磁悬浮飞轮储能补偿脉冲发电机技术研究∗

陶雪峰 刘 昆

（国防科技大学航天科学与工程学院）

磁悬浮飞轮储能补偿脉冲发电机技术研究∗

陶雪峰 刘 昆

（国防科技大学航天科学与工程学院）

介绍了一套基于磁悬浮飞轮储能的脉冲电源系统。电机主体为一台两相、四级、空心补偿脉冲发电机。轴向使用电磁推力轴承，径向使用内转子外定子混合磁轴承，具备承受4g过载能力。使用有限元软件对系统电磁特性进行了仿真。采用自励磁方式，在20 000r/min的初始转速下，励磁电流可在9ms内增至9kA，转子转速降为18 440r/min。对电感梯度1μH/m，电阻梯度0.005mΩ/m的电磁轨道炮负载放电，可将5g弹丸加速至1.98km/s，峰值电流可达180kA。

补偿脉冲发电机；混合磁轴承；电磁轨道炮；电磁特性

0 引言

飞轮储能系统是利用飞轮旋转速度的变化来实现机械能与电能相互转换的装置，因其能量密度高、能量转换效率高、使用寿命长、应用范围广等优点，受到越来越多的关注[1]。利用飞轮惯性储能的设想早在上世纪50年代就被提出，但限于技术发展水平一直未能有实质进展[2]。20世纪90年代后，随着高性能复合材料、电力电子技术、先进支承技术、现代控制技术等技术的进步，飞轮储能技术也得到了突破性进展，开始向实用化发展，用于电力调峰、不间断电源、飞轮电池、航空航天等领域[3]。补偿脉冲发电机（Compensated Pulsed Alternator，CPA）是一种特殊的同步电机，可实现机械能与电能的高效转化。采用补偿结构实现磁通压缩，能够极大降低放电时的电枢电感，从而实现大电流、高功率输出，在高功率脉冲电源（Pulsed Power Supply，PPS）领域占有重要地位[4]。

为提高飞轮储能系统的能量密度，需尽可能提高飞轮转速，对支承系统提出了更高的要求。传统机械轴承损耗高、易磨损、维护复杂。德克萨斯大学机电中心曾设计制造一台小口径炮用CPA，其设计转速为25 000r/min，因采用的陶瓷球滚珠轴承系统发生损坏，最终转速未能超过18 000r/min[5]。磁轴承技术可实现无接触支承，能够降低轴承损耗，且刚度、阻尼可控，成为飞轮储能领域的研究热点[6]。

将磁轴承技术与CPA技术结合，对提高脉冲电源系统最大转速、降低飞轮转子振动具有重要作用。本文将介绍一套磁悬浮飞轮储能的补偿脉冲发电机系统，对系统性能进行仿真分析。

1 脉冲电源系统主要部件

1.1 电机构型

电机剖面图如图1所示。理论上，电机极数越少，放电脉冲越宽。但是两极电机放电时绕组和转子上所受横向力沿圆周不对称，易引起转子振动，因此设计成四极电机[7]。另外，采用两相结构可使得两相之间磁通耦合最小，消除相间电感，且有利于放电波形的调节。采用空心结构，不使用铁磁材料，可有效提高转速和励磁磁场上限，增加储能密度和功率密度[8]。

由于采用空心结构，电机内电感已经很小，采用专门的补偿结构作用不明显。出于结构可靠和脉冲波形通用性考虑，采用“无”补偿形式，实际补偿作用由励磁绕组完成[9]。

图1 补偿脉冲电机剖面图Fig.1 Sectional view of the compulsator

1.2 支承系统

由于系统工作时转子受力主要在径向，着重考虑径向磁轴承设计，轴向采用结构简单的电磁推力轴承。径向采用内转子外定子混合磁轴承结构，其实体模型如图2所示。转子质量约为50kg，考虑磁轴承具备4g过载能力，则单个磁轴承最大承载力应超过1 000N。使用有限元软件Ansys对磁轴承电磁特性进行初步分析，电磁力分析结果如图3所示。由仿真结果可知，在线性区内磁轴承最大能提供约1 250N的电磁力，达到设计要求。

图2 混合磁轴承实体图Fig.2 Hybrid magnetic bearing model

图3 径向磁轴承电磁力Fig.3 Electromagnetic force of radial magnetic bearings

2 电磁特性仿真

为验证电源系统性能，需要对电机电磁特性进行仿真。主要包括空载电磁特性、励磁过程以及放电过程的系统表现。以电磁轨道炮为负载，需要考虑放电过程中弹丸运动情况。

2.1 仿真平台

电机电磁特性涉及到电磁场计算、电路仿真、转子动力学分析、电磁轨道炮动力学等诸多方面，精确计算难度较大。本文使用Ansys Simplorer-Maxwell联合仿真的方法构建励磁、放电控制电路与电磁轨道炮模型。Simplorer是多域机电系统设计与仿真分析软件，用于电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析及优化，是一款理想的系统级仿真软件。利用Simplorer丰富的模块功能，可以实现更复杂的控制电路，电磁轨道炮的动态特性也能计算，真正实现电磁场、电路、动力学联合仿真。

2.2 空载特性仿真

对CPA空载特性进行初步分析，设置转速为18 000r/min，励磁电流为7.5kA，气隙磁密分布和电枢开路电压分别如图4，5所示。根据仿真结果，气隙磁感应强度能够达到2.5T，两相感应电压能够达到2kV。

图4 电机气隙磁密分布Fig.4 Magnetic flux density of air gap

图5 电枢感应电压Fig.5 Open-circuit voltage of armature windings

2.3 自励磁过程仿真

空心电机中没有导磁材料，对励磁磁场强度要求很高。采用大功率外部励磁显然不符合脉冲电源小型化要求，一般采用自励磁方式达到符合要求的磁场强度。其原理为：使用电容器为励磁绕组充电，使其获得一个较小的种子电流，同时电枢绕组获得感应电压。随后将电枢绕组经整流后向励磁绕组放电，励磁电流增大，励磁磁场随之增强，电枢绕组获得更高的感应电压后向励磁绕组供电。如此，构成一个正反馈过程，励磁电流将以指数形式增值，转子转速降低，机械能转换为磁场能。当励磁磁场达到要求后，放电主开关打开，补偿脉冲电机向负载放电。

使用4 000V/250μF的电容器作为起励电容，转子初始转速为20 000r/min，自励磁过程电流及转子转速变化如图6,7所示。在8.66ms时，励磁电流达到9kA，转速降为18 440r/min。

图6 自励磁过程电流变化曲线Fig.6 Current during self-excitation process

图7 自励磁过程转速变化Fig.7 Rotor speed change during self-excitation process

2.4 放电过程仿真

以电磁轨道炮作为负载，设弹丸质量为m=5g，电磁炮导轨电感梯度为L′=1μH/m，电阻梯度为R′=0.005mΩ/m，则在CPA驱动弹丸过程中，电磁推力：F=1/2L′i2；弹丸加速度a=F/m；速度v=∫0ta(t)dt；位移x= ∫0tv(t)dt。设初始励磁电流为9kA，转子转速为18 400r/min，放电结果如图8，9所示。峰值电流能够达到180kA，弹丸被加速到1.98km/s。

图8 两相并联放电电流Fig.8 Parallel discharge waveform

图9 放电过程弹丸速度变化曲线Fig.9 Projectile speed change during the discharge process

3 结论

本文介绍了一种基于磁悬浮飞轮储能的脉冲电源系统。将磁轴承技术与CPA技术结合，能够充分发挥两者优点，为脉冲电源的设计提供了新的思路。

[1]张新宾,储江伟，李洪亮,等.飞轮储能系统关键技术及其研究现状[J].储能科学与技术,2015,4(1):55-60.

[2]查生凯.磁悬浮储能飞轮结构设计及动力学研究[D].合肥工业大学,2015.

[3]陈亚爱,甘时霖,周京华,等.飞轮储能技术[J].电源技术,2016,40(8):1718-1721.

[4]M.L.Spann,S.B.Pratap,M.D.Werst,A.W.Walls and W.G.Fulcher,Compulsator Research at the University of Texas at Austin-an Overview[J].IEEE Transactions on Magnetics,vol.25,no.1,pp.529-537,Jan 1989.

[5]Kitzmiller J R,Faidley R W,Fuller R L,et al.Final Design of an Air Core,Compulsator Driven,60 Caliber Railgun System[J].IEEE Transactions on Magnetics,1995,27(1):50-55.

[6]汤平华.磁悬浮飞轮储能电机及其驱动系统控制研究[D].哈尔滨工业大学,2010.

[7]吴绍朋.空芯补偿脉冲发电机的设计方法与关键技术研究[D].哈尔滨工业大学,2011.

[8]Pratap S B,Spann M L,Walls W A,et al.Air-core Compensated Pulsed Alternators[C].Pulsed Power Conference.Monterey,1989.

[9]Kitzmiller J R,Cook K G,Hahne J J,et al.Predicted Versus Actual Performance of the Model Scale Compulsator System[J].IEEE Transactions on Magnetics,2001,37(1):362-366.

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

国家自然科学基金（61603405）

2017-07-05 湖南 长沙 410073