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(lǐng)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(zhuǎn)子懸浮支承等技術(shù)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(zhuǎn)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(wù)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計、非線性智能控制、懸浮系統(tǒng)容錯控制、高速轉(zhuǎn)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(guān)成果獲2016年江蘇省科學(xué)技術(shù)三等獎1項、教育部發(fā)明二等獎1項；發(fā)表學(xué)術(shù)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(quán)10項。課題負(fù)責(zé)人入選江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程中青年學(xué)術(shù)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(shè)計了一種無機械摩擦、結(jié)構(gòu)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(yù)測控制理論、滑模變結(jié)構(gòu)、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(zhǔn)則下的BIM懸浮轉(zhuǎn)子振動補償控制策略，有效實現(xiàn)了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，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(lǐng)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(zhuǎn)子懸浮支承等技術(shù)難題，結(jié)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(zhuǎn)換。該磁懸浮無軸承異步電機系統(tǒng)由兩臺單繞組混合轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)新穎合理的磁懸浮無軸承異步電機基本原理與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；建立其優(yōu)化設(shè)計、性能參數(shù)計算、數(shù)學(xué)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(biāo)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(jìn)行實驗驗證。本項目的研究，將為新型磁懸浮系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，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(shè)備的旋轉(zhuǎn)摩擦損耗較大，為了減少旋轉(zhuǎn)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)體無法滿足磁軸承的要求，但是自從高溫超導(dǎo)體Y(釔)系發(fā)現(xiàn)以來，制造高溫超導(dǎo)磁軸承成為可能。永久磁鐵安裝在飛輪上，高溫超導(dǎo)體安裝在底座上并用液氮冷卻，利用超導(dǎo)體的特性之一的Meissier效應(yīng)(超導(dǎo)抗磁性)。永久磁鐵的磁通被超導(dǎo)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(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器、控制系統(tǒng)、功率放大器組合而成。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lǐng)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(zhuǎn)矩和徑向懸浮力、徑向懸浮力之間的動態(tài)解耦控制，嚴(yán)重制約無軸承異步電機的發(fā)展和應(yīng)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(zhuǎn)子徑向受力，建立懸浮力和電機數(shù)學(xué)模型；采用多變量非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆進(jìn)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(zhuǎn)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(shù)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(yīng)用水平，對解決眾多領(lǐng)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(zhuǎn)子可以運行到很高的轉(zhuǎn)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(yīng)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。