通过集成磁轴承辅助有限元分析的一种新型飞轮储能存储系统的设计与建模#中英文翻译#外文翻译匹配

通过集成磁轴承辅助有限元分析的一种新型飞轮储能存储系统的设计与建模 C.张，学生会员， IEEE，吴平，学生会员， IEEE 和 K. J. Tseng，高级会员， IEEE 新加坡共和国 , 新加坡 639798，南阳大道 BLK S2，南洋理工大学，先进电力电子研究中心 摘要 本文提出的是紧凑和高效的飞轮存储系统。该系统是由综合力学性能和磁轴承辅助，飞轮作为转子的驱动系统，并且该系统通过被夹在两个磁盘式定子之间而节省空间。通过主动磁轴承，转子飞轮旋转和保持在垂直方向的磁悬浮机械轴承和轴向磁通永磁同步电动机的助攻结合使用，而限制在径向方向的其他四个自由度的机械。所提出的系统的数学模型被推导出来。三维有限元方法是应用于通过研究和验证数学模型系统分析结果而支持系统可行性。 一 正文 在现代化电力行业，具有强度高，重量轻的先进复合材料，控制技术 和电子电力，飞轮能量存储系统（ FESS）正在成为一个传统的化学电池系统的可行性替代。其优点为储能密度高，充电放电风险较低，放电深度容易检测，能在较宽温度范围内操作，寿命更长，有利于环境。所以 FESS 被认为是对于现在许多应用的一个有前景的技术 ，包括航空航天，交通运输，电力工业，军事，建筑服务。 一般来说，一个飞轮储能系统是由一个磁性的或机械的轴承支撑的由电机带动的飞轮，一个将机械能和电能内部转化系统的飞轮，控制增强电子的器件和触地轴承组成的。这个单独的除磁性轴承驱动电机使转子长，容易产生弯曲振动。且大电机轴承系统使得小型化【 5】 困难。为了克服这 些问题，自轴承永磁电机被引进。电机结合磁轴承和汽车功能为单一的磁性制动器。这样的设计由于不需要机械轴承可以降低整体的一种电机长。因此能够提高功率密度，减轻重量，降低转子的动态振动【 6】的敏感性。 如图 1 所示，沿 x， y， z 在飞轮轴有三个方向，使每一个轴的位移和旋转受机械或磁性的帮助来控制六个自由度。机械轴承具有结构简单，操作方便的优点，但由于摩擦损耗，应考虑润滑油的使用。特别是发生在轴 承，沿重力方向上即图 1沿 z轴方向的摩擦要比其他方向上的摩擦大得多。由于这个原因，轴承使用机械轴承是不现实的，而其他的轴是可以承受的。主动磁轴承相对于传统轴承是可以承受的。主动磁轴承相对于传统轴承有许多优点，这些优点包括更高的能量效率，降低磨损，延长寿命，不需要润滑机械维修和较宽的操作温度。关于磁轴承有许多研究，但大多数人对待至少有五个自由度的对象是控制。由于控制每个自由度需要一个传感器，执行器和控制器，整个系统在机械 /电气部分和控制系统设计变得复杂。鉴于此，本文提出了一个新概念磁性轴承。其中轴只有两个自由度 受主动控制，即分别沿平移和旋转方向。其他方向的运动方向由机械轴承完全限制。主动磁轴承和机械轴承的结合使用可以减少控制的复杂性，使系统运动更加稳定，可行和具有成本效益。 图 1 飞轮的三个运动方向 目前，轴向磁通永磁电机（ AFPM） 在许多应用中 已成为一个有吸引力的研究场【 8】【 9】。它们有几个独特的功能，如效率高，高能，高扭矩密度，低转子损耗和小磁厚度。然而缺点是该分布式绕组具有与线圈导体的有效部分相比的显著长度的端绕组。这显然会导致机器性能差。作为本机显著成分（即总在大多数机器设计的 50%以上）被产生热 量，但没有转矩。集中绕组可以解决这个问题。此外，他们有简单的设计，更容易安排及更高效率。 有限元分析法（ FEM）已被证明是特别灵活，可靠。有效的分析方法是工频电磁场和机电装置的合成。有限元法可以分析任何形状和材料的 PM 电路，有限元分析与其他永磁电机的分析方法相比的一个显著优点是其准确计算电枢反应，电磁力和力矩的固有能力。 本文中，一种集成磁轴承辅助新型飞轮储能系统被介绍。用电动机和发电机相结合并且使飞轮功能作为机器，以节省空间的转子。机械轴承是用来限制沿径向方向得位移和旋转，位移和旋转沿轴向方向由主动磁轴承 控制。利用数学模型所提出的系统的结构和电磁设计被呈现。三维有限元分析的实现，验证了数学模型和支持体系的可行性。本文中介绍的分析结果已经获得。 二 建设与计算所提出的系统 （ 1） 整个系统的配置 图 2所提出的系统的横截面图 图 2示出了所提出的的飞轮储能系统的横截面图。它的组分列于表 I项目 1和 8是固定在该装置的壳体，其目的是从任何转子碎片消散径向动能，并确保在发生机械故障的情况下安全的上部和下部固定件。轴向磁通永磁同步电动机的实施来驱动其也用作转子的飞轮。 机械旋转球轴承安装在转子上，以限制其径向运动和辅助飞轮 /转子的旋转的外缘。 这种安排使结构不使用轴非常紧凑。但是机械轴承的孔的最大直径限制了最大速度。用油膜轴承 DN值（孔直径 mm*转速 rpm）可以达到 3， 000,000【 13】。这意味着最高车速小于 2000转时该孔的直径为 150毫米。在更高的速度飞轮系统上，两个机械轴承可以安装在被固定在所述转子的中间轴的两端。用这种结构，速度可以高达 60000转以上。 轴向运动 可实现对旋转球轴承的轮辋正交安装的 4个 滑动球轴承的援助。 当转子旋转时（图中的项目 2和 102）， 非 接触式涡流位移传感器和光电传感器在两个定子的中空的中心设置 用以 检测 沿 z 轴 的位移和角位置。 起动操作时或在磁悬浮轴承故障的情况下，需要 着陆轴承。着陆轴承应安装 在 对 着 转子的外缘。在正常操作期间，存在所有的转子表面和触下轴承之间的小于 0.5mm 的空气间隙，从而实现了机械接触式的环境。 （ 2） 建议系统的基本特征 图 3显示了所提出的系统的基本特征。电动机及发电机用盘式几何组合成一个单一的电动机，如图 3 所示（ a）所示。转子兼作飞轮和被夹持两个圆盘型定子之间。此设计使盘式转子的转矩产生区。 如图所示在图 3（ b）中，每个上部和下部定子承载的一组三相绕组的铜与正弦电流供给 ;集中绕组被实现，以减少功率损耗。如果分布式绕组，绕组 -末端将跨越转子的半个圆周。线圈导体的有效部分比端部是更长，从而绕组的铜损会更大。在这个特定的设计中，有 6个线圈，其中每个线圈都围绕定子齿。三相和三相电流的方向在特定的实例中的分布，如图 4显示。除了提高效率，结构简单，安装方便定子绕组也可实现这种设计。 永久磁铁被安装在转子的两个表面上，如图 3（ c）所示。这些 PM 的与磁通流过电动机的结构被描绘在图 4中。 预防性维护 都定居在相反的方向上 和 下转子面，所以他们会相互吸引，增加磁路的总光通量。 图 3所提出的飞轮系统的基本组成部分 （ a）定子转子组件 （ b）定子的绕组（ c）转子（ d）非磁性的护环 采用高强度非磁性材料制成的护圈是用来协助 PM在抵抗离心力的作用，如图 3（ d）所示。 图 4电机发展结构和二维通量模式 磁悬浮轴承可以用吸引力来实现。定子和转子场之间的相互作用产生的轴向力，使得在转子和定子相互吸引。每个定子的电流可以独立调节，以控制转子上的净力，并保持它在两个定子的中间。沿着轴向轴的净力可求得 F = F2 F1 (1) 其中， F1 是较低的定子和转子之间的力 ; F2 是 上定子和转子之间的作用力。 电动机 - 发电机相当于两个电动机，总转矩 T可以写为 T = T1 +T2 (2) 其中， T1 和 T2分别由上部和下部分别电机产生的转矩 （ 3） 电机尺寸 轴向磁通电机的尺寸可通过下式被转换到一个等效径向尺寸的机器得到 D=Do+ Di/2 (3) L=Do- Di/2 (4) 其中 DO和 DI是轴向磁通盘式马达， D和 L的外径和内径都内径的径向当量机和长度。当 KR = Do / Di = 3 .最大扭矩产生 从电机的输出方程，我们可以得到 （ 5） 然后，我们就可以得到 其中 C0是输出系数， Q为机器的千伏安的评级， NS是额定转速在 RPS 其中 Bgav代表的平均磁通密度超过气隙的机器，也被称为磁载荷， A为电负荷 ;千瓦是绕组系数 ; PN， N和 cos N分别表示额定功率，效率和功率因数 ; KE是感应电动势和电压之间的比率。在本设计中， KE =0.905。 空气间隙的最小长度是由机械约束集并且不大可能小于 0.3毫米。磁铁 的深度一般应减少到最低值，以尽量减少磁体的成本。制造业的限制，很难有磁铁大于 2.0mm更薄。在此设计中， GL被选择为 0.5mm时，与毫升设定为 2.5毫米。 根据在表 II中示出的设计要求的数据时，电机设计的结果可以得到如在表 III中。这只是一个测试设计验证系统结构的可行性和数学模型的正确性。所以在额定转速时只选择为 1500转每分钟。 三 .数学模型 如图 3所示，在定子的三相绕组分别记为 a， b和 c具有相同的匝数。永久磁铁被安装在所述盘型转子的表面上，一个非凸转子最后获得。只有当励磁绕组被永久磁铁所取代时，电机可以被视为一个常规同步电机， PM电机可以通过假设这里所述转子的永磁体已被替换成等效的转子电流，如果与卷绕数 N F是 容易分析。由定子相绕组与等效转子电流产生，如果可以被认为是第和 r，相同的绕组 14 15的分布的正弦函数的粗略近似的磁动势的波形。其中 s和 r是从一个三相定子绕组轴与旋转直轴，分别测得的角度。假设极对数为 P，其功能如下 其中 N s是相当于匝正弦分布绕组的定子的各相的数量。 对于被描绘为图 3的绕组分布（ b）所示，音调因数 KP= 1，分配系数 KD= COS（ / 6） = 3/2，所以绕组系数千瓦 = KP KD= 3/2。然后 Ns个可以计算为 其中 NPH是圈串联每相的实际数目。 由 PMs， MMFM，所产生的等效的 MMF的最大值被计算为 其中， LM 和 HM 表示磁体长度和当磁铁由导磁的铁短路的磁场强度。然后 N 个 f如 果 该 值 ， 可 以 实 现 如 B是用于 的 PM的残留磁通密度， R，为相对磁导率， 0为空气与 4 10-7的值的磁导率。 定子和转子的表面之间的有效气隙长度被定义为 g时，磁通密度 B与磁通如下图所示： 作为一个例子，让我们判断，由于电流只在一个绕组漏感在这里忽略绕组的总磁链。 其中 Ro和 Ri是，定子的外表面和内半径。同样地，我们可以得到 在 a和 f绕组之间的互感是通过确定 在与上述相同的方式， LAF， LBF， LCF可写为 因此，其他的互感可求得 然后 其中 L是电机的电感矩阵，该电感是由（ 18）（ 19）确定，（ 21） - （ 24）。 （ 31）的电感表达式可以当它们被表达的 dq0变量方面被简化 存储的磁能可以被计算为 因此，可以得到的有吸引力的力 Fs 从弗莱明左手法则，旋转扭矩 Ts可表示为 这里，定子和 的 PM在平衡点的表面之间的空气间隙被定义为 LG，所以在定子和转子在平衡点之间的有效气隙可求得 Kc为卡特的系数，它是约等于 1。然后 F1和 T1可以通过代克 = G0+ Z， ID = ID1和 IQ = IQ1入（ 28）（ 29）进行计算，而 F2和 T2可以通过替换来计算 G = G0 - Z，ID = ID 2和 IQ = IQ2到相同的等式，其中 z是在垂直方向上的转子的位移。总的力和力矩是由（ 1） 和（ 2） 得到的。 在转子的径向运动由机械球轴承的限制。因此，转子的轴向运动是独立的径向运动。转子的轴向运动的动力学方程为 其中 FZ是在 z轴方向上的外力，而重力被考虑在内。 总转矩的方程可以改写为 和 其中 J是转动惯量，是转子角，是转速。 电压方程可写为 四 . 有限元分析和模型验证 （ 1） 理论 在永磁电机的磁场总是与瞬态激励和非线性磁性材料相关。以下三个麦克斯韦方程有关的瞬态的应用程序。 其中， H表示磁场密度， J是电流密度，是介质的电导率，和 E是电场强度 从（ 36）和（ 37），可以得到 力和力矩可以计算为存储磁共能 W相对于小排量的导数。助能量可以写成 然后瞬时力 Fs中的偏移量 s的方向上的分量是 以小角度旋转位移的瞬时转矩 T由下式表示 （ 2） 有限元分析 使用时步三维有限元模拟 16在第二节中描述的提出的系统进行了分析。分析模型的网格形状被示为图 5。只有一个定子和转子被实现在有限元分析中，为了节省计算时间，但它是有效的描述整个系统的性能 。 图 5分析模型的网格形状 图 6有限元模拟的结果时，定子伴随 50Hz正弦电流（ a）磁链（ b）引起的电压（ c）转速 在 开环的条件下， 50赫兹的正弦波电流，并且给定的 1500转每分的初始速度，无论是交链磁通量和感应电压是准正弦，而且速度稳定到同步速度最终。有限元法 析结果如图 6示。事实证明，电机可以作为一个正弦波电机进行分析，数学分析是站得住脚的。 图 7（ a）和（ b）示出了磁通密度在定子和转子。很明显，有分别具有定子和转子的表面磁通密度较高的区域 4。它代表 4极电机。永久磁铁 NdFe35 与留磁通密度 Br=1.23 T的 安装在转子的表面上，所以在根据 的 PM的区域中，磁通密度是肯定比在其他地方更高。 图 7定子和转子的磁通分布（ a） 定子的磁通密度 (b)转子的磁通密度 （ 3） . 数学模型的验证 三个相电流可被分解为直轴电流，如下所示 其中，是转子的电角度。 使得 IQ =0，我们得到平均为零的扭矩如图 8所示，（ a）所示。显而易见的是，该扭矩没有关系的 id。 分配 ID = 0和 Q =1时，力，转矩和转速也可以如图 8（ b）中所示获得的 。（ d）所示上的力和力矩是大致恒定的，并且速度线性增加。事实证明，扭矩是成正比的 iq 通过分配 IQ或 id到零，然后改变 ID或 IQ相应的值，我们可以得到的轴向磁力和 矩曲线在起点处，如图 9所示。实线代表从（ 28）的计算结果和（ 29），以及星标记都是在有限元分析的结果时，它被分配了 。当他们比最大额定电流是1.85 2=2.62 A在 这样的设计更高的力和力矩偏离的计算曲线向下。这是由当高电流被输入的磁饱和引起的。 图 8当 qi=0， di=0的有限元分析结果（ a） qi=0时扭矩（ b） di=0时的力（ c） di=0时的（ d） di=0时的速度 在图 9（ a），用小于电流有限元模型和数学模型之间的误差仍然存在。这是因为当 ID =0， 22N f如果 在占主导地位（ 28）所示的力值， N个之间 f小错误，如果用（ 14）和有限元分析软件计算出的值会导致对力值差异较大。图 9（ e）及（ f）是扭矩和动力的变化时，不同气隙长度分配。结果通过这两种方法获得的几乎是相同的。 图 9有限元模拟结果与解析计算结果的比较（ a） id=0， iq是变量时的力（ b）id=0， iq是变量时的力矩（ c力（ d）， id是变量时的力矩（ e） id=0 ， iq=1，气隙长度变化时的力（ f） id=0 ， iq=1，气隙长度变化时的力矩 为了进一步验证的数学模型， Matl ab / Simulink环境可以采用来模拟电动机的性能的准确性，所导出的模拟结果随后可被用于与有限元分析的数据进行比较。 当 ID = 0和 Q =1的电流被分配到定子绕组，通过 Simulink中的仿真结果示于图 10。电机在模拟的参数在表 IV中所示。通过比较从 Simulink仿真和有限元分析，这示于图 8（ BC）和图中得到的力和扭矩曲线。 10分别当相同的电流分配，可以看出，它们的平均值是非常相似的，尽管有在有限元分析结果有一定的波动。 图 10通过图 8指定相同的电流的仿真结果图 (a)轴向磁力 MATLAB仿真 （ b）通过MATLAB仿真扭矩 同样，我们也可以输入相同的电压，这是电角向电动机模型在上述两种方法的功能，其结果，得到与 图 1所示。 11。力的相应的曲线，扭矩是在形状和价值观相似。其结果是，支持该数学模型的正确性的证明。 从有限元分析结果和有限元法和模拟结果之间的比较，很显然，所提出的系统是可行的，并且衍生数学模型是准确的，并且可以被用来设计的驱动系统。 图 11通过指定相同的电压的 MATLB仿真和有限元分析结果的比较（ a）轴向磁力的 MATLB仿真（ b）轴向磁场力的有限元分析（ c）通过 MATLB仿真扭矩（ d）转矩的有限元分析 五 .结论 一种新颖的飞轮储能系统与局部自支承飞轮转子已经提出了这样的纸张。系统的结构及设计方法的细节 进行了描述。数学模型是来自和三维有限元分析已经进行，以验证所提出的设计和数学模型。支持所有的分析结果所提出的系统的可行性，并证明了数学模型的正确性。该系统的原型目前正在开发中。 参考文献 1R.Beach和 D.A.Christopher，“航空航天应用的“飞轮储能技术的开发，IEEE aerosp。电子系统杂志 卷 13，页 9-14， 1998年 6月。 2 j.g.bitterly，“飞轮技术：过去，现在，和第二十一世纪的预测，”IEEE aerosp。电子系统杂志， 13卷，第 13-16页， 1998年 8月。 3J.Beno, R.Hebner and A.Walls, “飞轮电池再次到来，” IEEE谱，卷39，页 46-51。 2002年 4月。 4 S.Ginter, G.Gisler, J.Hanks, D.Havenhill, W.Robinson 和 L.Spina，“宇宙飞船能量存储系统， IEEE aerosp”。电子系统杂志， 13卷，第 27-32， 1998。 5 H. Kanebako 和 Y. Okada, “小的混合型自轴承马达的新设计，高速主轴，IEEE / ASME跨。 mechatron。，卷 8，页 111-119， 2003年 3月。 6 M.A.Casemore 和 L.S Stephens; “驱动器的收益为 toothles