电磁轴承技术与储能飞轮-2-solarbe文库

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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 PMBPermanent Magnetic Bearing SMBSuper- conducting Magnetic Bearing HMBHybrid 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0.110mm） 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