1.引言
　　隨著化石能源的枯竭，新能源發(fā)電特別是風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模正在快速攀升。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中存在的最大問題是風(fēng)力資源自身的隨機(jī)性、間歇性問題。儲能技術(shù)在很大程度上可以解決風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性、波動性問題，削峰填谷，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的平滑輸出，能有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，使大規(guī)模風(fēng)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)。飛輪儲能電池是一種新型的物理儲能電池，與傳統(tǒng)的化學(xué)電池相比，飛輪電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：較快的充電、放電速度；較長的使用壽命，一般比化學(xué)電池的壽命長5-10 倍；干凈、清潔，對環(huán)境無任何不良影響；儲能十分穩(wěn)定，儲能能力不因外界溫度等因素的變化而波動；具有很高的效率，總效率達(dá)到90% 以上。飛輪儲能的優(yōu)點(diǎn)贏得了人們對其研究的熱潮。目前儲能飛輪存在的一個主要問題是系統(tǒng)比較復(fù)雜，造價也比較高，因而降低飛輪系統(tǒng)的造價，推出經(jīng)濟(jì)實(shí)用型飛輪，具有重要的實(shí)際意義。本文給出一種新型的軸向磁場電機(jī)飛輪，用雙電機(jī)的磁場吸力差抵消飛輪自身的重量，實(shí)現(xiàn)飛輪的軸向懸浮，而軸向支承由永磁軸承實(shí)現(xiàn)。這種形式的飛輪結(jié)構(gòu)緊湊簡單，可靠性高，造價低，可大規(guī)模應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。
　　2.飛輪- 電動/ 發(fā)電- 磁懸浮一體化設(shè)計(jì)

飛輪電池的釋能、儲能兩種功能都是由電機(jī)系統(tǒng)完成的。飛輪在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖如圖1 所示。當(dāng)風(fēng)速變化時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率隨之變化，發(fā)電機(jī)電流iG發(fā)生變化；當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動時，負(fù)載電流iL將發(fā)生擾動，因而直流電壓Edc 也隨之波動。當(dāng)Edc 上升時，飛輪儲能電池的電機(jī)運(yùn)行于電動狀態(tài)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能儲存于飛輪中。當(dāng)Edc 下降時，飛輪儲能電池的電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，將儲存于飛輪中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能補(bǔ)償給整個系統(tǒng)。這樣，通過飛輪的不斷吸能、放能來達(dá)到維持直流側(cè)電壓Edc在預(yù)定范圍內(nèi)的目的。
　　飛輪儲能系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)快速充電、放電，飛輪儲能系統(tǒng)工作在高速模式，采用軸向磁場永磁同步電機(jī)。軸向磁場電機(jī)具有軸向尺寸短、重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。由于采用永久磁鋼激磁，轉(zhuǎn)子無損耗，電機(jī)運(yùn)行效率高。由于定、轉(zhuǎn)子對等排列，定子繞組具有良好的散熱條件，可獲得很高的功率密度，并具有優(yōu)越的動態(tài)性能。pagebreak]
　　減小永磁體的徑向尺寸可成比例地減小其受到的徑向離心力。在電機(jī)功率一定的情況下，可采用雙電機(jī)形式，即飛輪的上、下表面各嵌一臺電機(jī)，這樣在永磁體切向尺寸不變的情況下，徑向尺寸可減小為原來的一半。這種形式可看作是由兩個分開的單氣隙軸向磁場電機(jī)組成（上電機(jī)和下電機(jī)）。兩個電機(jī)各自具有自己的定子、轉(zhuǎn)子、永磁體和繞組，它們的轉(zhuǎn)子對稱地固接在兩個電機(jī)中間的飛輪上。上、下電機(jī)定子上都嵌裝有自己的三相繞組，上、下三相繞組的對應(yīng)相串連在一起，這樣就可以只使用一臺電力電子變換器來驅(qū)動電機(jī)。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在飛輪儲存能量狀態(tài)下，電機(jī)處于電動狀態(tài)，給飛輪轉(zhuǎn)子提供力矩；在飛輪釋放能量狀態(tài)下，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，向蓄電池等提供能量。

3. 軸向磁懸浮控制器
　　為了提高飛輪存儲的效率，高速飛輪的支承系統(tǒng)需要采用磁懸浮軸承。對于立式轉(zhuǎn)子飛輪，設(shè)轉(zhuǎn)子重心相對平衡位置有一豎直向上的位移z，此時轉(zhuǎn)子飛輪受到的總電磁轉(zhuǎn)矩為上下電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩之和，即

　　其中A_s 為定子磁極面積，N_s 為定子線圈匝數(shù)，p 為電機(jī)極對數(shù)，N_f1 和N_f2，i_f1 和i_f2分別為上下電機(jī)永磁體的等效勵磁繞組匝數(shù)和勵磁電流，i_q1 和i_q2 為上下電機(jī)的交軸電流。上下定子線圈串聯(lián)，i_q1=i_q2。因?yàn)閦10，g₂₀，忽略z 得：