储能飞轮中的主动磁轴承技术

张 剀，徐 旸，董金平，张小章



储能飞轮中的主动磁轴承技术

张 剀，徐 旸，董金平，张小章

（清华大学工程物理系，北京 100084）

主动磁轴承作为一种先进的支承技术，在飞轮储能系统中得到了成功应用。本文首先介绍了国内外研究机构在飞轮系统中应用主动磁轴承的情况。之后，分别探讨了主动磁轴承应用于高速飞轮需要解决的各个关键技术问题，展望了它在高速飞轮系统中的应用前景。

飞轮；主动磁轴承；振动控制

高速旋转的飞轮转子，可以储存大的角动量或机械动能，飞轮技术在导航及储能领域，具有重要价值。无论作为导航飞轮还是储能飞轮，提高转子转速对系统性能提升均意义重大。转子要高速稳定运行，高速可靠的轴承是关键的制约因素。

主动磁轴承利用受控电磁力实现定转子的非接触支承，具有转速高、无磨损、不需润滑系统、低工耗、自带在线振动监测功能等优点，尤其适用于高速转子系统[1-3]。对飞轮系统而言，其优势主要为免维护、能耗小、振动噪声水平低。

在飞轮应用中，主动磁轴承免维护的优点相当突出。使用非主动轴承的飞轮系统中，通常选择滚珠轴承，虽然装配简单，初期成本低，但需要额外的润滑系统，润滑介质的存在对真空应用是不利的；另外轴承转速受到较大限制，即便不追求高转速，每隔一定周期还是要进行轴承系统的维护。而使用磁轴承的系统，轴承本身的机械部分是无需维护的；仅需要对电子部件（主要是电容）进行7～8年为周期的更换，对利用变频器等单元的系统而言，这属于标准化的维护工作；通过很少的维护，磁轴承飞轮的寿命可超过20年；基于此，长期运行时，磁轴承的后期成本优势就凸显出来了。

主动磁轴承在能耗上也很有竞争力，同等功率等级的转子系统中，磁轴承能耗比油膜轴承等传统轴承低一个量级以上[4]。依托不平衡控制等振动主动控制技术，主动磁轴承飞轮可以达到极低的振动噪声水平，如典型飞轮模块本身的噪声水平可低于45分贝，即便使用冷却风扇，风扇工作时的噪声也可以控制在68分贝左右。

主动磁轴承在飞轮应用中有其重要地位，也存在需要解决的众多技术问题。本文中，基于对过往飞轮系统中应用主动磁轴承情况的调研成果，首先介绍了国内外主动磁轴承飞轮系统的发展情况，然后分析了主动磁轴承应用于高速飞轮时需要面对的关键技术问题，最后展望了主动磁轴承在飞轮中的应用前景。

1 国内外发展情况

主动磁轴承在20世纪70年代便开始在航天飞轮领域得到应用，到20世纪90年代，美国、法国、德国与日本等国家相继加大了相关投入，开展了多个高速磁轴承飞轮研究计划，主要关注诸如动量轮、反作用轮、储能飞轮的应用研究，取得了一系列领先的成果。主要研究机构（不包括商业公司）及其项目主要应用领域如表1所示。

表1 主动磁轴承飞轮主要研究机构

其中，美国参与研究的相关机构达十多家，飞轮技术发展最为全面深入。美国宇航局（NASA）甚至研究将飞轮储能与姿态控制功能进行集成，将来应用到国际空间站[28]。代表性工作便是格伦研究中心（GRC）开展的世纪飞轮项目（“Century” Flywheel Development），该机构开展了系统深入的研究，研制出了实际转速超过40000 r/min的低功耗G2磁轴承姿控/储能飞轮[29]。该飞轮采用了一系列先进磁轴承技术，磁轴承结构形式为轴向-径向一体化的五自由度永磁偏置混合磁轴承。在“国际空间站飞轮系统模型工程样机”研究项目中[30]，飞轮样机采用磁轴承技术，在地面试验中转速达到60000 r/min，转子最大线速度达到惊人的880 m/s。美国德州大学、德克萨斯大学、维吉尼亚大学、马里兰大学等[31-33]均开展过相关研究，德州大学、德克萨斯大学[34-35]都曾发布过一系列主动磁轴承飞轮领域世界一流的研究成果。

美国的主动磁轴承储能飞轮产业化也走在世界前列，VYCON公司推出了300 kW主动磁轴承储能飞轮产品，其工作转速达到36000 r/min；AFS Trinity、PowerThru（即原先的Pentadyne）公司均研发了主动磁轴承飞轮UPS系统；Kinetic Traction Systems公司推出过地铁、电网用主动磁轴承储能飞轮。

法国人STUDER[36]早在1972年就开始了主动磁轴承动量轮的研究，ROBINSON[37]也开展了相关工作，并取得突破，直接成果是法国于1986年发射的SPOT地球资源卫星上装载的磁轴承动量轮，该卫星通过磁轴承飞轮进行姿态控制，获得了清晰精确的图像。

德国Teldix公司是世界上最早开发空间飞轮产品的公司之一，该公司声称，其飞轮产品在轨运行时间累积已经超过2900年。该公司很早便已开展主动磁轴承空间飞轮的研究，并成功推出磁悬浮飞轮产品，如MWI系列空间力矩陀螺及反作用飞轮[38]。

日本主动磁轴承飞轮的研究始于20世纪70年代末，代表性工作为其国家宇航实验室组织实施的卫星飞轮研究，所研制磁轴承飞轮于1986年8月，在MABES（Jindai）卫星上进行了搭载实验[39]。日本研究人员也积极将主动磁轴承技术应用于飞轮储能系统，如电动汽车用飞轮、光伏电站储能飞轮[40]；也有研究者尝试将主动磁轴承与被动磁轴承技术结合使用，如日本国际超导中心采用复合轴承方案，在制造超导磁悬浮飞轮时，除超导轴承之外，增设电磁轴承进行振动控制[41-42]，以提高转子运行稳 定性。

国内主动磁轴承飞轮的研究直到2000年左右才真正起步，但进展迅速。清华大学、北京航空航天大学、国防科技大学、浙江大学、华中科技大学、武汉理工大学和东南大学等高校及研究机构，先后开始研究主动磁轴承飞轮系统[43-50]。

清华大学联合北京航空航天大学率先开展了主动磁轴承在航天飞轮上的应用研究，2002年起发表了一系列相关文章，解决了强陀螺效应转子的磁轴承控制稳定性问题[51-52]。清华大学于2005年成功将飞轮磁轴承技术应用于200 W/200 W·h储能飞轮系统，实现了碳纤维复合材料转子28500 r/min的平稳运行[53]。

北京航空航天大学后续主要开展了磁悬浮惯性动量轮、磁悬浮控制力矩陀螺相关研究工作，取得了一系列成果。针对航天飞轮的特殊应用场合，深入研究了飞轮转子章动、进动的抑制方法[54-55]。另外，其在低功耗混合磁悬浮轴承研制上的工作，对降低储能飞轮磁轴承能耗具有现实意义[56-57]。

国防科技大学重点研究了一种永磁轴承与电磁轴承混用支承转子的航天飞轮系统, 由永磁铁实现转子某几个自由度的被动稳定，期望通过电磁悬浮与永磁悬浮结合，提高飞轮可靠性，简化结构，减轻重量及系统功耗，以适用于空间环境[58]。在基于FPGA的磁轴承飞轮数控平台上，国防科技大学也开展了系列研究工作[59]。

浙江大学[60]研究通过实时变步长迭代不平衡补偿方法降低飞轮转子同频振幅，其飞轮转子运行到8000 r/min。华中科技大学[61]将轴向永磁轴承被动悬浮与径向电磁轴承支承相结合，用于飞轮电池转子。武汉理工大学[62]开展了复合材料转子磁轴承储能飞轮的研制工作。东南大学[63]2015年研制了储能量为4.8 MJ的飞轮储能样机，最大转速达到19000 r/min。

总的说来，国内外研究人员主要期望通过利用主动磁轴承的优势，提升飞轮转子的稳定运行转速，进而提升储能飞轮系统的性能。

2 飞轮中使用主动磁轴承的关键技术问题

将主动磁轴承应用于飞轮系统，可以很好地解决机械轴承不易实现的高转速、低摩擦损耗等问题，但也会带来一系列新的挑战，需要解决的关键技术问题包括：结构优化设计、动力学控制、不平衡控制、材料与工艺、能耗与发热、跌落保护及恢复等问题。

2.1 主动磁轴承相关的结构优化问题

飞轮的结构设计需要考虑强度、转动惯量、散热、动力学等方面的优化目标。对于主动磁轴承而言，需要配合各个优化目标，进行设计上的折中。

主动磁轴承的设计通常采用内转子结构，这对转子加工和装配有利，但这种设计难以满足大转动惯量的优化目标。如果转子设计需要在重量一定的前提下，尽量增加转动惯量，主动磁轴承往往被设计成外转子结构形式，使其导磁转子的质量尽可能分布在大的径向位置。

飞轮转子期望在强度约束范围内，尽量设计得“短粗”，以使转子刚性能得到保障，避免转子超临界转速运行，这对提高转子的动力学稳定性有好处。为了尽量“短粗”，可以考虑采用集成化的设计，即将径向与轴向主动磁轴承进行融合[64]，或者采用锥形轴承，通过控制算法进行径轴向动力学控制解 耦[65]；甚至可以考虑直接将一套径向磁轴承与电机结合，通过无轴承电机技术同时实现电机驱动及主动磁悬浮控制[66]。

当转子设计的约束条件导致设计刚性转子过于困难，飞轮转子不得不工作在弯曲临界转速之上时，需要对转子模态进行设计优化，如进行主动磁轴承的轴向位置安排时，需要充分考虑转子挠性振型的能控能观性[67]。

另外，结构模态振型在设计中也需要考虑，不当的设计会使结构振动对转子动力学稳定性产生大的影响，增加主动磁轴承控制器的设计难度[68]。

2.2 动力学控制问题

主动磁轴承的核心在于控制器，当系统结构确定，控制器的性能直接决定了系统性能。因此，控制器设计其实不能在系统设计完毕再行考虑，其性能的需求应在设计前期就体现在结构设计考量中，尤其在转子结构的动力学优化过程中。

当系统设计出来，飞轮的磁轴承控制器需要面对复杂的动力学行为进行控制。尤其突出的是要解决强陀螺效应下转子的动力学稳定性问题。对于短粗的飞轮转子，惯量比会明显大于其它类型转子，导致其陀螺效应明显，转子升速过程中，其陀螺效应会增强前向涡动模态的刚性，削弱后向涡动模态的刚性，这个效应与转速成正比，导致转子模态频率分叉现象严重，直接带来了高低转速下转子动力学模型的显著差异[69]。如果磁轴承控制器设计时，不考虑陀螺效应对稳定性的负面影响，飞轮转子在升速过程中很容易出现转子进动和章动失稳。国内，清华大学[52]、北京航空航天大学[55]对这个问题都开展了系统的研究，采用交叉反馈的控制技术解决了陀螺转子的磁轴承稳定控制难题。

虽然通常的飞轮轴系多设计成不需要过弯曲临界运转的刚性转子，但挠性飞轮转子系统的设计也是存在的，比如美国Virginia大学[70]就曾经研究过长飞轮转子。当然，文献[70]中的转子系统有很浓厚的实验研究装置性质，转子陀螺效应不明显，与典型飞轮转子系统相去较远。但是，以下几种情况会带来飞轮转子挠性振动问题：当飞轮转速不断升高，转子工作转速与挠性临界转速接近时，挠性振动不能被忽视；当储能飞轮为提高单机储能量，又受材料强度限制无法增加转子半径，不得不把转子加长时，转子挠性特征将变得明显；当转子系统设计引入弹性连接部件时，会产生出一种动力学情况最为复杂的转子类型，即挠性陀螺转子，其挠性临界往往低于转子工作转速。

带有挠性振动特征的转子在采用主动磁轴承支承时，其控制器设计需同时考虑陀螺效应与挠性共振的影响，控制器设计难度非常大。清华大学[23]曾经研制了一种复合材料飞轮转子，其复合材料轮体与转子芯轴通过铝合金薄轮毂连接，轮毂连接刚性较低，轮体惯量比很大，于是此转子同时具备陀螺转子与挠性转子的特征，设计控制器时不得不同时考虑两者的影响。

定子结构也会对飞轮稳定性产生影响，如瑞士研究者[20]曾经在焊接机用储能飞轮的磁轴承控制器设计中，讨论过结构模态对动力学稳定的影响；国内，清华大学[71]在动量轮系统主动磁轴承控制器设计中，也遇到了结构模态振动的抑制问题。结构模态问题最佳解决途径是通过结构优化设计，使结构模态与转子振动耦合尽量小，或者使影响大的结构模态的特征频率居于主动磁轴承易于提供阻尼的中低频段。针对结构模态振动进行的优化很重要，因为其振动抑制与挠性模态振动的抑制具有很大的共通性，非常不利于转子的稳定运行。

主动磁轴承控制器通常通过线性理论进行设计，线性控制理论要求被控对象可通过线性模型，即线性定常的微分方程组描述。但实际的磁轴承模型从根本上是非线性的，主要表现在电磁力与线圈电流的平方成正比，与定转子间隙的平方成反比。为了获得精度可用的局部线性近似模型，要求磁铁线圈中有适当的偏置电流，相同自由度上的电磁铁差动工作，控制电流相对偏置电流为小量，并且转子在平衡位置上仅有小幅度的位移波动[1]。

应用于飞轮系统时，电磁轴承往往脱不开非线性的影响，为了降低静态损耗，电磁轴承偏置电流要求尽量低，甚至使用零偏置电流[72]，这时执行器模型非线性严重；引入永磁铁提供偏置磁通替代偏置电流，构成电磁永磁混合轴承是一个解决方案，但加入永磁体使结构复杂，而且永磁体热稳定性差，限制了定子使用温度；而且，这依旧没有解决大位移波动时候的稳定问题。针对这样的情况，非线性控制将起到较好的作用，许多研究者尝试过反馈线性化、变增益控制等手段[73]，取得了不错的效果，这个研究方向对一些极端条件下的磁轴承控制具有特殊意义。

2.3 不平衡主动控制

飞轮转子制作时，由于材料不均匀、加工精度限制，转子上存在不平衡质量，转子高速旋转时，与转速平方成正比的离心载荷会威胁转子运行稳定性，并带来大的同频振动。通过动平衡可以大幅降低飞轮转子的残余不平衡量，但需要在转子上实施高速精密本机动平衡。此外还需要考虑温度改变、高速下转子材料蠕变等因素的影响，残余不平衡量在运行过程中会随时间变化。

当飞轮转子通过主动磁轴承进行支承时，磁轴承具备不平衡响应在线控制能力，即不平衡主动控制。通过轴承自身的实时位移检测系统，对转子施加同频控制量，通过在控制器中增加不平衡控制算法，让飞轮转子绕其惯性主轴旋转，从而可实现大幅降低转子传递给壳体结构的同频激振力[74]。

另外，磁轴承转子位移传感器测量面也会存在加工精度与材料不均匀，造成传感器检测信号中存在多谐波同步成分（sensor runout），这些同步成分通过传感器进入主动磁轴承控制回路中，最终会在电磁力中引入相应的电磁力，导致壳体上出现多谐波同步振动分量。为了抑制这个效应，需要在控制器中增加多谐波控制成分的同步控制算法。这种同步算法与不平衡控制算法类似，通过在磁轴承控制器输入中，添加与转速频率成倍数关系，具有特定幅度与相位的正弦控制信号，削减多谐波成分的 影响[75]。

不平衡主动控制算法在主动磁轴承转子系统中有大量的研究，但应用于飞轮时，还是有其特殊性，主要问题在于不平衡控制算法设计与系统模型有关系，而飞轮转子运行过程中，陀螺效应对转子模型影响显著，不平衡控制参数需要因其变化进行在线调整，方能确保大转速范围的稳定[76]。

2.4 材料与工艺

对于飞轮用主动磁轴承而言，磁性材料对其性能具有重要影响，需要使用高饱和磁密材料提升比承载能力（单位体积或重量磁铁所能提供的承载力），以减小磁轴承所占用的空间或重量。对电磁铁而言，普通硅钢片饱和磁密通常不超过1.6特斯拉，而非晶合金可超过2特斯拉，就导磁特性而言，是更好的选择。

另外，飞轮转子运行于高速下，需要保证上边的磁轴承转子满足强度条件限制，避免高速下离心载荷导致材料强度失效；而且，磁轴承转子高速旋转时，外部磁场的交替变化会引入磁滞与涡流损耗，又以涡流损耗为甚；因此，磁轴承转子材料选择需同时兼顾强度、涡流损耗的需求。满足强度需求后，就降低涡流损耗而言，应采用更薄的叠片，并提高材料的电阻率。最后，即便材料特性优良，转子表面的加工质量也会严重影响材料的真实表现，机械加工时，一定要尽量降低表面加工过程中的叠片间材料粘连。

总的说来，要进一步提升磁轴承比承载力、降低高速下的铁损耗，有赖于导磁材料及加工工艺的进步。

2.5 真空环境运行的特殊要求

磁轴承由于不需要润滑，没有机械磨损，本身很适合真空环境应用，尤其是超洁净的真空环境，如半导体、制药等工业部门。

但磁轴承的保护轴承也需要在真空环境下工作。滚珠轴承作为最常见的保护轴承，也是磁轴承飞轮保护轴承的首选。当飞轮转子系统出现故障，或者外扰导致转子高速冲击保护轴承，要保障转子系统安全，保护轴承要有良好的高速性能，耐受高转速大载荷条件下的转子碰摩。无油保护轴承设计有利于保障真空性能，但对保护轴承设计提出了更高要求。无油保护轴承需要有一定的自润滑能力，以尽量减小其滚珠在高速下所受摩擦阻力，减小轴承磨损。对储能飞轮应用而言，真空要求没有那么苛刻，可以考虑在滚珠轴承中加入真空润滑脂，从而降低对保护轴承本身的性能要求。

另外，真空环境下，轴承线圈通过高电压时容易发生稀薄气体真空放电。为了降低真空放电的危险，需要在工艺上保障线圈的绝缘性能，同时，在设计磁轴承功率放大器时，减小其母线电压。为保证母线电压降低后，电磁铁响应速度不受大的影响，还需在电磁铁设计时适当降低线圈电感。

当然，真空环境下磁悬浮转子散热问题是磁轴承飞轮系统需要解决的一个难题，留待下边“能耗与发热”部分进行论述。

2.6 能耗与发热

能耗上，主要考虑降低飞轮磁轴承的待机损耗，这个问题往往又与转子发热问题紧密关联，发热的降低伴随着能耗的降低。因此在此主要论述发热相关问题。

飞轮中使用磁轴承，转子实现了完全非接触的悬浮，并且为降低风损，飞轮腔室抽真空。在真空环境中转子缺乏对流换热途径，转子与定子结构又没有别的热传导通道，则转子完全依赖于热辐射来进行散热，热管理成为飞轮稳定运行的关键技术。

发热问题的解决主要有如下途径。① 提高可容忍的转子热平衡温度——这就磁轴承转子本身而言，是有潜力的，高温磁轴承应用中，转子温度可高达500 ℃；高温下，磁轴承定转子铁磁材料、定子绕线工艺等的特殊要求也可以得到满足。但转子上的其它部件不允许飞轮转子高速运行时温度过高，如电机磁性材料居里温度、飞轮转子高温下的强度降低等因素的限制。②降低磁轴承热损耗——对磁轴承而言，可以通过使用更薄的定转子叠片或者电阻率更高的导磁材料，降低定转子涡流损耗。另外，在轴承结构上，可以采用同级磁铁构型，减小转子表面扫掠过定子表面时，转子上所感应到的轴承磁场交变幅度，从而明显降低转子高速下的磁滞与涡流损耗[77]。同级磁铁还可以结合永磁偏置，构成永磁偏置主动磁轴承。此时，磁轴承定子偏置电流可减小到接近0，通过永磁铁提供偏置磁场，有利于降低定子铜损，既减小了定子能耗，又降低了定子组件平衡温度，也有利于转子散热。转子运行过程中的振动水平，尤其不平衡振动等同步谐波响应，也与损耗相关[78]。最后，使用低电流纹波的三态甚或多态开关电流功放，相对两态开关功放，可以明显减少高频电流噪声导致的磁滞及涡流损耗。③增强转子散热能力——要增加转子散热能力，主要有3个途径：降低定子部件温度、增加散热面积、增加定转子黑度，根本目标就是提高辐射散热能力。飞轮系统中，定子冷却可以采用液冷，并通过增大冷却液的流量增加散热量，从而增加定转子温度梯度。散热面积增加可以通过定转子结构设计优化，或采用外转子结构设计，增大定转子间的有效辐射换热面积。定转子黑度可以利用阳极氧化等表面处理技术提高，或者借助特殊的表面涂层技术[79]。

2.7 跌落保护及恢复

主动磁轴承飞轮系统中，保护轴承是一个关键部件，除了磁轴承不工作时提供辅助支承之外，它的主要作用是当转子振动过大时，或磁轴承失效时，有效约束转子振动位移，保障系统故障状态下能安全降速停车。

广泛使用的保护轴承主要包括衬套轴承与滚珠轴承。衬套轴承结构简单、价格不贵、容易修理更换，但跌落过程中其摩擦特性随磨损改变，摩擦力增加对转子稳定不利，有限几次高速跌落后需及时更换。滚珠轴承在机械上更复杂，且对冲击更敏感，但滚珠轴承在转子跌落后，其内圈会迅速加速达到转子的转动速度，从而稳定转子的运动，显著降低其出现破坏性涡动的概率[2]。

转子在高转速下与保护轴承发生碰撞，会是一个复杂的动力学过程，且伴随着强烈的非线性特征，并会诱发反向涡动、同步涡动（前向）、亚同步涡动或者无序运动。这些运动一旦形成，尤其当其进入涡动形式运动后，转子将在保护轴承上剧烈振荡。跌落发生后的转子涡动频率与定转子系统的结构参数有关，如果满足涡动产生的条件，涡动甚至在几十毫秒内就会形成，然后其涡动频率会趋近结构的特征频率。整个涡动过程会产生巨大的冲击力及热量，任其发展，保护轴承将很快失效[2]。

转子跌落保护是关系磁轴承飞轮运行可靠性的一项重要技术，关键在于阻止破坏性涡动的生成。对飞轮应用而言，滚珠轴承需要尽量选用无保持架的满装轴承，采用具有自润滑能力的陶瓷球，并尽量降低轴承内圈表面与转子接触时的摩擦系数。另外，可以在轴承外圈与壳体的安装连接部位开展工作，增加转子碰撞保护轴承时，定子结构对碰撞能量的吸收能力，如在保护轴承外圈上加阻尼橡胶垫或者波纹带进行减振。

转子碰撞保护轴承时，如果主动磁轴承功能完好，可以设计特殊的控制算法，让它作为阻尼器工作，帮助减小转子碰撞的强度，甚至帮助转子恢复悬浮。这是磁轴承领域研究的一个前沿课题[80-85]。

2.8 运行的可靠性保障

储能飞轮的长时间、高频次充放电运行的工况，对轴承系统运行可靠性提出了非常高的要求。磁轴承包含了机械结构和电控两大部分，是典型的机电一体化系统，其失效模式的研究以及如何提高磁轴承的可靠性，也是近些年来磁轴承研究中的一个重要方向。其中包括结构的可靠性研究，主要集中在强度、疲劳、加工制造、跌落及保护轴承、多磁极冗余设计等方面；还包括电控部分的可靠性研究，集中在电磁兼容、控制器传感器等零部件可靠性、鲁棒控制、容错控制、软件可靠性及测试等方面；此外，可靠性研究还包括了整体系统的可靠性提升、模块化设计、可靠性管理等。由于磁轴承支承的储能飞轮产品还未具备足够的规模，因此可靠性的研究还主要是在比较通用的层面开展，而针对储能飞轮特定的运行环境，仍需加强真空等特定环境电磁兼容性的考虑，以及加强对高频次充放电等特定运行工况下的磁轴承鲁棒性控制的研究。

3 未来的飞轮磁轴承技术发展方向

主动磁轴承技术在储能飞轮中的应用已经显现出了独特的优势，随着材料和制造工艺技术的进步，飞轮储能的成本会越来越低并有可能获得更大范围的推广应用。在大规模长时间高速运行中，未来作为飞轮储能首选的支承单元的主动磁轴承系统，提升其整体的可靠性是该技术发展的主要方向。

从目前的技术情况看，可行的与磁轴承可靠性提升相关工作包括：①电磁铁、传感器探头等部件的冗余设计，在单个线圈或测量探头失效时，仍能有效控制转子[86]；②电控单元集成度提升，减小其体积、器件数量，并与结构本体进行融合；③转子故障在线诊断，通过在线动力学特征识别等手段，实现早期预警，及时进行故障处理[87]；④包括跌落恢复算法在内的，提升可靠的控制算法开发等；⑤采用各项性能都更好的结构材料、电子器件等，提升系统运行和跌落保护时的可靠性裕量；⑥利用先进大数据处理技术，实现实时在线故障预测、诊断以及在线修复等“智能”化机电系统功能。

显然，随着先进材料的不断出现，电子技术的进步，控制理论与智能信息技术的发展，未来的主动磁轴承，将具备更鲁棒的动力学控制性能、更高的智能化水平（故障诊断、控制参数自适应）、更强的抗冲击与抗跌落能力、更低的运行损耗。而在相关技术发展的过程中，主动磁轴承应用成本会显著降低，可靠性大幅提升，对飞轮应用将产生更大的吸引力。

4 结 论

为了更全面地了解储能飞轮中的主动磁轴承技术，本文综述了国内外主动磁轴承在飞轮系统中应用的历史与现状，探讨了主动磁轴承应用于高速飞轮需要解决的若干关键技术问题，在此基础上对主动磁轴承在飞轮中应用的未来主要发展方向进行了预测，主动磁轴承技术将向更廉价、更可靠的方向发展，最终成为储能飞轮支承技术的首选。

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Application of active magnetic bearings in flywheel systems

ZHANG Kai, XU Yang, DONG Jinping, ZHANG Xiaozhang

(Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

With various appealing advantages over traditional bearings, active magnetic bearings are used successfully in flywheel energy storage systems. In this paper, firstly, their application in flywheel systems around the world were introduced. Then, key technology problems needing to be solved in high-speed flywheels with active magnetic bearings were discussed. At last, the application of active magnetic bearings for a high-speed flywheel system in the future was prospected.

flywheel; active magnetic bearing; vibration control

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0014

TH 133.3

A

2095-4239（2018）05-783-11

2018-01-24；

2018-03-09。

国家重点研发计划项目（2018YFB0905500），国家自然科学基金项目（51775292）。

张剀（1977—），男，副研究员，主要研究方向为电磁轴承，高速旋转机械，E-mail：zhangkai@mail.tsinghua.edu.cn；

徐旸，副研究员，主要研究方向为电磁轴承，高速旋转机械，E-mail：xuxu@mail.tsinghua.edu.cn。