮狀態(tài)。

(b)主動磁懸浮軸承

主動磁懸浮系統(tǒng)主要是電磁懸浮系統(tǒng)。電磁懸浮軸承系統(tǒng)主要由轉子、電磁鐵、傳感器、控制系統(tǒng)、功率放大器組合而成。轉子位移變化的信號由傳感器測出，傳到控制器中，控制器計算后，輸出信號，經(jīng)過功率放大器的放大，輸入到電磁鐵，產(chǎn)生電磁力，從而保證轉子的穩(wěn)定懸浮。

無軸承異步電機集異步電機和磁懸浮軸承功能及優(yōu)點為一體，是電機和磁懸浮軸承研究領域的重大突破。目前采用的磁場定向控制策略難以實現(xiàn)無軸承異步電機轉矩和徑向懸浮力、徑向懸浮力之間的動態(tài)解耦控制，嚴重制約無軸承異步電機的發(fā)展和應用研究。本項目針對無軸承異步電機多變量、非線性和強耦合控制對象，全面分析轉子徑向受力，建立懸浮力和電機數(shù)學模型；采用多變量非線性神經(jīng)網(wǎng)絡逆進行動態(tài)解耦控制，研究系統(tǒng)運行的非線性智能控制器；根據(jù)電磁力、轉子動態(tài)性能等要求研究系統(tǒng)參數(shù)辨識、位置檢測、功率逆變器、數(shù)字控制系統(tǒng)硬件和軟件；通過理論計算仿真和實驗研究優(yōu)化電機參數(shù)和非線性智能控制器，攻克無軸承異步電機非線性動態(tài)解耦控制的技術難題。.本項目的研究對提高我國無軸承異步電機在國際上的研究和應用水平，對解決眾多領域難以實現(xiàn)和完善的電氣傳動問題具有十分重要意義。 2100433B

與傳統(tǒng)的滾動軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機械接觸，轉子可以運行到很高的轉速，具有機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境中。磁懸浮事實上只是一種輔助功能，并非是獨立的軸承形式，具體應用還得配合其它的軸承形式，例如磁懸浮 滾珠軸承、磁懸浮 含油軸承、磁懸浮 汽化軸承等等。