陶雪峰 劉 昆

（國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院）

磁懸浮飛輪儲能補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)技術(shù)研究?

陶雪峰 劉 昆

（國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院）

介紹了一套基于磁懸浮飛輪儲能的脈沖電源系統(tǒng)。電機(jī)主體為一臺兩相、四級、空心補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)。軸向使用電磁推力軸承，徑向使用內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子混合磁軸承，具備承受4g過載能力。使用有限元軟件對系統(tǒng)電磁特性進(jìn)行了仿真。采用自勵磁方式，在20 000r/min的初始轉(zhuǎn)速下，勵磁電流可在9ms內(nèi)增至9kA，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降為18 440r/min。對電感梯度1μH/m，電阻梯度0.005mΩ/m的電磁軌道炮負(fù)載放電，可將5g彈丸加速至1.98km/s，峰值電流可達(dá)180kA。

補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)；混合磁軸承；電磁軌道炮；電磁特性

0 引言

飛輪儲能系統(tǒng)是利用飛輪旋轉(zhuǎn)速度的變化來實現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的裝置，因其能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注[1]。利用飛輪慣性儲能的設(shè)想早在上世紀(jì)50年代就被提出，但限于技術(shù)發(fā)展水平一直未能有實質(zhì)進(jìn)展[2]。20世紀(jì)90年代后，隨著高性能復(fù)合材料、電力電子技術(shù)、先進(jìn)支承技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等技術(shù)的進(jìn)步，飛輪儲能技術(shù)也得到了突破性進(jìn)展，開始向?qū)嵱没l(fā)展，用于電力調(diào)峰、不間斷電源、飛輪電池、航空航天等領(lǐng)域[3]。補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)（Compensated Pulsed Alternator，CPA）是一種特殊的同步電機(jī)，可實現(xiàn)機(jī)械能與電能的高效轉(zhuǎn)化。采用補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實現(xiàn)磁通壓縮，能夠極大降低放電時的電樞電感，從而實現(xiàn)大電流、高功率輸出，在高功率脈沖電源（Pulsed Power Supply，PPS）領(lǐng)域占有重要地位[4]。

為提高飛輪儲能系統(tǒng)的能量密度，需盡可能提高飛輪轉(zhuǎn)速，對支承系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)機(jī)械軸承損耗高、易磨損、維護(hù)復(fù)雜。德克薩斯大學(xué)機(jī)電中心曾設(shè)計制造一臺小口徑炮用CPA，其設(shè)計轉(zhuǎn)速為25 000r/min，因采用的陶瓷球滾珠軸承系統(tǒng)發(fā)生損壞，最終轉(zhuǎn)速未能超過18 000r/min[5]。磁軸承技術(shù)可實現(xiàn)無接觸支承，能夠降低軸承損耗，且剛度、阻尼可控，成為飛輪儲能領(lǐng)域的研究熱點[6]。

將磁軸承技術(shù)與CPA技術(shù)結(jié)合，對提高脈沖電源系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)速、降低飛輪轉(zhuǎn)子振動具有重要作用。本文將介紹一套磁懸浮飛輪儲能的補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，對系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析。

1 脈沖電源系統(tǒng)主要部件

1.1 電機(jī)構(gòu)型

電機(jī)剖面圖如圖1所示。理論上，電機(jī)極數(shù)越少，放電脈沖越寬。但是兩極電機(jī)放電時繞組和轉(zhuǎn)子上所受橫向力沿圓周不對稱，易引起轉(zhuǎn)子振動，因此設(shè)計成四極電機(jī)[7]。另外，采用兩相結(jié)構(gòu)可使得兩相之間磁通耦合最小，消除相間電感，且有利于放電波形的調(diào)節(jié)。采用空心結(jié)構(gòu)，不使用鐵磁材料，可有效提高轉(zhuǎn)速和勵磁磁場上限，增加儲能密度和功率密度[8]。

由于采用空心結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)電感已經(jīng)很小，采用專門的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)作用不明顯。出于結(jié)構(gòu)可靠和脈沖波形通用性考慮，采用“無”補(bǔ)償形式，實際補(bǔ)償作用由勵磁繞組完成[9]。

圖1 補(bǔ)償脈沖電機(jī)剖面圖Fig.1 Sectional view of the compulsator

1.2 支承系統(tǒng)

由于系統(tǒng)工作時轉(zhuǎn)子受力主要在徑向，著重考慮徑向磁軸承設(shè)計，軸向采用結(jié)構(gòu)簡單的電磁推力軸承。徑向采用內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子混合磁軸承結(jié)構(gòu)，其實體模型如圖2所示。轉(zhuǎn)子質(zhì)量約為50kg，考慮磁軸承具備4g過載能力，則單個磁軸承最大承載力應(yīng)超過1 000N。使用有限元軟件Ansys對磁軸承電磁特性進(jìn)行初步分析，電磁力分析結(jié)果如圖3所示。由仿真結(jié)果可知，在線性區(qū)內(nèi)磁軸承最大能提供約1 250N的電磁力，達(dá)到設(shè)計要求。

圖2 混合磁軸承實體圖Fig.2 Hybrid magnetic bearing model

圖3 徑向磁軸承電磁力Fig.3 Electromagnetic force of radial magnetic bearings

2 電磁特性仿真

為驗證電源系統(tǒng)性能，需要對電機(jī)電磁特性進(jìn)行仿真。主要包括空載電磁特性、勵磁過程以及放電過程的系統(tǒng)表現(xiàn)。以電磁軌道炮為負(fù)載，需要考慮放電過程中彈丸運(yùn)動情況。

2.1 仿真平臺

電機(jī)電磁特性涉及到電磁場計算、電路仿真、轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析、電磁軌道炮動力學(xué)等諸多方面，精確計算難度較大。本文使用Ansys Simplorer-Maxwell聯(lián)合仿真的方法構(gòu)建勵磁、放電控制電路與電磁軌道炮模型。Simplorer是多域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析軟件，用于電氣、電磁、電力電子、控制等機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模、設(shè)計、仿真分析及優(yōu)化，是一款理想的系統(tǒng)級仿真軟件。利用Simplorer豐富的模塊功能，可以實現(xiàn)更復(fù)雜的控制電路，電磁軌道炮的動態(tài)特性也能計算，真正實現(xiàn)電磁場、電路、動力學(xué)聯(lián)合仿真。

2.2 空載特性仿真

對CPA空載特性進(jìn)行初步分析，設(shè)置轉(zhuǎn)速為18 000r/min，勵磁電流為7.5kA，氣隙磁密分布和電樞開路電壓分別如圖4，5所示。根據(jù)仿真結(jié)果，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度能夠達(dá)到2.5T，兩相感應(yīng)電壓能夠達(dá)到2kV。

圖4 電機(jī)氣隙磁密分布Fig.4 Magnetic flux density of air gap

圖5 電樞感應(yīng)電壓Fig.5 Open-circuit voltage of armature windings

2.3 自勵磁過程仿真

空心電機(jī)中沒有導(dǎo)磁材料，對勵磁磁場強(qiáng)度要求很高。采用大功率外部勵磁顯然不符合脈沖電源小型化要求，一般采用自勵磁方式達(dá)到符合要求的磁場強(qiáng)度。其原理為：使用電容器為勵磁繞組充電，使其獲得一個較小的種子電流，同時電樞繞組獲得感應(yīng)電壓。隨后將電樞繞組經(jīng)整流后向勵磁繞組放電，勵磁電流增大，勵磁磁場隨之增強(qiáng)，電樞繞組獲得更高的感應(yīng)電壓后向勵磁繞組供電。如此，構(gòu)成一個正反饋過程，勵磁電流將以指數(shù)形式增值，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為磁場能。當(dāng)勵磁磁場達(dá)到要求后，放電主開關(guān)打開，補(bǔ)償脈沖電機(jī)向負(fù)載放電。

使用4 000V/250μF的電容器作為起勵電容，轉(zhuǎn)子初始轉(zhuǎn)速為20 000r/min，自勵磁過程電流及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化如圖6,7所示。在8.66ms時，勵磁電流達(dá)到9kA，轉(zhuǎn)速降為18 440r/min。

圖6 自勵磁過程電流變化曲線Fig.6 Current during self-excitation process

圖7 自勵磁過程轉(zhuǎn)速變化Fig.7 Rotor speed change during self-excitation process

2.4 放電過程仿真

以電磁軌道炮作為負(fù)載，設(shè)彈丸質(zhì)量為m=5g，電磁炮導(dǎo)軌電感梯度為L′=1μH/m，電阻梯度為R′=0.005mΩ/m，則在CPA驅(qū)動彈丸過程中，電磁推力：F=1/2L′i2；彈丸加速度a=F/m；速度v=∫0ta(t)dt；位移x= ∫0tv(t)dt。設(shè)初始勵磁電流為9kA，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為18 400r/min，放電結(jié)果如圖8，9所示。峰值電流能夠達(dá)到180kA，彈丸被加速到1.98km/s。

圖8 兩相并聯(lián)放電電流Fig.8 Parallel discharge waveform

圖9 放電過程彈丸速度變化曲線Fig.9 Projectile speed change during the discharge process

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于磁懸浮飛輪儲能的脈沖電源系統(tǒng)。將磁軸承技術(shù)與CPA技術(shù)結(jié)合，能夠充分發(fā)揮兩者優(yōu)點，為脈沖電源的設(shè)計提供了新的思路。

[1]張新賓,儲江偉，李洪亮,等.飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2015,4(1):55-60.

[2]查生凱.磁懸浮儲能飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2015.

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[6]湯平華.磁懸浮飛輪儲能電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[7]吳紹朋.空芯補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)的設(shè)計方法與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

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Research on Magnetic Suspension Flywheel Energy Storage Compensated Pulsed Alternator

Xue-feng Tao Kun Liu
（College of Aerospace Science and Engineering,National University of Defense Technology）

A set of pulsed power system based on maglev flywheel energy storage is introduced in this paper,which is a two-phase four-pole air-core compensated pulsed alternator.The electromagnetic thrust bearing is used in the axial direction.In the radial direction,an inner rotor outer stator hybrid magnetic bearing is adopted with the ability to withstand 4g overload.The electromagnetic properties of the system are simulated by using a finite element software.Using a self-excitation method,the field current can increase to 9kA within 9ms,at the initial rotor speed of 20000 r/min.As a consequence,the rotor speed is decrease to 18400 r/min.When driving an electromagnetic track gun whose inductance gradient and resistance gradient are 1μH/m and 0.5mΩ/m,respectively,the peak current can reach to 180kA,accelerating a 5g projectile to 1.98km/s.

compensated pulsed alternator,hybrid magnetic bearings,electromagnetic track gun,electromagnetic characteristics

TM301

1006-8155-(2017)05-0045-04

A

10.16492/j.fjjs.2017.05.0008

國家自然科學(xué)基金（61603405）

2017-07-05 湖南 長沙 410073