高溫超導（以下簡稱超導）體具有很多優良特性，其中抗磁性和磁通釘扎特性可以實現無源自穩定懸浮，因而備受矚目。目前超導體及相關技術越來越多地應用于工業領域中，而超導飛輪儲能系統和磁懸浮車（Maglev）被認為是最具潛力的超導裝備之一。

超導飛輪儲能系統（Supercon- ducting Flywheel Energy Storage System, SFESS）除了具有常規飛輪儲能系統的高儲能密度、高轉換效率、大功率密度、長壽命、短時充電以及綠色環保等優點外，其超導磁懸浮所具有的無源自穩定性，使懸浮軸承完全省去了外部控制。超導飛輪儲能系統能夠應用到風力發電、太陽能發電以及電力系統中，必將對未來的電網產生深遠影響。

在過去的二十年里，國內外已經成功地研制出多款超導飛輪儲能系統樣機。

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

2006年日本國際超導產業技術研究中心（ISTEC）研制了1臺10kW?h/100kW超導飛輪儲能系統，采用1個徑向型超導軸承（外轉子型）和2個有源軸承懸浮轉子來抑制振動。ISTEC改進了冷卻系統結構，采用中心軸冷卻超導塊材，并詳細研究了系統的整體損耗。

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

2016年，日本的古河電氣公司（Furukawa Electric Corporation, FEC）研發了1臺300kW的超導飛輪儲能系統，其超導軸承的定轉子均由超導材料制成，即定子采用REBa2Cu3Oy超導帶繞制，轉子由YBa2Cu3Oy制成盤狀，其懸浮質量達到4t。到目前為止，該系統已應用于鐵路電力網中。

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

2001年，中科院電工所研制了1臺混合型超導飛輪儲能系統，包含1個軸向型超導軸承和2個有源軸承。課題組對徑向型超導軸承和超導飛輪儲能系統的結構進行了相關研究：研究永磁轉子的磁場特性、優化軸承結構、建立有限元數學模型分析懸浮特性、利用3D測試平臺測量軸承懸浮和徑向剛度以及設計與優化低溫泵的軸承結構等。

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

1 樣機設計

超導飛輪儲能系統樣機結構如圖1所示，其主要部件包括增強型復合材料制成的質量為3kg的飛輪、2kW無刷永磁直流電機、徑向型超導軸承、保護軸承以及提供真空環境的真空腔。樣機設計參數見表1。整個系統固定在支撐臺上，真空腔與臺面之間用螺栓固定。

飛輪本體和超導軸承永磁轉子均套裝在主軸上，轉子的套裝順序應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力緊密結合在一起。

在裝配超導軸承的永磁轉子時，由于永磁環的裝配采用同極相對的方式，從而產生了較大的斥力，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用軸套卡緊，防止在主軸高速旋轉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。

電機軸通過柔性聯軸器與主軸連接，在確保同軸度的情況下通過聯軸器驅動飛輪轉子旋轉。當系統停止工作時，轉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構和參數。

圖1 超導飛輪儲能系統樣機結構

表1 樣機設計參數

1.1 飛輪本體

飛輪是儲能系統的核心部件之一，是承載能量的部件，這就要求其結構設計必須在有限的體積或質量下提高轉動慣量和角速度，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合材料。飛輪形狀主要采用多層空心圓柱狀和環狀，此外還有紡錘狀和傘狀等。本樣機的飛輪本體結構與轉子3D圖如圖2所示。

飛輪本體主要由玻璃纖維、碳纖維增強復合材料和鋁合金輪轂組成（見圖2）。飛輪質量為3kg，其外徑為160mm，內徑為20mm，轉動慣量（J）和設計轉速分別為0.052kg?m2和20000r/min。當轉子轉速為10000r/min（即額定轉速）時，根據公式，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 飛輪本體結構和轉子3D圖

在設計轉速20000r/min下對飛輪在旋轉載荷下的徑向應力、徑向位移以及環向應力進行仿真，計算結果見表2。結果表明飛輪外徑徑向變形、最大環向拉壓應力以及最大徑向拉壓應力等參數完全滿足設計要求。

表2 參數計算結果

1.2 徑向型超導軸承

本樣機的軸承系統由1個徑向型超導軸承和3個機械軸承組成，超導軸承的作用是懸浮轉子并抑制其徑向振動，保護軸承的作用是使轉子不受徑向和軸向損壞。徑向型超導軸承結構如圖3所示。

圖3 徑向型超導軸承結構：3D外形和2D截面

永磁轉子由6塊NdFeB永磁環和7片1J22聚磁鐵環組成。永磁環軸向磁化，同極性相對。永磁環和聚磁鐵環均套裝在無磁不銹鋼主軸上，永磁環與聚磁鐵環一一交疊排列放置，兩端用螺母夾緊固定。永磁環尺寸為：外徑37mm，內徑20mm，高度8mm。

聚磁鐵環外徑和內徑均與永磁環相同，厚度為2mm。經測量，中部的聚磁鐵環表面剩磁為0.85T，兩端部的聚磁鐵環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定子，分別采用灌封和粘接的方法。采用灌封法制作的超導定子（簡稱為灌封超導定子，同理簡稱為粘接超導定子）主要由YBCO超導塊材、316L不銹鋼杜瓦、熱沉以及內壁等器件組成。采用32塊超導塊材堆疊成4層超導環，在超導環之間墊有氮化鋁片以增強導冷效果，熱沉為紫銅制成。

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

圖4 灌封超導定子及其灌封過程

粘接超導定子的內壁和底座的材質為無磁不銹鋼材質。為了定位和疏導液氮，分別設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計有鋸齒狀的凹槽即導流槽，液氮可以從導流槽流到超導塊材底部和頂部，增加了超導塊材的冷卻面積。

底部托盤和中間托盤均用環氧樹脂材料制成，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塊超導塊材組成3層超導環，粘接超導定子如圖5所示。

圖5 超導塊材粘接后的3D效果圖及粘接超導定子

1.3 電機及測控系統

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

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；另一類采用結構簡單的永磁電機。后者轉子結構簡單，機械強度高，可以達到很高的轉速，并且在轉子上幾乎沒有損耗，不發熱。而這些特點非常適合超導飛輪儲能系統結構和運行條件，所以永磁電機越來越多地被選為驅動飛輪主軸的動力機構。

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

基于樣機自身結構和被測物理量的特點設計了相應的測控單元，在上位機進行匯總及綜合監控，構成了整個測控系統。本測控系統實現了對樣機主軸的徑向位移、軸向位移、飛輪轉速及運行狀態、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

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

2.2 徑向型超導軸承電磁特性分析

本文采用H-法建立有限元數學模型來分析該樣機超導軸承的電磁特性。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塊材的邊緣部分，這也是在樣機運行期間超導塊材邊緣易產生裂紋的原因之一。這種情況對外轉子型的徑向型超導軸承影響較大，對應移動距離為6mm、8mm和10mm時的感應電流的數值和面積較大，表明在這些位置上的懸浮力較大。

3 轉子動態旋轉測試及其特性分析（略）

3.1 轉子自由旋轉特性分析

對于超導飛輪儲能系統而言，轉子旋轉造成的損耗主要來自以下四個方面：①電機轉子產生的電樞及外殼中的渦流損耗和磁滯損耗；②不銹鋼杜瓦和內壁的渦流損耗；③聚磁鐵環的渦流損耗；④由永磁轉子產生的超導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，可以采取降低超導塊材的冷卻溫度（過冷法）或使用具有相似物理性質的超導塊材等方法有效減少。

3.2 飛輪轉子動態徑向振動特性

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

結論

本文建立了一臺小型徑向型超導飛輪儲能系統樣機，測量了兩種超導定子的懸浮力。采用所建立的數學模型對其超導軸承的磁場和電流分布進行了研究，結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：一種是在永磁轉子和超導定子之間（徑向）；另一種是在相鄰兩個超導環之間（軸向）。

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

本樣機能夠實現飛輪的靜動態超導磁懸浮、充電和放電等功能，為下一步研制大型超導飛輪儲能系統提供了重要的設計依據。