鉅大LARGE | 點擊量：722次 | 2022年11月18日
電磁軸承技術和飛輪儲能技術有什么進步
清華大學教授趙雷：電磁軸承有些特殊性，也是一個新軸承，可能最近幾年由于技術的進步，越來越得到儲能飛輪的青睞，但是也存在一些新問題，所以我今天重點跟大家探討一些問題和一些思考，主要這么幾方面內容：
軸承基本特點，儲能飛輪應用研究，包括一些情況，包括后面還有一些重要議題和一些思考。
首先實際上利用次晨作為一個支撐是一百多年前就有這樣一個夢想，借助自然界的磁現象人類探索成果的積累，可以主動控制磁場從而有效的加以利用。如果按照懸浮的方式分類有這么三種：電磁軸承這是利用主動磁場，還有一種永磁軸承，這個可能很早，甚至我們童年都有過這樣的接觸，就是我們玩過的磁鐵，中國是稀土大國，永磁得到了長足的進步。另外一個就是超導磁軸承也是磁懸浮的一種，中間三頁不是空白，實際上是一個混合軸承，尤其在儲能飛輪領域可能得到更多的關注。
電磁軸承簡單介紹一下，它實際上是利用電磁引力來實現一個被支撐體的懸浮，首先軟磁材料這是轉子部分，把信號反饋給信號處理系統以及功率系統，來實現這個方向的懸浮，如果要實現一個完整懸浮還需要另一個方向。做成實物就是這個樣子，這是一個鏡像軸承，這也是一個鏡像軸承，也有指推軸承或者軸向軸承。永磁軸承就不說了，我們常見，超導軸承也是一種，實際上超導體一旦形成，在低溫形成超導態實際上有兩種最基本特征：一是電阻為零，二是完全的抗磁性，它的主要特點就是說在常規下磁場是可以穿過的，但一旦形成超導態，它會把磁場擠出來，這樣在它的內部和邊界形成一種場的梯度，這樣就會形成一個很大的作用力，在超導里面叫做定軋力（音），這個物體就會被定在這兒，如果將來的高溫超導或者常溫超導一旦實現，我們的支撐問題可能就會得到一個長足的進步，你想它的結構就變得很簡單了，而且不需要更復雜的控制系統，這是超導懸浮。渦輪機械電磁軸承領域應用的更多一些，工業領域，在咱們飛輪里面也許會得到一個比較重要的關注。
剛才是講軸承，如果一個完整的轉子要想實現磁懸浮的支撐，顯然選擇一個鋼體，六個自由度，其中旋轉需要其他方面來控制，其他五個方面完全需要電磁支撐來部分。中間是電機就是高速電機，如果是渦輪就是渦輪機械，如果是飛輪就是飛輪，這樣一個完整的轉子就實現了一個懸浮功能。主要特點和常規軸承不一樣：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第一，由于它徹底消除了機械接觸，所以應該叫無摩擦、無磨損，徹底的無磨損，因為沒有機械接觸，微摩擦什么意思？實際上是一個學術名詞，它不是物理的摩擦，實際上是場和渦流合或者是電流輪支力的摩擦，這需要飛輪儲能關注的。比如高速運行轉子可以突破支撐的瓶頸，低損耗，另外一個是由于沒有磨損，它的長壽命。還有一個很重要的特點，沒有了支撐的介質需要，無需潤滑也不需要密封，因而就可以在任意介質中工作，如果真空也算是介質的話可以真空運行，所以更重要的特點也許是儲能飛輪青睞的解決方案，它應該不是唯一但是是一個很重要的解決方案之一。
另外一個電磁軸承它的控制是人為設計的，因而人工智能就有機會加入到它的系統里面去，我們就有這樣的接口。比如說現在已經實現的過臨界隔振減振，包括步頻控制都應該是電磁軸承的很重要的特點。
剛才是優點，實際上它還有一些局限性：一是會飽和，因而電磁軸承的過載能力比較弱，一旦出現了飽和沒有過載能力，但是如果載荷設計的準確，電磁軸承完全可以滿足應用。二是受驅動功率限制，如果頻率太快，驅動功率不夠可能響應不過來，這是需要設計問題。三是懸浮的代價，金屬嫌它慢，想把它扶起來，扶起來就有掉下來的可能，這樣需要一個專設的防護措施，但是其實這種問題到目前為止在天然機壓縮機行業，在歐美有這樣的機組已經連續運行了20多年了，沒有出現過跌落事件，實際上這只是個概率事件而已，如果這個專設的防護措施我們容易去修或者是替換或者是維護，它也不是很重要的一個問題。四是電磁軸承在很多方面還缺乏一些工作，下面細說。
如果把電磁軸承或者混合軸承也好，選做儲能飛輪的解決方案，實際上我們要面臨很多挑戰。有技術問題，實際上更深層次的問題是基礎理論，咱們細說一點。如果選用電磁軸承去支撐一個飛輪，我接到這個任務的時候就會覺得有點懵，高速電機、壓縮機也好，無論功率大小，轉子的大概結構基本一致，比如通常是細長形的。當我調研飛輪就發現很少見到兩個一樣的飛輪，或者兩家公司選擇一種結構，到目前為止好像還沒有統一的形狀，這樣這個結構形式的多樣化，就使得軸承的設計也存在適應性問題。另外由于磁軸承能在真空中運行，不需要各種密封問題，但是帶來的問題就是真空密閉環境下的運行沒有傳熱，只有固體傳熱和輻射傳熱，尤其大功率帶來一些損耗發熱和輪渡控制的問題，比如如果在大型壓縮機里面，電磁軸承的功率損耗幾十千瓦甚至上百千瓦人家不在意，但是在飛輪里面好像這是個很大的問題，阻力距問題，剛才說了盡管沒有機械接觸，但是沒有徹底接觸這個阻力，需要我們下工夫怎么來降低它的阻力距。高轉速脫落效應，旋轉機械必然存在脫落效應，但是飛輪特別強，需要控制。另外實際上由于儲存了大量的能量，剛才有的專家也提到，安全性與可靠性防護的問題，不能出現災難性事故。
應用現狀實際上我簡單調研一下，當然不再細說了，后面如果感興趣可以由個附錄。航天飛輪，小型儲能支撐、大型儲能飛輪支撐，移動基礎飛輪支撐，小型磁懸浮飛輪，大型磁懸浮飛輪，另外實際上飛輪是一個老化體，拖拉機最早具有飛輪，但是現在飛輪包括飛輪電池，實際上是由于各種電力控制技術，磁軸承技術的發展，現在飛輪又回來了，有的提出叫飛輪電池。有可能就會存在大功率，比如兆瓦級的高速充放電過程中，這個過渡過程有可能會影響轉子的穩定性。如果從電磁軸承的角度來看，在大型渦輪機械我們比它還落后一點點，因為他有將近三十年的運行歷史，取得突破的效果。
后面重點給大家探討一下，拋磚引玉，如果選用電磁軸承或者是混合磁軸承給磁軸承作為一個支撐解決方案它有什么樣的技術要求？比如高真空環境下支撐部件包括轉子的溫度控制，我們知道常規電機有十幾種，二十幾種的工作機制，磁懸浮飛輪實際上也是一個高速電機，原來跟大家包括評審項目也講過，儲能飛輪可以沒有磁軸承，但是不能沒有電機，這樣的話同樣在真空環境下如果是大功率，99%的效率，那1%如果是大功率，它的損耗也不得了，在真空環境下怎么樣溫控，包括支撐。支撐功率也要極小化，包括剛才提到的阻力距，實際上它的阻力距最基本的來源是弱輪之力，也就是說我們現在還沒有研制出來只導磁不導電的技術材料，這樣在旋轉過程中必然切割磁力線，就會形成渦流，反過來磁場就有情況，如果結構設計不合理就會形成阻力距，在飛輪里面尤其需要得到關注。嚴格來講我感覺就是這樣了，既要馬兒跑得好，又要馬兒不吃草，電磁軸承又要支撐飛輪穩定運行，又要少的能量供應，要求不一樣。
由于陀螺效應比較強，實際上就是模態分杈，在轉子動力學里面很早就開始分杈，如果超出控制帶寬就會導致它的穩定性。另外還有一個問題，前面提到了功率還要小，實際上如果我想提高我的控制能力必然需要能量，有效功耗又限制了我的能量，如何去控制它的模態的穩定性，轉子的穩定性。另外電磁軸承是由原軸承，不僅對轉子動力學特性敏感，實際上對支撐的殼體的結構動力學也非常敏感。我們以前也發現包括在其他旋轉機械里面換了一個基礎，或者基礎的緊固特性不一樣的時候有可能也會導致轉子失穩，如果作為移動基礎的飛輪，比如車載飛輪選用磁懸浮，就可能會遇到一個支撐結構的問題，這是從技術要求問題。
另外一個就是一個共性問題，實際上電磁軸承是一個新興支撐，如果一個機組選用電磁軸承，不僅僅是一個替代問題，就有可能是個改型，這樣的話部件與總體就有很復雜的一個技術問題、理論問題，可能又包括政治問題和人事問題。結構多樣化實際上目前還沒有一個統一的設計方法，還有一個都希望結構緊湊，體積小，因為我們在不停地提高儲能密度。所有的電力設備都希望小型化，在這里面可能會有電磁兼容性問題。
另外一個很重要的一個問題，就是說一個系統做好了以后，如何去評估它？它是否可以交付，交給用戶使用？如何去驗收？在旋轉機械里面實際上也是正在發展的一個過程，但是可能在儲能飛輪領域還是一個新話題。
可借鑒的東西，有關電磁軸承，ISO部門已經頒布了四個主要標準，但只是推薦的。從基本的名詞到一些基本的要求。比較典型的應用性的標準就是API617，是美國石化行業的，他的第七版作為一個附件4F，把電磁軸承列到里面了，但是這只是一個信息性的，也只有幾頁，你只是考慮一下就可以了。第八版是這個，附件E，2014年頒布的，就變成了規范，如果供需雙方商定采用這個規范，那么就要執行了。但是仔細研讀以后發現里面至少有十幾處是如果指定需要供需雙方去商定一個結果，實際上也是一個正在發展的規范，但是它有些內容還是比較完整的。對于儲能飛輪，尤其大功率儲能飛輪，因為這些規范明確講了只適用于功率大于16千瓦的旋轉機械，如果大功率飛輪實際上是有一定的借鑒意義。
另外剛才也有人提到復合材料飛輪也是風生水起，得到了更多的關注，但是復合材料我第一次見到它的時候，如果給它設計一個支撐，我就會發現它變得更復雜了。第一個它的結構形式大部分基本就是圓筒的，不會出現金屬材料各種形狀，這樣的話結構中存在一些輪轂，換句話說有薄壁結構，它的撓性就變得很大，在這里頭它的動力學特性就變得很復雜了。包括扭轉動力學，尤其大飛輪，當你強力充電和強力放電的時候，如果輪體體積過大，輪轂又比較薄的時候，在這個過程中由于力矩非常大，一定會發生扭轉特性。這是一個我們做得實驗例子，發現在這種模態下飛輪輪體并沒有動，由于薄翹的特性，支撐開始發生偏轉，因為輪體并沒有動，但是這個時候的軸向，所謂的疊狀振動也出來了，這是復合材料。另外一個高非線性，復合材料形成固體以后，它很多特征可以用固體力學來描述，但是不一樣，導熱差。還有一個它的模量小，實際上它的變形也比較大，換句話說如果飛輪體積足夠大，轉速足夠高，轉起來以后它的膨脹量非常大，軸向會縮短，這樣它的慣量比就變化，導致動力學特性就變化，實際上復合材料飛輪有它的難度，要比儲能飛輪大得多。
有技術問題，有基礎理論問題，比如如果我們借鑒傳統旋轉機械，如何評價這樣一個系統可以交付？如果選用了電磁軸承，現有的評價內容和手段是否可以采用？穩定性、電磁軸承轉子包括混合磁懸浮軸承，它的穩定性有和傳統的通用軸承、滾動軸承等等是有很大區別的。還有比如是基礎理論問題還是技術問題，比如有時候轉速就上不去，會遇到各種各樣的問題，換個平臺轉子會有問題。保護軸承，有沒有邊界，磁懸浮有間隙，跟通用軸承比，我們的加工進度是否適當放寬，放寬到什么程度，還有反向模態問題。
這些問題深層次的挖一下實際上可能還是應該叫做磁軸承轉子動力學或者陀螺力學，因為我們的陀螺力矩非常強，傳統轉子動力學它的五個主要議題就是比如橫向轉子動力學，機械平衡、穩定性、扭轉動力學、軸向動力學，好像我們飛輪里面都要涉及，但是在這個基礎上可能我們有共性問題也有不一樣的問題，比如建模，飛輪和轉子建模的時候，分析要素的主體一定是一致的，但是動力學模型和軸承因為有很復雜的模型，如何能夠完美的耦合起來，因為我們建模的目標是為了預測，準確的描述它將來會發生什么，如果建模準確，我們就會準確描述，如果建模不準確，那只有參考意義。
還有我們輸入的控制算法，或者叫人工智能在對應的鋼度阻尼特性以及它不是一個常數，是隨頻率而變化的數，但是如何適應飛輪運行的范圍？單機制造和批量制造，控制參數是不是完全一致？也存在一些問題。這樣的話一旦建模完成了以后，我們的分析要素，比如自由轉子、無阻尼臨界轉速、有阻尼不億平衡響應分析，穩定性，這些問題在飛輪里面也躲不開。比如自由轉子，自由轉子就認為只有重力作用，沒有支撐的轉子，它的自然屬性是什么樣的，在產生支撐里面它只是一個洞察，我們為了描述它的自然狀態，但是在磁懸浮飛輪里面由于可能有力自由控制，這個就不再細說了。另外如果轉子發生了跌落，在沒有碰到薄軸承之前它也是自由狀態，它的力學特征什么樣？會不會碰到其它動力，是不是造成損害，也是需要我們描述的。比如這個就是在跌落之前，如果碰到滾動軸承之前，是一個超臨界轉子，它可能的振動狀態會是什么樣，另外一個鋼度曲線怎么來表述。
還有在傳統的比如壓縮機行業，實際上它的工作轉速是有范圍的，比如傳統的50-100%，磁懸浮轉子可以擴展到10-100%甚至105%，這里頭實際上有利益驅動和經濟驅動的，如果一個機組可以從10%-100%，實際上可以省機組了。但是在飛輪里面我們有充放電的深度問題，比如放一半，轉速降一半75%放電深度，如果降1/3，90%，如果里面有模態，因為這個范圍里面太大了，可能就把模態包括進去了，換句話說把某些臨界轉速包括在里面了。穩定性是否能保證？也是我們新的議題。
這個就不再細說了，利用磁軸承來簡化我們的測試。穩定性，大問題，與傳統軸承完全不一樣，理論上磁懸浮轉子如果控制不當可以在任意轉速失穩。我換句話說如果磁懸浮轉子有失溫轉速也許就是我們的控制沒有做好，如何評價？如何去測試？這是ISO標準的建議方法，大家可以看一看，測試方法是帶轉速還是不帶轉速，這是剛才說的，雖然有規范但是并不完整，還需要我們做很多工作補充完善。
動力學的特殊性，基礎問題，彈性基礎對轉子模態的影響，這個提醒大家一定要注意，飛輪的殼體我們都傾向于輕薄設計，但是如果它的動力學特性不太合理的時候，可能會影響轉子的特征，就不再細說了，跌落的也不說了。從支撐的角度來看待飛輪，說了一些問題，算拋磚引玉，希望能為大家提供一個更好的之車作用，共謀發展，謝謝大家！
