来源 | 中外能源
作者 | 陈磊1，王亮1,2，林曦鹏1，陈海生1,2，戴兴建3
单位 | 1.中国科学院工程热物理研究所；2.中国科学院大学；3.清华大学
摘要：飞轮储能可广泛应用于不间断电源、可再生能源并网、电力调峰调频、轨道交通和航空航天等领域。在真空环境下，电机及电磁轴承的散热问题关系到飞轮储能系统是否能够安全运行，是飞轮储能技术发展中亟待解决的关键科学技术问题，针对飞轮储能系统热管理的研究具有重要意义。飞轮储能系统发热主要由电机和电磁轴承引起，电机发热主要来自定子铁心铁损、绕组铜损及转子涡流损耗，电磁轴承发热主要由铁损和铜损构成。转子涡流损耗的分析是准确预测飞轮储能系统发热的基础。电机定子冷却手段主要有风冷、水冷、油冷、热管冷却以及相变冷却等，电机转子冷却手段主要有填充惰性气体增强对流换热、轴孔内油冷、扩展表面强化辐射换热等。目前高速飞轮储能系统采用的轴承主要有电磁轴承和高温超导磁悬浮轴承，传统电磁轴承的主要冷却方式是水冷，高温超导磁悬浮轴承的主要冷却方式是填充低压氦气。系统转子散热是飞轮储能系统热管理的难点，在转子散热技术方案设计中，需要考虑冷却流体挥发、密封和腐蚀问题，以及高黏度冷却流体随转子转动过程中的发热和动能损失问题。转子散热可行的解决方案主要有填充低温惰性气体以强 化转 子对 流换热、电机低损耗设计以消除高频激波以及真空油冷等。
关键词：飞轮储能 热管理 电机 电磁轴承 散热 强化换热 真空环境
01 前言
近年来，可再生能源技术发展迅速，但与此同时，可再生能源的间歇性和不稳定性也成为阻碍其发展的主要因素之一。通过引入储能技术，可实现大规模可再生能源接入电网，在提高电力系统效率和安全性等方面具有重要意义。从原理上讲，现有储能技术主要分为机械储能和电化学储能，其中机械储能主要包括压缩空气储能、飞轮储能和抽水蓄能等，电 化学储能主要包括铅酸电池储能、锂电池储能、钠硫电池储能、液流电池储能、超导储能和超级电容储能等。图 1 展示了某些重要领域对于储能的技术要求。在兆瓦级的短时高功率电能传输过程中，飞轮储能具有较大技术优势。
图 1 储能规模在电力供应和传输方面的需求
飞轮储能的工作方式是电能与飞轮动能间的相互转化，通过飞轮旋转速度的升降，实现电 能的存储和释放。例如，通过升速储能和降速释能，可实现车辆加减速过程中能量的回收与利用，为车辆提供较高的瞬时启动功率。同时，飞轮单机通过阵列化组装可以形成 10～100MW 规模的储能系统，充放电时间能够达到小时级，可广泛应用于电能质量控制、不间断电源(UPS)以及电网调频等领域。
目前，飞轮储能正向着高能量密度、高转速方向发展。高速飞轮储能系统面临较高的技术难度，包括飞轮复合材料及结构技术、磁轴承技术以及真空电机技术等。其中，真空环境下，电机及电磁轴承的散热问题关系到飞轮储能系统是否能够安全运行，是飞轮储能技术发展的关键科学技术问题，亟待解决。本文分析了飞轮储能系统热管理系统，包括系统热源分析、飞轮储能系统关键部件冷却技术和飞轮储能热管理研究现状，全面归纳了飞轮储能系统散热技术，以期为飞轮储能系统热管理的设计优化提供参考。
02 飞轮储能关键技术概述
如图 2 所示，飞轮储能系统主要由飞轮、电机、轴承、真空腔体等组成。有大量文献介绍了国内外飞轮储能各关键技术的发展现状及趋势，主要包括储能部件飞轮、支撑部件轴承、能量转换部件电机以及飞轮储能系统控制技术，并指出飞轮储能未来研究的重点主要是新材料的应用、磁轴承的研究、高速电机的研究、真空室技术、先进控制方法和模块化建设等。同时，对飞轮储能应用领域也进行了概括，主要包括 UPS、可再生能源并网、电力调峰调频、轨道交通和航空航天等。
图 2 飞轮储能系统结构示意图
飞轮在高速旋转过程中对材料强度性能的要求较高，目前主要采用金属材料及复合材料。其中，金属飞轮的研究主要集中在性能及结构优化设计方面，发展相对成熟；复合材料的研究则集中在材料相关复杂性能及其破坏机理等方面，已成为当前的研究热点。针对复合材料飞轮，通常采用多环套装、混杂材料、梯度材料、纤维预紧等方式以提高飞轮储能密度。目前，二维或三维强化成为飞轮设计的新途径，使得飞轮转子极限实验速度可达867m/s。
在飞轮储能系统中，轴系支撑轴承主要由滚动轴承、流体动压轴承、永磁轴承、电磁轴承和高温超导磁悬浮轴承中的几种组合而成。由于滚动轴承和流体动压轴承损耗较大、高速承载力不足，通常与永磁轴承配套使用，不适用于转速高于 10000 r/min 的飞轮储能系统。电磁轴承具有损耗小、技术成熟的优点，当飞轮转速处于 10000～60000 r/min 时，应采用电磁轴承。高温超导磁悬浮轴承具有损耗相对较小、可靠性高以及不需要复杂的控制系统等优点，成为目前研究的热点，但其承载能力和刚度相对较低。
几种轴承的对比见表 1。高温超导轴承分为轴向和径向两类。文献[23]介绍了 2015 年在Mt.Komekura 建立的一套世界最大的 300kW 飞轮储能系统原型机， 采用的就是高温超导磁悬浮轴承，并经过了 1500h 运行测试。可以看出，电磁轴承和高温超导磁悬浮轴承在高速、高效飞轮储能系统中得到了广泛应用。
表 1 机械轴承、主动磁轴承和高温超导磁悬浮轴承对比
电动/发电一体机作为飞轮储能系统的关键部件，具有双向变速运行特点，其损耗大 小 不 仅 关 系到飞轮储能系统的效率，还对系统热安全具有重要影响。目前，飞轮电机电磁学设计理论已较为成熟，其优化设计的重点包括转子结构及降低损耗。廖明、于亚新和肖林元分别研究了六相双 Y 移30°绕组同步电机和六相分离绕组同步电机， 指出六相电机具有自行抵消较强高次谐波的特点，可降低定子谐波磁场在转子表面产生的涡流损耗，使转子磁钢温升减小。这对于永磁电机意义重大，降低了电机性能恶化和磁钢退磁的风险，保证了电机的经济稳定运行和热安全。
谭博等提出了一种基于电流规划的无刷直流电机驱动方法，可显著减小转子涡流损耗和绕组铜损， 与传统方波方式相比，转子涡流损耗可以降低 90%，电机铜损降低 10%。可以看出，通过采用多相电机或新型的电机驱动方法，可以有效降低电机转子涡流损耗，从根本上解决飞轮储能系统转子散热困难的难题。但这方面的研究大多基于理论计算和模拟研究，与实际电流波形存在差异，导致实际工程应用中仍然出现转子温升较高的情况。
03 飞轮储能系统产热分析
飞轮储能系统损失主要包括系统损耗、散热损耗，系统损耗又包括电损、风损和轴承损耗。在电机和电磁轴承中，定子铜损、铁损及转子涡流损耗通常转化为系统热源，产生热量，使系统温度上升，尤其是飞轮转子的温度上升明显。因此，对于电机、电磁轴承定转子损耗的准确预估，是电机热源分析的重要前提。
为了准确分析飞轮储能系统产热，Bolun 等指出不同定子结构会产生大小不同的相位谐波，需同步分析涡流、磁场和冷却方案。结果表明，控制涡流损耗引发热量的关键 ，是 保 证 相位谐波引起的感应涡流最小。采用此方法，Krzysztof 等同步模拟了三相电机电磁场与瞬态温度场耦合作用下的运行情况，能准确评估电机各部位的温度分布和换热系数。可见，真空条件下飞轮储能系统涡流损耗引发热量主要由系统相位谐波引起，通过多场同步模拟方法， 可准确模拟系统涡流损耗，对于准确分析飞轮储能系统发热具有重要意义。
高速飞轮储能系统的转速可达(4～5)×104 r/min，为了减小高转速下飞轮储能系统的风阻，转子通常在低压或真空条件下运行。同时，为了减小系统轴承摩擦损耗，常采用电磁轴承，将飞轮转子悬浮于真空中，飞轮储能系统效率可达 95%以上。然而，在真空环境下，飞轮储能系统转子产生的热量基本只能通过辐射换热的方式向外传递，且辐射换热强度很弱，使得系统转子产生的热量排散困难，导致转子温度不断上升。储江伟等进行了这方面的研究， 指出国际上飞轮储能真空度可达到 10-5 量级，可以有效降低系统风阻损耗，但高真空环境下系统散热性能恶化，温度上升明显。
飞轮储能系统发热主要由电机和电磁轴承引起，在电机散热方面，部分文献采用不同方法，针对电机各项损耗进行了分析研究，对电机温度分布进行了预测，并进行了实测验证。可以看出，电机转子涡流损耗的分析是电机损耗分析的重点。有研究表明，高速 飞轮电机转子涡流损耗主要包括：①齿槽结构引起的损耗；②绕组磁动势造成的空间谐波引起的损耗；③相电流变化造成的时间谐波引起的损耗。可以通过增加定子槽数、减小定子槽口宽度、选择极弧系数接近 1 的柱状或整体环状永磁体、采用单一屏蔽层结构等方法，从而降低高速永磁电机涡流损耗。
为降低电机转子涡流损耗，张德金等研究了定子槽口宽度、气隙长度、转子保护套材料和厚度等对转子涡流损耗的影响，并得到了相应的优化方案，相对于原有方案，优化方案可降低转子涡流损耗 82%。同时，电机发热与其工作状态密切相关。
目前工业应用中的大功率飞轮储能动态 UPS，高速待机时的电机平均功率通常低于额定快速放电功率的 1%，其发热很小，不会引起系统的热失控。而在工作条件下大功率放电时，产热较多，只能通过长时间散热实现新的热平衡。因此飞轮储能动态 UPS 应用中通常约定 1h 内充放电频次不超过 10 次或者更少， 以防止电机发热积累引发系统热失控。对于 1h 内数十次的频繁充放电工作模式，必须解决飞轮储能系统热管理这一难题，一是大幅度减少热源，特别是降低电机转子发热，采取强化散热措施；二是降低单机额定或运行功率。
在电磁轴承散热方面，研究内容主要包括电磁轴承发热分析、散热方法。Park 等研究了高温超导磁悬浮飞轮储能系统的能量损失，指出系统能量损失包括电动/发电一体机定子中心和永磁体处产生的涡流，以及漏磁所引起的损耗和高温超导磁悬浮轴承产生的损耗。结果表明，电动/发电一体机所产生的损耗远大于高温超导磁悬浮轴承。然而，电磁轴承发热依然是关乎飞轮储能系统安全的重要问题。
为了分析电磁轴承发热的原因并寻找解决方法，李新生等研究了轴向电磁轴承的发热问题，发现磁轴承线圈中高频电流幅度是影响发热最重要的一个参数。目前国际上解决轴承发热的方法主要有：①高电阻率导磁材料；②锥形叠片；③刻槽 。他们还提出了 LC 滤波方法， 可有效解决轴向电磁轴承的发热问题。
可以看出，较多文献针对电机、电磁轴承定转子发热原因进行了深入分析研究，并提出了相应的解决方案，可为飞轮储能系统热管理设计提供有价值的参考。然而在真空条件下，电机、电磁轴承转子散热仍然是亟待解决的关键科学技术问题。
04 飞轮储能热管理研究现状
4.1 电机冷却
电机定子冷却手段主要包括风冷、水冷、油冷、热管冷却以及相变冷却等。飞轮储能电机发热主要来自定子铁心铁损、 绕组铜损以及转子涡流损耗。大量文献针对电机定子散热进行了研究 。Bellettre 等采用节点法模拟了同步电机非稳态运行，并采用固液相变的方法对电机定子进行冷却，通过模拟和试验结果对比，确定了特定的参数，获得了良好的模拟精度。Wang 等通过在电机外壳中添加石蜡相变材料，可以延长电机运行时间，降低电机工作周期内的温度峰值。Putra 等采用风冷与热管冷却相结合的方法，对电机定子部分进行冷却(见图3)。
图 3 电机定子热管冷却示意图
1—机壳；2—机壳翅片；3—热管固定装置；4—热管；5—风机配件；6—风机；7—热沉
大量文献研究了电机定子水冷水套的流动换热性能及结构优化，大多采用有限元方法进行模拟研究，包括对水套流道尺寸、布置结构的优化研究以及冷却水工作参数的优化研究。也有文献提出采用浸润式油冷的方式对电机进行冷却，但在真空环境下运行的飞轮储能系统中则需要采用不挥发的真空油，且应对冷却流道进行相应的优化设计，并考虑真空油在定转子动静部件间流动产生的损耗。当各种冷却手段应用于飞轮储能系统定子冷却时，需要将系统真空考虑在设计范围内，对冷却结构的密封有较高要求。
电机转子冷却方式主要包括轴孔内油冷、填充惰性低分子质量冷却气体以及强化辐射换热等。针对飞轮储能系统电机转子，Jung 等提出了轴心内热虹吸冷却结构(见图 4)，通过在电机和磁轴承发热部位布置储液槽的方式，可同时对电机和磁轴承转子进行冷却。Li 等采用数值模拟的方法研究了飞轮储能系统转子单回路热虹吸冷却结构，该冷却方法是将飞轮转子旋转过程中产生的离心力，作为热虹吸回路中冷却流体的驱动力，通过冷却介质将转子发热部位的热量迅速传导至转轴冷端进行冷却。结果表明，单热虹吸回路更适用于电机转子冷却。
图 4 飞轮储能系统热虹吸散热结构
文献研究了电机定转子热管冷却方式，由热管将电机热量传导至冷却室内，通过冷却流体带走热量。部分专利提出了飞轮储能系统转子轴孔冷却方式，分为主动式和自吸式冷却方案。通过在转子轴心开孔，并导入冷却气体或液体，带走系统热量。
值得注意的是，在真空条件下冷却系统内冷却流体的挥发、密封及腐蚀问题需要考虑。同时，需要考虑流体随转子旋转过程中的发热及动能损失。在保证一定真空度的情况下，可向真空室内填充氦气和空气混合物，以增强转子流动换热能力。Suzuki和 Ajisman 等研究了在飞轮储能系统真空室内填充氦气对系统风阻的影响。结果表明，与纯空气相比，在真空室内填充氦气和空气混合 物 ，可 以 在 有效降低风阻的同时，提高击穿电压，并增强转子散热能力。专利[59]提出了非接触式飞轮转子辐射换热强化手段，即在转子发热位置增加径向或轴向扩展表面，同时在固定端(冷端)增加相对的换热表面(见图 5)，以增强转子辐射换热能力。
图 5 扩展表面强化转子辐射换热结构示意图
可以看出，虽然有大量文献、专利对电机转子冷却进行了研究，但在实际过程中，由于系统转子处于高真空环境和磁悬浮状态，缺乏切实可行的冷却技术方案，飞轮储能系统转子散热仍然较为困难，从而导致高真空情况下磁悬浮飞轮储能系统热管理成为制约飞轮储能系统发展的关键因素。
4.2 磁悬浮轴承冷却
目前高速飞轮储能系统采用的轴承主要包括电磁轴承和高温超导磁悬浮轴承。其中，电磁轴承的发热方式与电机发热方式类似，主要由铁损和铜损构成。与铜损相比，涡流和磁滞损失构成的铁损相对较小，其冷却手段与电机冷却类似，在飞轮储能系统中通常与电机共用冷却系统。在结构设计上，为了阻断涡流电流，降低发热量，多采用叠式结构。
高温超导磁悬浮轴承因其低损耗、自稳定、控制简单等特点，成为当前的研究热点。与传统电磁轴承不同，高温超导磁悬浮轴承通常配备一个低温制冷机，用于冷却超导块和超导线圈。高温超导磁悬浮轴承线圈通常采用低温冷端热传递进行冷却。针对高温超导磁悬浮轴承超导块的冷却，则采用填充低压氦气的方法，并以氦气为传热介质，直接与低温冷端之间进行换热冷却，如图 6 所示。
图 6 高温超导磁悬浮轴承冷却结构
然而，这对于高速飞轮储能系统真空度的保持是不利的。对此，Miyazaki 等开展了氦气压力与风阻之间相关规律的研究，描述了世界最大的高温超导磁悬浮轴承设计过程， 并采用 10Pa 低压低温氦气对超导线圈及超导块进行冷却，没有明显地增加系统风阻。Strasik 等分析介绍了波音公司的飞轮储能系统以及高温超导磁悬浮轴承，并展示了考虑导热及热辐射条件下高温超导磁悬浮轴承定子的温度分布情况。Yuuki Arai研究了超导磁轴承线圈间冷却冷板的优化结构，提出了冷板分割结构，降低了超导线圈发热量，并加工出了冷板实体。Waele等提出以毛细管内相变的方法冷却高温超导磁悬浮轴承，结果表明，采用液氢冷却时，飞轮系统功率可以达到 500kW。
可以看出，目前飞轮储能系统磁轴承采用的主要冷却方式是水冷(传统电磁轴承)和填充低压氦气(高温超导磁悬浮轴承)， 其难点与电机冷却基本相同，在于磁轴承转子的冷却。由于电磁轴承损耗与电机损耗相比较小，且通过系统低损耗设计及控制策略研究，可以实现良好的热管理。针对高温超导磁悬浮轴承转子，考虑到填充低压氦气冷却对真空的不利影响， 为了进一步降低系统阻力损失，提高系统效率，需要探索新的冷却方法。
05 结语
飞轮储能系统发热主要来自于电机和电磁轴承，且电机发热量占主导地位。电机和电磁轴承损耗主要包括铜损和铁损，转子涡流损耗的分析是准确预测飞轮储能系统发热的基础。
在真空环境下，飞轮储能系统散热包括电机定子散热、电机转子散热、磁悬浮轴承散热。现有电机定子冷却手段主要有水冷、油冷、热管冷却及相变冷却等；电机转子冷却手段主要有填充惰性气体增强对流换热、转子轴孔内油冷、扩展表面强化辐射换热等；磁悬浮轴承散热主要有电磁轴承散热(可与电机共用冷却系统)及高温超导磁悬浮轴承冷却(低压氦气直接接触冷却)。
飞轮储能系统在高真空的特殊条件下运行，系统转子散热是飞轮储能系统热管理的难点。在转子散热技术方案设计过程中，需要考虑冷却流体挥发、密封和腐蚀问题，以及高黏度冷却流体随转子转动过程中的发热和动能损失问题。飞轮储能系统转子散热可行的解决方案主要包括：在不明显增加低速飞轮摩擦损耗的基础上，填充低温惰性气体以强化转子对流换热；电机低损耗设计，通常采用多相绕组设计以消除高频激波，达到减小转子涡流损耗的目的；真空油冷，在现有研究基础上，需考虑冷却结构的可实现性；为减少芯轴内孔冷却介质摩擦功耗，可以探索低转速条件下通流以及间歇通流的新模式。
参考文献 略
