电磁轴承技术与储能飞轮-2

飞轮储能主体技术研讨会 2019 赵 雷 2019.05 电磁轴承与储能飞轮 主要内容 1. 磁轴承基本特点 2. 磁轴承应用研究现状 3. 储能飞轮与磁轴承 4. 飞轮磁轴承应用进展现状 5. 飞轮磁轴承主要议题 6. 小结 引言:磁场力实现支承功能 利用磁场实现无接触的支承功能——也是人类由来已久 的梦想， 借助自然界的磁现象及人类探索自然的成果积累，人们 可以增强与精确控制磁场从而有效加以利用。 将原本不稳定系统通过反馈控制实现稳定并逐步使之具 有实用功能。 磁轴承分类 AMB－Active Magnetic Bearing PMB—Permanent Magnetic Bearing SMB—Super- conducting Magnetic Bearing HMB—Hybrid Magnetic Bearing 电磁轴承 永磁轴承 超导磁轴承 混合磁轴承 电磁轴承基本组成结构（S2M） 电流式或 电压式 模拟或数字电路实现 软磁 材料 非接触式位 移传感器 1 1’ 4 2 2’ 1 1’ 2 2’ 径向、轴向电磁轴承结构 超导磁悬浮（轴承） 麦斯纳效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性效应 导体一旦进入超导状态，体内的 磁通量将全部被排出体外，磁感 应强度恒为零。 2 1 3 4 5 径向 轴向 径向 径向 径向 电磁轴承－转子组成 5 自由度主动控制 电磁轴承性能特点－优点 1)无机械接触、微“摩擦”、无磨损（间隙范围：0.1—10mm） a)允许转子高速运行，提供了新的设计思路，提高功率密度， b)低运行损耗，小于通用轴承5～20倍， c)长寿命、低运行维护费用 －尤其适合透平类机组， 2)无须润滑、密封、可在任意介质中运行； 可在真空中运行，成为储能飞轮重要的支承解决方案之一 3)转子动态性能可控，－减震、隔振、过临界， a)运行精度可控 －传感器的分辨率？ b)提高运行可靠性 －在线诊断、监测等手段， c)利用电磁轴承可以实现转子、结构未知特性的辨识 。 性能特点－局限性 1）电磁铁会饱和，承载能力有限， 几乎无过载能力 2）受驱动功率限制，执行器有效带宽 （电磁力摆率）有限， 3）存在坠落的可能性，需要专设防护 措施； 4）某些方面，如，安全性、可靠性、能量消耗、优化设计等，通 用而系统性的设计方法尚有不足，仍需大量的工作 面临挑战 电磁轴承或混合磁轴承作为储能飞轮 支承解决方案 一、技术问题 二、基础理论 储能飞轮选用磁轴承的特殊性 结构形式多样化 真空密闭环境 极低功耗 低阻力矩 高转速与强陀螺 效应 安全性与可靠性 （跌落防护） 飞轮磁轴承应用现状 1. 航天飞轮支承 2. 小型储能支承 3. 大型储能飞轮支承 4. 移动基础飞轮支承 5. 现代飞轮—飞轮电池（包括电磁弹射）：支承必须 维持大功率快速充放电过渡过程中转子稳定性 附录：国内外储能飞轮磁轴承研究调研 在大型涡轮机械领域，电磁 轴承已经近30年的运行历史 储能飞轮磁轴承的技术要求？ 1. 高真空环境下，支承部件（包括转子）温度控制 –支承功耗的极小化—温度控制与储能效率综合要求 –极低阻力矩—能量保持时间与温度控制 “既要马儿跑得好，又要马儿不吃草” 2. 反馈控制性能与稳定性 –陀螺效应强，导致模态频率变化范围大 –有限功耗下的稳定维护 –支承基础的结构模态敏感 储能飞轮磁轴承的技术要求？ 4. 磁轴承与总体关系 –部件与总体 –转子动力学与结构力学 –结构的多样化，设计方法不足 –紧凑型电力电子设备的电磁兼容性 5. 测试评估与验收 – ISO14839-1/2/3/4 的借鉴意义 – API617-8 th 附件E的借鉴意义 6. 复合材料飞轮转子支承要求的特殊性 1. 结构形式单一，多为圆筒或厚壁圆筒 2. 结构中存在薄壁结构，挠性大，动力 学特性复杂，（包括扭转动力学） 3. 高度非线性，如，热温度系数，线性 定常系统的假设的动摇； 4. 辐射散热能力差 5. 变形大，导致惯量比变化，进而导致 动力学特性变化，控制难度加大 相关基础问题与思考 1)借鉴传统旋转机械有关标准，如何评价电磁轴承—转子系统可 以交付使用？ 2)主要的评价内容、评价手段是否与现行标准一致？ 3)电磁轴承—飞轮转子系统的稳定性，如何评价？ 4)电磁轴承—飞轮转子是否也有失稳转速？ 5)为什么有时转速上不去？悬浮与转动区别？ 6)为什么有时换个基础平台，转子会失稳？ 18 相关问题与思考 7)保护轴承—转子系统的跌落转子动力学行为的预测与评估— —设计到可靠性与安全性？ 8)电控系统能力与动力学行为边界？ 9)高速、超高速，转子运行的新问题？ 10)工业应用具体设计过程中，电磁轴承—转子系统与总体的关 系？ 11)电磁轴承—转子系统的加工制造精度？ 12)转子转动过程中出现反向模态振动？ 19 基础理论：磁轴承—转子（陀螺）动力学 围绕传统支承—转子动力学的几大议题： –1、横向(lateral rotor dynamics)转子动力学 –2、机械平衡 –3、稳定性 –4、扭转动力学 –5、轴向动力学 在此基础上，电磁轴承—转子动力学（陀螺力学）的特殊性与传 统支承转子动力学的共性议题： 20 转子动力学之建模 1)建立模型考虑因素总体上一致 2)转子动力学模型与电磁轴承控制模型的耦合（发展中） 3)控制算法与外在刚度、阻尼特性的关系的频变性 4)单机与批量的控制参数差异调试 21 电磁轴承—转子动力学分析 横向转子动力学分析要素主体一致，但具体内容有区别， –自由（free-free）转子固有频率 –无阻尼临界转速 –有阻尼不平衡响应分析 –稳定性（有阻尼特征值分析） 22  自由（free-free）转子固有频率（力自由控制、跌落瞬间）  无阻尼临界转速（刚度曲线的来源） 23 不平衡响应与转速范围的特殊性 24 不平衡响应与磁轴承闭环传函的应用 a)不平衡响应分析与测试 ，是旋转机械交付验收 过程中的重要工作内容 a)闭环传函与转子不平衡 响应分析一样，也是研 究激振力(输入)和位移 响应(输出)在频域内的 对应关系 25 不平衡响应与磁轴承闭环传函 26 电磁轴承—转子动力学特殊性 稳定性分析与测试评估 1)与滑动轴承的一阶、二阶稳定性分析关系？ 2)电磁轴承—转子开环不稳定，必须依赖闭环反馈控制，需要能量 的输入与控制， 3)理论上，控制不当，可能在任意频率失稳？ 4)电磁轴承—转子在任意转速也不能失稳？ 5)闭环反馈系统的过渡过程对转子性能及稳定性影响 6)如何评估：劳斯判据、奈奎斯特判据-灵敏度传递函数-灵敏度 指数 27 转子稳定性分析与测试 28 稳定性分析与测试—几点疑问 扫频激振力幅度？扫频波形？扫频状态：零转速或任何 转速？ 29 电磁轴承—转子动力学特殊性—机械平衡 1)转子转动基准与动平衡基准可能不一致 2)高速动平衡难度大 3)本机平衡可行性 4)残余不平衡的主动控制，“力自由与力控制” 5)磁悬浮转子的动平衡目标手段？ 30