崔新生　劉奕辰

摘 要：飛輪儲能系統(tǒng)是一種新型的清潔儲能方式。相比于其他形式的儲能設備，具有比功率大、充放電快、壽命長、無污染等特點，得到了人們的廣泛關注。如何提高電機轉(zhuǎn)速、減小損耗成為飛輪儲能研究的重點。無軸承無刷直流電機是一種新型的高性能電機，具有無摩擦磨損、速度高、壽命長、體積小、結(jié)構簡單等特點，適于作為飛輪儲能的驅(qū)動電機。本文分析了無軸承無刷直流電機懸浮力產(chǎn)生的原理，設計了控制系統(tǒng)，并搭建了仿真平臺。最后利用樣機對充放電過程進行模擬實驗。其結(jié)果表明，無軸承無刷直流電機在充放電過程中具有良好的動態(tài)響應能力和穩(wěn)定性，適合作為飛輪儲能系統(tǒng)的驅(qū)動電機。

關鍵詞：無軸承無刷直流電機；飛輪儲能；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.110

0 引言

面對環(huán)境污染和能源危機的雙重壓力，新能源的開發(fā)和利用已經(jīng)迫在眉睫。常見的儲能方式有蓄電池儲能、壓縮空氣儲能、超導儲能、抽水儲能、超級電容儲能、飛輪儲能等。其中，飛輪儲能以其比能量高、比功率大、體積小、充放電快、壽命長、對環(huán)境無污染等特點，在電動汽車、電網(wǎng)補償、航空航天、不間斷電源等領域起到了重要的作用[1-2]。但是，飛輪儲能系統(tǒng)的運行研究也存在著諸多瓶頸，例如高速超高速電機運行的穩(wěn)定性、飛輪自身的機械強度、軸承支承技術等，其中使用傳統(tǒng)機械軸承支承技術帶來的摩擦磨損，成了限制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和增加飛輪損耗的主要因素之一。以無軸承無刷直流電機作為飛輪儲能驅(qū)動電機，不僅可以減小摩擦磨損、提高電機轉(zhuǎn)速，還可以克服單純使用磁軸承帶來的體積大、軸向空間長等不足。

1 懸浮力產(chǎn)生的原理

在無軸承無刷直流電機中，其電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理與傳統(tǒng)的無刷直流電機相同。下面詳細介紹徑向懸浮力產(chǎn)生的原理。當轉(zhuǎn)子角位置=30°時，由轉(zhuǎn)矩繞組B、C通電控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；由懸浮力繞組a1、a2通電控制轉(zhuǎn)子懸浮。當繞組a1通以如圖1所示方向的電流時，氣隙1處的磁密增加而氣隙2處的磁密減小，轉(zhuǎn)子兩側(cè)氣隙磁密的不平衡導致其受到沿x軸正方向的懸浮力；同理可分析當懸浮力繞組a2通電時能產(chǎn)生沿y軸方向的懸浮力。因此通過控制懸浮力繞組a1與a2中電流的大小和方向便可得到xoy平面內(nèi)任意的懸浮力矢量。

2 無軸承無刷直流電機控制系統(tǒng)

圖2是無軸承無刷直流電機控制系統(tǒng)框圖，包括電機充放電系統(tǒng)和磁懸浮系統(tǒng)[3-4]。

當電機處于電動狀態(tài)時，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，并設置有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SCR和電流調(diào)節(jié)器ACR。通過檢測電機實時轉(zhuǎn)速n，與參考轉(zhuǎn)速n*做差后經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SCR得到電流的參考值i*；再換算成電壓信號和轉(zhuǎn)子位置信息一同輸入控制器中，得到轉(zhuǎn)速控制信號。

當電機處于發(fā)電狀態(tài)時，發(fā)電機輸出三相對稱的電勢，經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)，得到穩(wěn)定的直流電壓；隨著電能的釋放，飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速逐漸降低，使得定子中產(chǎn)生的感應電動勢也逐漸降低，需要增加一個升壓穩(wěn)壓模塊，以穩(wěn)定電壓。如需使用交流電，則只要再經(jīng)過一個逆變穩(wěn)壓模塊，就可以得到通用的220V交流電。

當懸浮力子系統(tǒng)工作時，如轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心，位移傳感器檢測實際位移大小，并與參考位移做差后經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，得到懸浮力參考值；根據(jù)懸浮力參考值計算出懸浮力繞組電流參考值，再換算成電壓信號與轉(zhuǎn)子位置信號一同輸入控制器中，得到懸浮力控制信號。

3 系統(tǒng)仿真

通過MATLAB/Simulink軟件平臺搭建了無軸承無刷直流電機控制系統(tǒng)模型，來驗證無軸承無刷直流電機控制系統(tǒng)在電動和發(fā)電狀態(tài)下的可行性與可靠性。

圖3是轉(zhuǎn)速響應曲線，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速響應很快，約0.04s后達到額定轉(zhuǎn)速，超調(diào)量很小，當0.2s施加負載以后，轉(zhuǎn)速能很快的（約為0.03s）回到額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速基本不受負載的變化而變化。

圖4 是分別是輸出電壓和感應電流曲線。輸出電壓15ms達到穩(wěn)定狀態(tài)。感應電流基本呈現(xiàn)三相對稱正弦波，10ms之后進入穩(wěn)態(tài)過程。

圖5分別是x方向和y方向的位移曲線，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子能很快的（小于0.01s）收斂于電機中心位置，轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)了穩(wěn)定懸浮。

4 實驗過程

利用無軸承無刷直流電機搭建實驗平臺。以無軸承無刷直流電機電動狀態(tài)模擬飛輪儲能充電過程，以無軸承無刷直流電機發(fā)電狀態(tài)模擬飛輪儲能平穩(wěn)放電過程。

圖6是轉(zhuǎn)速響應曲線，轉(zhuǎn)速在0.38s內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速，加速過程近似于勻加速，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)增加，無超調(diào)量?？梢姡瑹o軸承無刷直流電機轉(zhuǎn)速響應良好。

圖7是發(fā)電電壓波形，在0.1s后電壓達到穩(wěn)定的220V，在0.2s時負載減小，在0.35s時負載增加?？梢?，發(fā)電電壓能夠很快恢復到正常值，負載變化時，電壓波動誤差為4%左右，滿足發(fā)電要求。

如圖8所示，當懸浮力子系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)子會迅速回到中心位置，其振動的幅度約50um遠小于氣隙寬度（Lg=1mm）；表明轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定懸浮于中心，懸浮力子系統(tǒng)具有良好的工作性能。

由上述實驗結(jié)果可知，無軸承無刷直流電機在電動機狀態(tài)和發(fā)電機狀態(tài)都具有良好的動態(tài)響應能力和穩(wěn)定性，懸浮力子系統(tǒng)也具有較好的穩(wěn)定性，適用于飛輪儲能系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文分析了無軸承無刷直流電機懸浮力產(chǎn)生的原理，設計了其控制系統(tǒng)，并搭建了數(shù)字控制實驗平臺，以無軸承無刷直流電機模擬飛輪儲能驅(qū)動電機，并針對電動機狀態(tài)和發(fā)電機狀態(tài)分別進行了仿真和實驗研究，同時，對磁懸浮系統(tǒng)也進行了實驗研究。其結(jié)果表明，在電動狀態(tài)下，電機可以迅速達到額定轉(zhuǎn)速，并具有良好的轉(zhuǎn)速響應；在發(fā)電狀態(tài)下，電壓可以穩(wěn)定在220V，即使負載發(fā)生變化，輸出電壓也能很快恢復穩(wěn)定；當懸浮力子系統(tǒng)運作時，轉(zhuǎn)子能夠迅速懸浮于中心，且具有良好的穩(wěn)定性。

參考文獻：

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作者簡介：崔新生（1962-），男，助理工程師，從事電機及控制教學和研究。