综述：低能耗磁悬浮飞轮电池系统关键技术研究

《Actuators》：Research on Key Technologies of Low-Energy-Consumption Magnetic Suspension Flywheel Battery Systems Zhibin Li, Xiaoyan Diao, Qianwen Xiang and Weiyu Zhang

　　

作为一种新兴的物理储能技术，磁悬浮飞轮电池具有工作效率高、使用寿命长、充电时间短等突出优势。然而，提高磁悬浮飞轮电池系统的能量转换效率并降低其整体能量损失，长期以来一直是实际应用中亟待解决的关键瓶颈技术。为促进中国绿色低碳能源转型，加快实现“双碳”目标，本文基于大量前沿研究，总结了飞轮电池系统的两个核心部件——磁轴承和飞轮电机，以及两个关键技术：拓扑结构和控制策略。随后，聚焦于进一步降低飞轮储能系统的能耗，从系统材料选择和智能集成控制等方面进行了技术展望，旨在为飞轮电池系统的低能耗运行提供研究方向。

在引言部分，研究人员指出磁悬浮飞轮电池作为物理储能技术具有高效率、长寿命和短充电时间等优势，但能量损失是应用瓶颈。为促进绿色低碳转型，论文基于五维评估框架（能量损失降低率、结构刚度、系统复杂性、环境适应性、工程适用性）总结了磁轴承和飞轮电机的拓扑结构与控制策略。

在低能耗磁轴承结构与控制章节中，2.1节讨论了低能耗磁轴承结构。混合磁轴承（HMB）利用永磁体提供偏置磁通，降低系统能耗。其中2.1.1节介绍了同极型HMB，其转子旋转时磁场大小变化而方向不变，转子涡流损耗低，适合超高速运行，但轴向长度较长增加了系统复杂性。2.1.2节介绍了异极型HMB，其磁极极性交替排列，具有轴向短、临界转速高的特点，通过辅助气隙设计可显著降低转子涡流损耗（如四极异极型HMB可减少75%的涡流损耗），且工程适用性较好。

2.2节聚焦低能耗磁轴承控制策略。2.2.1节描述零功率控制，旨在使线圈电流趋近于零，通过调整悬浮气隙平衡外力，降低控制电流损耗，但系统刚度较低，在高温（>120°C）下永磁体可能退磁，环境适应性受限。2.2.2节介绍零偏置电流控制，取消偏置电流以降低能耗，但非线性特性导致控制器设计复杂，动态性能较差。2.2.3节阐述可变偏置电流控制，根据转速调节偏置电流大小，在临界转速附近增大电流以缓解振动，远临界转速时减小电流，可降低总电流消耗超过25%，平衡了能耗与结构刚度。2.2.4节进行极端工况鲁棒性分析，针对高温、超高速和外部冲击等条件，讨论了永磁体退磁、非线性加剧及瞬态电流尖峰等问题，并提出了温度补偿、自适应非线性控制和交叉反馈控制等增强手段。

在低能耗飞轮电机结构与控制章节中，3.1节讨论电机结构。3.1.1节重点介绍低能耗磁悬浮开关磁阻电机（BSRM），其结合了磁轴承与开关磁阻电机，转子无永磁体，降低风阻和电磁损耗，结构简单且刚度高，适合高转速应用。风阻损失在80,000 rpm时占总损失的25–35%，论文提及了纵向沟槽屏蔽罩可降低18.5%的风阻损失，以及渐变气隙宽度设计可减少12.3%的风阻损失。3.1.2节介绍低能耗非晶合金电机，采用铁基非晶合金制造定子铁心，可降低约80%的铁心损耗，但材料脆硬导致加工困难；精密激光切割和复合改性等技术改善了其加工性，推动了在高转速飞轮系统中的应用。

3.2节讨论飞轮电机控制。3.2.1节总结BSRM控制，包括单相导通控制中的方波、最小磁动势和平均悬浮力策略，其中最小磁动势策略在高转速下铁损最低；还涉及两相导通的最小能耗控制策略，以及解耦控制（如神经网络逆系统法和极限学习机）以处理转矩与悬浮力耦合。3.2.2节介绍非晶合金电机控制，可采用最小铜损控制和改进的空间矢量脉宽调制（SVPWM）等策略，仿真验证了良好动态性能。3.3节进行系统级能耗综合分析，指出总能耗包括磁轴承损耗（转子涡流/磁滞损耗、定子铜耗）、电机损耗（铁耗、风阻损耗）、电力电子转换损耗和真空损耗（需维持10^-3 Pa以上真空度），通过各技术协同可显著降低整体能耗。

在结论部分，论文总结了异极型HMB在环境适应性和工程适用性方面表现平衡，可变偏置电流控制优化了能耗降低率与结构刚度，BSRM和非晶合金电机综合性能优异。未来展望部分指出，需设计更优拓扑结构、开发智能低能耗控制策略、应用高性能电机材料（如非晶合金的加工改进），以及建立精确BSRM模型和无传感器控制技术。