飞轮储能用新型磁悬浮无轴承异步电机系统研究项目摘要

飞轮储能是实现能源高效利用的有效手段之一，已成为动力电池研究领域的主攻方向。项目针对飞轮储能系统中传动电机高速运行及飞轮转子悬浮支承等技术难题，结合无轴承异步电机和磁轴承优势，提出一种新型磁悬浮无轴承异步电机系统，用于飞轮储能系统的悬浮支承和能量转换。该磁悬浮无轴承异步电机系统由两台单绕组混合转子无轴承异步电机和一台轴向磁轴承融合而成，具有高功率密度、高功率因数、高可靠性、低功耗、低成本等优点。本项目旨在研究结构新颖合理的磁悬浮无轴承异步电机基本原理与拓扑结构；建立其优化设计、性能参数计算、数学建模、仿真分析的一般方法；研究不同运行模式下系统悬浮/电动/发电运行的多目标协调控制；分析系统容错性能，揭示其故障诊断与容错控制的一般规律；搭建基于dSPACE实验系统，进行实验验证。本项目的研究，将为新型磁悬浮系统的应用提供理论和技术基础，为提升飞轮储能系统整体研究水平及自主创新能力提供有益帮助。

飞轮储能是实现能源高效利用的有效手段之一，已成为动力电池研究领域的主攻方向。项目针对飞轮储能系统中传动电机高速运行及飞轮转子悬浮支承等技术难题，提出一种新型高效的磁悬浮无轴承异步电机传动系统，用于飞轮储能系统的悬浮支承和能量转换。 经过4年研究与实践，课题组完成了既定研究计划和任务，在特定对象飞轮储能用磁悬浮无轴承异步电机(Bearingless Induction Motor，BIM)新型拓扑结构与参数设计、非线性智能控制、悬浮系统容错控制、高速转子振动抑制、无速度传感器高效运行及高品质数字控制集成系统实现等方面开展了研究工作。 相关成果获2016年江苏省科学技术三等奖1项、教育部发明二等奖1项；发表学术论文47篇，其中SCI收录24篇、EI收录13篇，申请发明专利20项，其中授权10项。课题负责人入选江苏省“333高层次人才培养工程中青年学术带头人”、江苏省“六大人才高峰”资助对象和“中国博士后特别资助”对象。主要工作如创新性成果如下： 1) 设计了一种无机械摩擦、结构简单紧凑同时能够产生径向力与轴向力的新型磁悬浮飞轮储能用BIM，并开展电磁参数优化计算，外协完成样机加工。 2) 揭示了飞轮储能用磁悬浮BIM系统多变量、非线性和强耦合特性，提出并实现了基于模型预测控制理论、滑模变结构、自抗扰理论、悬浮系统容错控制等磁悬浮无轴承异步电机系统非线性智能控制方法，实现了其高性能控制。 3) 提出了两种不同补偿准则下的BIM悬浮转子振动补偿控制策略，有效实现了转子振动抑制，提高了悬浮性能。 4) 攻克BIM系统运行控制中转速检测的难题，实现磁悬浮无轴承异步电机系统低成本无传感器高效运行。 5) 设计并开发基于TMS320 DSP的BIM系统全数字控制系统，同时，基于C语言设计开发了数字控制系统的模块化软件程序，不仅提高了系统运行效率，而且增强了程序可移植性和通用性。 本项目的研究，将为新型磁悬浮系统的应用提供理论和技术基础，为提升飞轮储能系统整体研究水平及自主创新能力提供有益帮助。

飞轮蓄能发电设备的旋转摩擦损耗较大，为了减少旋转摩擦损耗，所以一般都采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是飞轮储能系统的关键部件。磁轴承根据磁场性质的不同主要分为被动磁悬浮轴承(PMB)和主动磁悬

浮轴承(AMB)两种：

(a)被动磁悬浮轴承

被动磁悬浮轴承有代表性的是高温超导磁悬浮轴承。无源磁悬浮轴承磁场通常是不可控的。传统的超导体无法满足磁轴承的要求，但是自从高温超导体Y(钇)系发现以来，制造高温超导磁轴承成为可能。永久磁铁安装在飞轮上，高温超导体安装在底座上并用液氮冷却，利用超导体的特性之一的Meissier效应(超导抗磁性)。永久磁铁的磁通被超导体阻挡而产生排斥力，使飞轮处于悬浮状态。

(b)主动磁悬浮轴承

主动磁悬浮系统主要是电磁悬浮系统。电磁悬浮轴承系统主要由转子、电磁铁、传感器、控制系统、功率放大器组合而成。转子位移变化的信号由传感器测出，传到控制器中，控制器计算后，输出信号，经过功率放大器的放大，输入到电磁铁，产生电磁力，从而保证转子的稳定悬浮。

无轴承异步电机集异步电机和磁悬浮轴承功能及优点为一体，是电机和磁悬浮轴承研究领域的重大突破。目前采用的磁场定向控制策略难以实现无轴承异步电机转矩和径向悬浮力、径向悬浮力之间的动态解耦控制，严重制约无轴承异步电机的发展和应用研究。本项目针对无轴承异步电机多变量、非线性和强耦合控制对象，全面分析转子径向受力，建立悬浮力和电机数学模型；采用多变量非线性神经网络逆进行动态解耦控制，研究系统运行的非线性智能控制器；根据电磁力、转子动态性能等要求研究系统参数辨识、位置检测、功率逆变器、数字控制系统硬件和软件；通过理论计算仿真和实验研究优化电机参数和非线性智能控制器，攻克无轴承异步电机非线性动态解耦控制的技术难题。.本项目的研究对提高我国无轴承异步电机在国际上的研究和应用水平，对解决众多领域难以实现和完善的电气传动问题具有十分重要意义。 2100433B

与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮 滚珠轴承、磁悬浮 含油轴承、磁悬浮 汽化轴承等等。