清华大学赵雷 教授

2019年5月18-20日，中关村储能产业技术联盟、中国科学院工程热物理研究所举办“ESIE2019储能国际峰会暨展览会”，清华大学赵雷教授在论坛上分享了磁轴承技术与飞轮储能方面的话题。

以下为发言实录：

清华大学教授赵雷：电磁轴承有些特殊性，也是一个新轴承，可能最近几年由于技术的进步，越来越得到储能飞轮的青睐，但是也存在一些新问题，所以我今天重点跟大家探讨一些问题和一些思考，主要这么几方面内容：

轴承基本特点，储能飞轮应用研究，包括一些情况，包括后面还有一些重要议题和一些思考。

首先实际上利用次晨作为一个支撑是一百多年前就有这样一个梦想，借助自然界的磁现象人类探索成果的积累，可以主动控制磁场从而有效的加以利用。如果按照悬浮的方式分类有这么三种：电磁轴承这是利用主动磁场，还有一种永磁轴承，这个可能很早，甚至我们童年都有过这样的接触，就是我们玩过的磁铁，中国是稀土大国，永磁得到了长足的进步。另外一个就是超导磁轴承也是磁悬浮的一种，中间三页不是空白，实际上是一个混合轴承，尤其在储能飞轮领域可能得到更多的关注。

电磁轴承简单介绍一下，它实际上是利用电磁引力来实现一个被支撑体的悬浮，首先软磁材料这是转子部分，把信号反馈给信号处理系统以及功率系统，来实现这个方向的悬浮，如果要实现一个完整悬浮还需要另一个方向。做成实物就是这个样子，这是一个镜像轴承，这也是一个镜像轴承，也有指推轴承或者轴向轴承。永磁轴承就不说了，我们常见，超导轴承也是一种，实际上超导体一旦形成，在低温形成超导态实际上有两种最基本特征：一是电阻为零，二是完全的抗磁性，它的主要特点就是说在常规下磁场是可以穿过的，但一旦形成超导态，它会把磁场挤出来，这样在它的内部和边界形成一种场的梯度，这样就会形成一个很大的作用力，在超导里面叫做定轧力（音），这个物体就会被定在这儿，如果将来的高温超导或者常温超导一旦实现，我们的支撑问题可能就会得到一个长足的进步，你想它的结构就变得很简单了，而且不需要更复杂的控制系统，这是超导悬浮。涡轮机械电磁轴承领域应用的更多一些，工业领域，在咱们飞轮里面也许会得到一个比较重要的关注。

刚才是讲轴承，如果一个完整的转子要想实现磁悬浮的支撑，显然选择一个钢体，六个自由度，其中旋转需要其他方面来控制，其他五个方面完全需要电磁支撑来部分。中间是电机就是高速电机，如果是涡轮就是涡轮机械，如果是飞轮就是飞轮，这样一个完整的转子就实现了一个悬浮功能。主要特点和常规轴承不一样：

第一，由于它彻底消除了机械接触，所以应该叫无摩擦、无磨损，彻底的无磨损，因为没有机械接触，微摩擦什么意思？实际上是一个学术名词，它不是物理的摩擦，实际上是场和涡流合或者是电流轮支力的摩擦，这需要飞轮储能关注的。比如高速运行转子可以突破支撑的瓶颈，低损耗，另外一个是由于没有磨损，它的长寿命。还有一个很重要的特点，没有了支撑的介质需要，无需润滑也不需要密封，因而就可以在任意介质中工作，如果真空也算是介质的话可以真空运行，所以更重要的特点也许是储能飞轮青睐的解决方案，它应该不是唯一但是是一个很重要的解决方案之一。

另外一个电磁轴承它的控制是人为设计的，因而人工智能就有机会加入到它的系统里面去，我们就有这样的接口。比如说现在已经实现的过临界隔振减振，包括步频控制都应该是电磁轴承的很重要的特点。

刚才是优点，实际上它还有一些局限性：一是会饱和，因而电磁轴承的过载能力比较弱，一旦出现了饱和没有过载能力，但是如果载荷设计的准确，电磁轴承完全可以满足应用。二是受驱动功率限制，如果频率太快，驱动功率不够可能响应不过来，这是需要设计问题。三是悬浮的代价，金属嫌它慢，想把它扶起来，扶起来就有掉下来的可能，这样需要一个专设的防护措施，但是其实这种问题到目前为止在天然机压缩机行业，在欧美有这样的机组已经连续运行了20多年了，没有出现过跌落事件，实际上这只是个概率事件而已，如果这个专设的防护措施我们容易去修或者是替换或者是维护，它也不是很重要的一个问题。四是电磁轴承在很多方面还缺乏一些工作，下面细说。

如果把电磁轴承或者混合轴承也好，选做储能飞轮的解决方案，实际上我们要面临很多挑战。有技术问题，实际上更深层次的问题是基础理论，咱们细说一点。如果选用电磁轴承去支撑一个飞轮，我接到这个任务的时候就会觉得有点懵，高速电机、压缩机也好，无论功率大小，转子的大概结构基本一致，比如通常是细长形的。当我调研飞轮就发现很少见到两个一样的飞轮，或者两家公司选择一种结构，到目前为止好像还没有统一的形状，这样这个结构形式的多样化，就使得轴承的设计也存在适应性问题。另外由于磁轴承能在真空中运行，不需要各种密封问题，但是带来的问题就是真空密闭环境下的运行没有传热，只有固体传热和辐射传热，尤其大功率带来一些损耗发热和轮渡控制的问题，比如如果在大型压缩机里面，电磁轴承的功率损耗几十千瓦甚至上百千瓦人家不在意，但是在飞轮里面好像这是个很大的问题，阻力距问题，刚才说了尽管没有机械接触，但是没有彻底接触这个阻力，需要我们下工夫怎么来降低它的阻力距。高转速脱落效应，旋转机械必然存在脱落效应，但是飞轮特别强，需要控制。另外实际上由于储存了大量的能量，刚才有的专家也提到，安全性与可靠性防护的问题，不能出现灾难性事故。

应用现状实际上我简单调研一下，当然不再细说了，后面如果感兴趣可以由个附录。航天飞轮，小型储能支撑、大型储能飞轮支撑，移动基础飞轮支撑，小型磁悬浮飞轮，大型磁悬浮飞轮，另外实际上飞轮是一个老化体，拖拉机最早具有飞轮，但是现在飞轮包括飞轮电池，实际上是由于各种电力控制技术，磁轴承技术的发展，现在飞轮又回来了，有的提出叫飞轮电池。有可能就会存在大功率，比如兆瓦级的高速充放电过程中，这个过渡过程有可能会影响转子的稳定性。如果从电磁轴承的角度来看，在大型涡轮机械我们比它还落后一点点，因为他有将近三十年的运行历史，取得突破的效果。

后面重点给大家探讨一下，抛砖引玉，如果选用电磁轴承或者是混合磁轴承给磁轴承作为一个支撑解决方案它有什么样的技术要求？比如高真空环境下支撑部件包括转子的温度控制，我们知道常规电机有十几种，二十几种的工作机制，磁悬浮飞轮实际上也是一个高速电机，原来跟大家包括评审项目也讲过，储能飞轮可以没有磁轴承，但是不能没有电机，这样的话同样在真空环境下如果是大功率，99%的效率，那1%如果是大功率，它的损耗也不得了，在真空环境下怎么样温控，包括支撑。支撑功率也要极小化，包括刚才提到的阻力距，实际上它的阻力距最基本的来源是弱轮之力，也就是说我们现在还没有研制出来只导磁不导电的技术材料，这样在旋转过程中必然切割磁力线，就会形成涡流，反过来磁场就有情况，如果结构设计不合理就会形成阻力距，在飞轮里面尤其需要得到关注。严格来讲我感觉就是这样了，既要马儿跑得好，又要马儿不吃草，电磁轴承又要支撑飞轮稳定运行，又要少的能量供应，要求不一样。

由于陀螺效应比较强，实际上就是模态分杈，在转子动力学里面很早就开始分杈，如果超出控制带宽就会导致它的稳定性。另外还有一个问题，前面提到了功率还要小，实际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，如何去控制它的模态的稳定性，转子的稳定性。另外电磁轴承是由原轴承，不仅对转子动力学特性敏感，实际上对支撑的壳体的结构动力学也非常敏感。我们以前也发现包括在其他旋转机械里面换了一个基础，或者基础的紧固特性不一样的时候有可能也会导致转子失稳，如果作为移动基础的飞轮，比如车载飞轮选用磁悬浮，就可能会遇到一个支撑结构的问题，这是从技术要求问题。

另外一个就是一个共性问题，实际上电磁轴承是一个新兴支撑，如果一个机组选用电磁轴承，不仅仅是一个替代问题，就有可能是个改型，这样的话部件与总体就有很复杂的一个技术问题、理论问题，可能又包括政治问题和人事问题。结构多样化实际上目前还没有一个统一的设计方法，还有一个都希望结构紧凑，体积小，因为我们在不停地提高储能密度。所有的电力设备都希望小型化，在这里面可能会有电磁兼容性问题。

另外一个很重要的一个问题，就是说一个系统做好了以后，如何去评估它？它是否可以交付，交给用户使用？如何去验收？在旋转机械里面实际上也是正在发展的一个过程，但是可能在储能飞轮领域还是一个新话题。

可借鉴的东西，有关电磁轴承，ISO部门已经颁布了四个主要标准，但只是推荐的。从基本的名词到一些基本的要求。比较典型的应用性的标准就是API617，是美国石化行业的，他的第七版作为一个附件4F，把电磁轴承列到里面了，但是这只是一个信息性的，也只有几页，你只是考虑一下就可以了。第八版是这个，附件E，2014年颁布的，就变成了规范，如果供需双方商定采用这个规范，那么就要执行了。但是仔细研读以后发现里面至少有十几处是如果指定需要供需双方去商定一个结果，实际上也是一个正在发展的规范，但是它有些内容还是比较完整的。对于储能飞轮，尤其大功率储能飞轮，因为这些规范明确讲了只适用于功率大于16千瓦的旋转机械，如果大功率飞轮实际上是有一定的借鉴意义。

另外刚才也有人提到复合材料飞轮也是风生水起，得到了更多的关注，但是复合材料我第一次见到它的时候，如果给它设计一个支撑，我就会发现它变得更复杂了。第一个它的结构形式大部分基本就是圆筒的，不会出现金属材料各种形状，这样的话结构中存在一些轮毂，换句话说有薄壁结构，它的挠性就变得很大，在这里头它的动力学特性就变得很复杂了。包括扭转动力学，尤其大飞轮，当你强力充电和强力放电的时候，如果轮体体积过大，轮毂又比较薄的时候，在这个过程中由于力矩非常大，一定会发生扭转特性。这是一个我们做得实验例子，发现在这种模态下飞轮轮体并没有动，由于薄翘的特性，支撑开始发生偏转，因为轮体并没有动，但是这个时候的轴向，所谓的叠状振动也出来了，这是复合材料。另外一个高非线性，复合材料形成固体以后，它很多特征可以用固体力学来描述，但是不一样，导热差。还有一个它的模量小，实际上它的变形也比较大，换句话说如果飞轮体积足够大，转速足够高，转起来以后它的膨胀量非常大，轴向会缩短，这样它的惯量比就变化，导致动力学特性就变化，实际上复合材料飞轮有它的难度，要比储能飞轮大得多。

有技术问题，有基础理论问题，比如如果我们借鉴传统旋转机械，如何评价这样一个系统可以交付？如果选用了电磁轴承，现有的评价内容和手段是否可以采用？稳定性、电磁轴承转子包括混合磁悬浮轴承，它的稳定性有和传统的通用轴承、滚动轴承等等是有很大区别的。还有比如是基础理论问题还是技术问题，比如有时候转速就上不去，会遇到各种各样的问题，换个平台转子会有问题。保护轴承，有没有边界，磁悬浮有间隙，跟通用轴承比，我们的加工进度是否适当放宽，放宽到什么程度，还有反向模态问题。

这些问题深层次的挖一下实际上可能还是应该叫做磁轴承转子动力学或者陀螺力学，因为我们的陀螺力矩非常强，传统转子动力学它的五个主要议题就是比如横向转子动力学，机械平衡、稳定性、扭转动力学、轴向动力学，好像我们飞轮里面都要涉及，但是在这个基础上可能我们有共性问题也有不一样的问题，比如建模，飞轮和转子建模的时候，分析要素的主体一定是一致的，但是动力学模型和轴承因为有很复杂的模型，如何能够完美的耦合起来，因为我们建模的目标是为了预测，准确的描述它将来会发生什么，如果建模准确，我们就会准确描述，如果建模不准确，那只有参考意义。

还有我们输入的控制算法，或者叫人工智能在对应的钢度阻尼特性以及它不是一个常数，是随频率而变化的数，但是如何适应飞轮运行的范围？单机制造和批量制造，控制参数是不是完全一致？也存在一些问题。这样的话一旦建模完成了以后，我们的分析要素，比如自由转子、无阻尼临界转速、有阻尼不亿平衡响应分析，稳定性，这些问题在飞轮里面也躲不开。比如自由转子，自由转子就认为只有重力作用，没有支撑的转子，它的自然属性是什么样的，在产生支撑里面它只是一个洞察，我们为了描述它的自然状态，但是在磁悬浮飞轮里面由于可能有力自由控制，这个就不再细说了。另外如果转子发生了跌落，在没有碰到薄轴承之前它也是自由状态，它的力学特征什么样？会不会碰到其它动力，是不是造成损害，也是需要我们描述的。比如这个就是在跌落之前，如果碰到滚动轴承之前，是一个超临界转子，它可能的振动状态会是什么样，另外一个钢度曲线怎么来表述。

还有在传统的比如压缩机行业，实际上它的工作转速是有范围的，比如传统的50-100%，磁悬浮转子可以扩展到10-100%甚至105%，这里头实际上有利益驱动和经济驱动的，如果一个机组可以从10%-100%，实际上可以省机组了。但是在飞轮里面我们有充放电的深度问题，比如放一半，转速降一半75%放电深度，如果降1/3，90%，如果里面有模态，因为这个范围里面太大了，可能就把模态包括进去了，换句话说把某些临界转速包括在里面了。稳定性是否能保证？也是我们新的议题。

这个就不再细说了，利用磁轴承来简化我们的测试。稳定性，大问题，与传统轴承完全不一样，理论上磁悬浮转子如果控制不当可以在任意转速失稳。我换句话说如果磁悬浮转子有失温转速也许就是我们的控制没有做好，如何评价？如何去测试？这是ISO标准的建议方法，大家可以看一看，测试方法是带转速还是不带转速，这是刚才说的，虽然有规范但是并不完整，还需要我们做很多工作补充完善。

动力学的特殊性，基础问题，弹性基础对转子模态的影响，这个提醒大家一定要注意，飞轮的壳体我们都倾向于轻薄设计，但是如果它的动力学特性不太合理的时候，可能会影响转子的特征，就不再细说了，跌落的也不说了。从支撑的角度来看待飞轮，说了一些问题，算抛砖引玉，希望能为大家提供一个更好的之车作用，共谋发展，谢谢大家！