高溫超導(dǎo)（以下簡稱超導(dǎo)）體具有很多優(yōu)良特性，其中抗磁性和磁通釘扎特性可以實現(xiàn)無源自穩(wěn)定懸浮，因而備受矚目。目前超導(dǎo)體及相關(guān)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中，而超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)和磁懸浮車（Maglev）被認為是最具潛力的超導(dǎo)裝備之一。

超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)（Supercon- ducting Flywheel Energy Storage System, SFESS）除了具有常規(guī)飛輪儲能系統(tǒng)的高儲能密度、高轉(zhuǎn)換效率、大功率密度、長壽命、短時充電以及綠色環(huán)保等優(yōu)點外，其超導(dǎo)磁懸浮所具有的無源自穩(wěn)定性，使懸浮軸承完全省去了外部控制。超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)能夠應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及電力系統(tǒng)中，必將對未來的電網(wǎng)產(chǎn)生深遠影響。

在過去的二十年里，國內(nèi)外已經(jīng)成功地研制出多款超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)樣機。

2007年，美國波音公司（Boeing）設(shè)計了1臺5kW?h/100kW超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)樣機。在此基礎(chǔ)上，2009年又研制出5kW?h/3kW超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)。波音的超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)采用軸向型超導(dǎo)軸承，具有較小的損耗。德國ATZ公司在2007年制造了1臺5kW?h/250kW的超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)，采用徑向型超導(dǎo)軸承，轉(zhuǎn)子重450kg。

2006年日本國際超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心（ISTEC）研制了1臺10kW?h/100kW超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)，采用1個徑向型超導(dǎo)軸承（外轉(zhuǎn)子型）和2個有源軸承懸浮轉(zhuǎn)子來抑制振動。ISTEC改進了冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用中心軸冷卻超導(dǎo)塊材，并詳細研究了系統(tǒng)的整體損耗。

2012年韓國電力研究院（KEPRI）開發(fā)了1臺35kW?h樣機。為了提高剛度，KEPRI設(shè)計并采用了兩套混合軸承組件，每套包含1個徑向型超導(dǎo)軸承和1個有源磁阻尼器。目前該樣機已應(yīng)用于地鐵站電力系統(tǒng)的削峰平波。

2016年，日本的古河電氣公司（Furukawa Electric Corporation, FEC）研發(fā)了1臺300kW的超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)，其超導(dǎo)軸承的定轉(zhuǎn)子均由超導(dǎo)材料制成，即定子采用REBa2Cu3Oy超導(dǎo)帶繞制，轉(zhuǎn)子由YBa2Cu3Oy制成盤狀，其懸浮質(zhì)量達到4t。到目前為止，該系統(tǒng)已應(yīng)用于鐵路電力網(wǎng)中。

為了減少損耗，葡萄牙的里斯本大學(xué)（ULisboa）在零場冷條件下對徑向型超導(dǎo)軸承進行了靜態(tài)測試。伊朗科技大學(xué)（IUST）采用盤形超導(dǎo)塊材制造超導(dǎo)定子并優(yōu)化了它的結(jié)構(gòu)。巴西里昂聯(lián)邦大學(xué)（UFRJ）和土耳其蓋布澤技術(shù)大學(xué)（GTU）也進行了相關(guān)研究。

2001年，中科院電工所研制了1臺混合型超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)，包含1個軸向型超導(dǎo)軸承和2個有源軸承。課題組對徑向型超導(dǎo)軸承和超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)研究：研究永磁轉(zhuǎn)子的磁場特性、優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)、建立有限元數(shù)學(xué)模型分析懸浮特性、利用3D測試平臺測量軸承懸浮和徑向剛度以及設(shè)計與優(yōu)化低溫泵的軸承結(jié)構(gòu)等。

為了驗證徑向型超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)的基本原理，探索其運行的基本規(guī)律和特性。在前期工作的基礎(chǔ)上，研制了1臺小功率的超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)樣機，采用徑向型超導(dǎo)軸承和外部電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)子完全由徑向型超導(dǎo)軸承懸浮，省去了外部控制的有源軸承，整體設(shè)計難度和復(fù)雜度較大。本文將介紹樣機的懸浮測試及旋轉(zhuǎn)實驗，并對其電磁特性和旋轉(zhuǎn)特性進行討論。

1 樣機設(shè)計

超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)樣機結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要部件包括增強型復(fù)合材料制成的質(zhì)量為3kg的飛輪、2kW無刷永磁直流電機、徑向型超導(dǎo)軸承、保護軸承以及提供真空環(huán)境的真空腔。樣機設(shè)計參數(shù)見表1。整個系統(tǒng)固定在支撐臺上，真空腔與臺面之間用螺栓固定。

飛輪本體和超導(dǎo)軸承永磁轉(zhuǎn)子均套裝在主軸上，轉(zhuǎn)子的套裝順序應(yīng)先進行主軸與飛輪的套裝，其方法是利用主軸與飛輪的熱膨脹系數(shù)不同，在高溫條件下進行加熱，將主軸穿過飛輪中間的鋁合金輪轂，再進行降溫。由于飛輪鋁合金輪轂的收縮率大于無磁不銹鋼主軸的收縮率，因此主軸與飛輪以壓應(yīng)力緊密結(jié)合在一起。

在裝配超導(dǎo)軸承的永磁轉(zhuǎn)子時，由于永磁環(huán)的裝配采用同極相對的方式，從而產(chǎn)生了較大的斥力，所以需用夾具夾緊，并用膠粘牢。裝配完成后主軸端部的永磁環(huán)用軸套卡緊，防止在主軸高速旋轉(zhuǎn)或大功率放電時松動彈出。電機由固定在飛輪運行腔體蓋板上的支架支撐，并用螺栓固定。

電機軸通過柔性聯(lián)軸器與主軸連接，在確保同軸度的情況下通過聯(lián)軸器驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當系統(tǒng)停止工作時，轉(zhuǎn)子由主軸底部的止推保護軸承支撐。下面分別介紹主要組成部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

圖1 超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)樣機結(jié)構(gòu)

表1 樣機設(shè)計參數(shù)

1.1 飛輪本體

飛輪是儲能系統(tǒng)的核心部件之一，是承載能量的部件，這就要求其結(jié)構(gòu)設(shè)計必須在有限的體積或質(zhì)量下提高轉(zhuǎn)動慣量和角速度，以獲得高儲能密度。目前，制作飛輪的材料一般為不銹鋼、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料。飛輪形狀主要采用多層空心圓柱狀和環(huán)狀，此外還有紡錘狀和傘狀等。本樣機的飛輪本體結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子3D圖如圖2所示。

飛輪本體主要由玻璃纖維、碳纖維增強復(fù)合材料和鋁合金輪轂組成（見圖2）。飛輪質(zhì)量為3kg，其外徑為160mm，內(nèi)徑為20mm，轉(zhuǎn)動慣量（J）和設(shè)計轉(zhuǎn)速分別為0.052kg?m2和20000r/min。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為10000r/min（即額定轉(zhuǎn)速）時，根據(jù)公式，飛輪最大角加速度為19.23rad/s2，飛輪邊緣最大線加速度為3.07m/s2。

圖2 飛輪本體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子3D圖

在設(shè)計轉(zhuǎn)速20000r/min下對飛輪在旋轉(zhuǎn)載荷下的徑向應(yīng)力、徑向位移以及環(huán)向應(yīng)力進行仿真，計算結(jié)果見表2。結(jié)果表明飛輪外徑徑向變形、最大環(huán)向拉壓應(yīng)力以及最大徑向拉壓應(yīng)力等參數(shù)完全滿足設(shè)計要求。

表2 參數(shù)計算結(jié)果

1.2 徑向型超導(dǎo)軸承

本樣機的軸承系統(tǒng)由1個徑向型超導(dǎo)軸承和3個機械軸承組成，超導(dǎo)軸承的作用是懸浮轉(zhuǎn)子并抑制其徑向振動，保護軸承的作用是使轉(zhuǎn)子不受徑向和軸向損壞。徑向型超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 徑向型超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)：3D外形和2D截面

永磁轉(zhuǎn)子由6塊NdFeB永磁環(huán)和7片1J22聚磁鐵環(huán)組成。永磁環(huán)軸向磁化，同極性相對。永磁環(huán)和聚磁鐵環(huán)均套裝在無磁不銹鋼主軸上，永磁環(huán)與聚磁鐵環(huán)一一交疊排列放置，兩端用螺母夾緊固定。永磁環(huán)尺寸為：外徑37mm，內(nèi)徑20mm，高度8mm。

聚磁鐵環(huán)外徑和內(nèi)徑均與永磁環(huán)相同，厚度為2mm。經(jīng)測量，中部的聚磁鐵環(huán)表面剩磁為0.85T，兩端部的聚磁鐵環(huán)表面剩磁是中部的一半為0.43T，磁場方向為徑向。

為樣機制作了兩套超導(dǎo)定子，分別采用灌封和粘接的方法。采用灌封法制作的超導(dǎo)定子（簡稱為灌封超導(dǎo)定子，同理簡稱為粘接超導(dǎo)定子）主要由YBCO超導(dǎo)塊材、316L不銹鋼杜瓦、熱沉以及內(nèi)壁等器件組成。采用32塊超導(dǎo)塊材堆疊成4層超導(dǎo)環(huán)，在超導(dǎo)環(huán)之間墊有氮化鋁片以增強導(dǎo)冷效果，熱沉為紫銅制成。

為加固超導(dǎo)定子的整體結(jié)構(gòu)，采用灌封工藝封裝。灌封超導(dǎo)定子如圖4所示，整個定子尺寸為：200mm×40mm×160mm。

圖4 灌封超導(dǎo)定子及其灌封過程

粘接超導(dǎo)定子的內(nèi)壁和底座的材質(zhì)為無磁不銹鋼材質(zhì)。為了定位和疏導(dǎo)液氮，分別設(shè)計了底部托盤和中部托盤兩種托盤。底部托盤的上端面和中部托盤的上下端面均設(shè)計有鋸齒狀的凹槽即導(dǎo)流槽，液氮可以從導(dǎo)流槽流到超導(dǎo)塊材底部和頂部，增加了超導(dǎo)塊材的冷卻面積。

底部托盤和中間托盤均用環(huán)氧樹脂材料制成，底部托盤尺寸為62mm× 42mm×22mm，在其上端面沿圓周方向均勻開有12個槽，兩槽中心線的夾角為30°，在外徑上的槽口寬5mm，槽深1mm。中部托盤尺寸為 62mm×42mm×2mm，沿圓周方向均勻地在其上下兩個端面分別開12個槽，槽深1mm。

總共粘接24塊超導(dǎo)塊材組成3層超導(dǎo)環(huán)，粘接超導(dǎo)定子如圖5所示。

圖5 超導(dǎo)塊材粘接后的3D效果圖及粘接超導(dǎo)定子

1.3 電機及測控系統(tǒng)

電機是能量轉(zhuǎn)換的核心部件，飛輪儲能系統(tǒng)要求電機在運行時既可作為電動機又可作為發(fā)電機。當系統(tǒng)儲能時，電機作為電動機運行，帶動飛輪加速旋轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，飛輪儲存能量；當系統(tǒng)釋能時，電機作為發(fā)電機運行，向外輸出電能，此時飛輪轉(zhuǎn)速不斷下降。

目前電機的選取多為兩類：一類是交流勵磁的變速恒頻雙饋電機；另一類采用結(jié)構(gòu)簡單的永磁電機。后者轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，機械強度高，可以達到很高的轉(zhuǎn)速，并且在轉(zhuǎn)子上幾乎沒有損耗，不發(fā)熱。而這些特點非常適合超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行條件，所以永磁電機越來越多地被選為驅(qū)動飛輪主軸的動力機構(gòu)。

本樣機選用北京和利時公司生產(chǎn)的92PMDC6 100100 H1 A改進型高速永磁無刷直流電機，其參數(shù)為額定功率2kW、額定轉(zhuǎn)速10000r/min、額定轉(zhuǎn)矩2N?m、極對數(shù)5。

基于樣機自身結(jié)構(gòu)和被測物理量的特點設(shè)計了相應(yīng)的測控單元，在上位機進行匯總及綜合監(jiān)控，構(gòu)成了整個測控系統(tǒng)。本測控系統(tǒng)實現(xiàn)了對樣機主軸的徑向位移、軸向位移、飛輪轉(zhuǎn)速及運行狀態(tài)、液氮液位、電機電樞電流、電樞線電壓以及放電電壓等物理量信息的實時監(jiān)測。

2 樣機懸浮測試及其電磁特性分析（略）

2.1 懸浮力測試

灌封超導(dǎo)定子和粘接超導(dǎo)定子的最大懸浮力均大于轉(zhuǎn)子重量，如果在樣機的6層永磁轉(zhuǎn)子下場冷，則最大懸浮力必然遠大于此數(shù)值，所以在真空環(huán)境中兩套超導(dǎo)定子均完全適用。在實際樣機的運行中，粘接超導(dǎo)定子的懸浮剛度已達到53N/mm，因此，所設(shè)計的超導(dǎo)軸承完全能夠懸浮樣機轉(zhuǎn)子。

2.2 徑向型超導(dǎo)軸承電磁特性分析

本文采用H-法建立有限元數(shù)學(xué)模型來分析該樣機超導(dǎo)軸承的電磁特性。通過增加外場能夠達到提高懸浮力的目的，但是由于Ⅱ型超導(dǎo)體的釘扎力密度具有飽和特性，所以采用這種方法提高懸浮力是有限的。

較大的電磁力作用到超導(dǎo)塊材的邊緣部分，這也是在樣機運行期間超導(dǎo)塊材邊緣易產(chǎn)生裂紋的原因之一。這種情況對外轉(zhuǎn)子型的徑向型超導(dǎo)軸承影響較大，對應(yīng)移動距離為6mm、8mm和10mm時的感應(yīng)電流的數(shù)值和面積較大，表明在這些位置上的懸浮力較大。

3 轉(zhuǎn)子動態(tài)旋轉(zhuǎn)測試及其特性分析（略）

3.1 轉(zhuǎn)子自由旋轉(zhuǎn)特性分析

對于超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)而言，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)造成的損耗主要來自以下四個方面：①電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電樞及外殼中的渦流損耗和磁滯損耗；②不銹鋼杜瓦和內(nèi)壁的渦流損耗；③聚磁鐵環(huán)的渦流損耗；④由永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的超導(dǎo)塊材的磁滯損耗和渦流損耗。

對于第①類和第②類損耗，可以采用新材料或改進生產(chǎn)工藝的方法來減少，例如，采用由非晶體材料制成的薄片來制造永磁電機的電樞和鐵心等。對于第④類損耗，可以采取降低超導(dǎo)塊材的冷卻溫度（過冷法）或使用具有相似物理性質(zhì)的超導(dǎo)塊材等方法有效減少。

3.2 飛輪轉(zhuǎn)子動態(tài)徑向振動特性

增加超導(dǎo)軸承系統(tǒng)（包括超導(dǎo)軸承、永磁軸承、有源軸承和磁阻尼器等）的徑向剛度來抑制轉(zhuǎn)子徑向振動的幅度是提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的有效途徑。

結(jié)論

本文建立了一臺小型徑向型超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)樣機，測量了兩種超導(dǎo)定子的懸浮力。采用所建立的數(shù)學(xué)模型對其超導(dǎo)軸承的磁場和電流分布進行了研究，結(jié)果表明在樣機的運行過程中，大部分磁力線被限制在兩種氣隙中：一種是在永磁轉(zhuǎn)子和超導(dǎo)定子之間（徑向）；另一種是在相鄰兩個超導(dǎo)環(huán)之間（軸向）。

超導(dǎo)塊材中的感應(yīng)電流主要分布在其邊緣，即較大的電磁力作用于它的邊緣，可能會導(dǎo)致或加劇相應(yīng)部分的裂紋。這種情況將會對外轉(zhuǎn)子型超導(dǎo)軸承產(chǎn)生較大影響。測量了轉(zhuǎn)子在2500～5000r/min穩(wěn)態(tài)速度時的自由旋轉(zhuǎn)并分析了其旋轉(zhuǎn)特性，表明振動與旋轉(zhuǎn)特性密切相關(guān)，也是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能持續(xù)上升的原因之一。

本樣機能夠?qū)崿F(xiàn)飛輪的靜動態(tài)超導(dǎo)磁懸浮、充電和放電等功能，為下一步研制大型超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)提供了重要的設(shè)計依據(jù)。