飞轮储能系统电机转子散热研究进展.pdf
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1、第 12 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.12 No.10Oct.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology飞轮储能系统电机转子散热研究进展焦渊远1,王艺斐1,戴兴建1,张华良1,陈海生1,2(1中国科学院工程热物理研究所,北京 100190;2中国科学院大学,北京 100049)摘 要:电机是飞轮储能系统实现电能-动能转换的关键部件,其小体积、大功率的设计特点以及真空运行环境导致电机转子温升问题突出,常规的定子水套冷却已不能满足高功率密度电机转子的散热降温需求。本文首先阐述了飞轮储能电机转子发热的原因及危害,分析了转子涡流损
2、耗、电机温度场的计算方法。回顾了飞轮电机转子被动冷却、主动冷却的研究进展,其中被动冷却包括热辐射与导热,主动冷却包括空心轴内通流冷却与热管冷却,并评估了各种方法的飞轮储能适用性。综合分析表明,强化电机定、转子内部绝缘材料导热以及增强热辐射可以一定程度上防止电机内部热量积聚,降低电机的温度梯度;热管易于安装、集成度高、传热性能优异,但其随轴的旋转传热缺乏验证;空心轴内流冷却技术成熟度高、设计制造简单、传热效果好,可作为高功率密度飞轮电机转子冷却的首选方案。针对MW飞轮储能电机转子散热难题,提出了中空轴内通流冷却的新方案。关键词:飞轮储能系统;电机转子;散热系统;空心轴通流冷却;热管doi:10.
3、19799/ki.2095-4239.2023.0261 中图分类号:TK 02 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)10-3131-14Overview of the motor-generator rotor cooling system in a flywheel energy storage systemJIAO Yuanyuan1,WANG Yifei1,DAI Xingjian1,ZHANG Hualiang1,CHEN Haisheng1,2(1Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of
4、Sciences,Beijing 100190,China;2Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:Motor-generators(MGs)for converting electric energy into kinetic energy are the key components of flywheel energy storage systems(FESSs).However,the compact diameters,high-power design features of MGs,and vacuum
5、 operating settings of FESSs cause the MG rotors temperature to increase,leading typical cooling water jackets to fail in meeting the heat dissipation needs of high-power density MG rotors.This study expands upon the causes of and harm generated by the heat production of FESS MG rotors and analyzes
6、the calculation methods for the rotor eddy current losses and MG temperature fields.Moreover,this work also presents research progress on the passive and active cooling of MG rotors.Note that passive cooling includes heat radiation and conduction,while active cooling include shollow shaft fluid and
7、heat pipe cooling.The applicability of the methods provided in the FESS is evaluated.The heat buildup can be preventedup to a point.The temperature 储能系统与工程收稿日期:2023-04-25;修改稿日期:2023-05-31。基金项目:内蒙古重大科技专项(2020ZD0017),中国科学院先导专项(XDA21070303)。第一作者:焦渊远(1999),男,硕士研究生,研究方向为飞轮储能系统,E-mail:;通信作者:戴兴建,研究员,研究方向为飞
8、轮储能系统,E-mail:。引用本文:焦渊远,王艺斐,戴兴建,等.飞轮储能系统电机转子散热研究进展J.储能科学与技术,2023,12(10):3131-3144.Citation:JIAO Yuanyuan,WANG Yifei,DAI Xingjian,et al.Overview of the motor-generator rotor cooling system in a flywheel energy storage systemJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(10):3131-3144.2023 年第 12 卷储能科学
9、与技术gradients inside MGs can also be lowered by improving the heat conduction of the insulation materials inside the stators and rotor sand enhancing thermal radiation.Heat pipes have a simple installation,high integration,and excellent heat transfer performance.Unfortunately,the heat transmission ef
10、fects cannot be proven while the shafts spin.The hollow shaft fluid cooling technology has avery mature,straight forward design and construction and a good heat transfer effect;hence,it can be used as the first choice for the rotor cooling of MGs with high-power density flywheels.Finally,a fresh hol
11、low shaft flow cooling system is put forth to solve the heat dissipation issue in MW FESS MG rotor cooling.Keywords:flywheel energy storage system;motor/generator rotor;heat dissipation system;hollow shaft fluidcooling;heat pipe2022年8月,科技部等九部门联合印发了科技支撑碳达峰碳中和实施方案(20222030年),提出化石能源有序替代,推动能源绿色低碳安全高效转型1
12、。我国电力系统加快向清洁低碳方向转型,以风能、太阳能为主的清洁能源发电占比逐年增加2-3。然而,新能源发电波动性、随机性大,存在间歇性,其大规模并网将改变电网的电压和频率,降低电网可靠性,严重影响电力系统的安全、稳定运行4-5。储能技术由于能够弥补可再生能源的间歇性缺陷,增加电力调配的弹性、改善电力质量、提升电压稳定性,越来越受到学术及新兴产业界的关注6。其中,飞轮储能系统瞬时功率大、响应速度快、使用寿命长、效率高,是目前最适合应用于电力系统的短时高频大功率物理储能技术之一7-10。飞轮储能系统主要由飞轮、电机、轴承、密封腔、充放电控制器等组合而成,如图1所示,其作用是实现电能的输入、储存及输
13、出。飞轮系统储能时,电能输入电机,此时电机作电动机运行,带动飞轮高速旋转,将电能转化为旋转能储存起来;释能时,控制器调节飞轮电机转速降低,此时电机作为发电机运行,将飞轮动能转化为电能输出10。由上述工作原理可知,电机是飞轮储能系统的重要组成部分,系统正常工作依赖于电机的双向变速运行。飞轮储能电机主要包括异步电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机和感应子电机9,其功率为1003000 kW,以适应不同的应用场景,其转速需要与飞轮、轴承协调考虑。国内外主要的飞轮储能系统研究进展及商业化应用如表 1、表 2所示11-12。电机技术的难点在于宽转速区间稳定和高效率(96%以上),高功率密度的电机转子的圆
14、周切线速度高达150300 m/s,转子、永磁体结构强度问题突出,转子长径比、飞轮大质量、强陀螺效应所引出的动力学问题增加了变速运行难度13,特别是真空运行条件下,转子的温升成为电机性能的决定性因素,制约了电机功率以及功率密度的提升14。本工作将分析电机转子产热的原因及危害,并给出当前电机转子散热的研究进展,针对MW飞轮储能电机转子散热难题,提出了中空轴内通流冷却的新方案。1 电机转子热源问题1.1发热原因及危害电机作为电磁-机械能量转换系统,运行过程中不可避免地会产生能量损耗。电机的损耗包括欧图1飞轮储能系统示意图Fig.1Schematic diagram of FESS3132第 10
15、期焦渊远等:飞轮储能系统电机转子散热研究进展姆损耗(I2R损耗)、机械损耗、空载铁芯损耗以及负载杂散损耗,这些损耗绝大部分将转化为电机系统热源,引起电机发热15。飞轮电机的结构与内部热路如图2所示,对电机内部热源尤其是转子,外壳和绕组端部与其之间的传热路径长、接触热阻大、存在高热阻的气隙16,系统运行过程中产生的热量无法及时排出,导致电机内部温度过高。随着高速电机在飞轮储能系统中越来越广泛地应用17,其高功率密度将导致电机转子散热更加困难、温升增加14。电机温度过高,将严重缩短绝缘材料寿命,降低电机的运行效率;使电机绕组阻值增加,进一步增加电机损耗;影响金属材料的力学性能,导致电机机械损坏13
16、;对于永磁电机,还将导致永磁体不可逆退磁,使飞轮储能系统可用性降低18-19。1.2电机损耗计算为设计高效可靠的散热系统,有必要准确获取电机的热损耗功率。飞轮储能电机损耗主要包括电机定子铁损、定子铜损以及转子涡流损耗。根据Bertotti铁耗分立计算模型,定子的铁损为:PFe=Ph+Pc+Pe=khfB2p+kcf2B2p+kef1.5B1.5p(1)式中,PFe为定子铁损,Ph为磁滞损耗,Pc为涡流损耗,Pe为附加损耗;kh、kc与ke分别为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗系数,Bp为磁通密度幅值,f为定子电流基频。对于飞轮用永磁同步电机的铁耗计算,还应考虑电流谐波以及旋转磁化的影响9。电机定子
17、铜损是电流经过定子绕组时因电阻发热产生的损耗,其计算公式为:PCu=3I2R(2)式中,PCu为定子铜损,I为相电流有效值,R图2电机结构与内部热路示意图Fig.2Schematic diagram of MG structure&internal thermal circuit表1飞轮储能系统研究进展Table 1A summary of FESS research groups研究小组阿尔伯塔大学得克萨斯大学奥斯汀分校得克萨斯农工大学弗吉尼亚大学哈尔滨工程大学汉阳大学华北电力大学(北京)华中科技大学加州大学伯克利分校江苏大学伦敦大学学院铁道技术研究所维也纳工业大学乌普萨拉大学谢菲尔德大学国
18、别加拿大美国美国美国中国韩国中国中国美国中国英国日本奥地利瑞典英国转子材料复合材料钢复合材料复合材料复合材料复合材料钢钢复合材料复合材料复合材料E/kWh13010011035502.780.14510050.86710P/kW20001005003503013010300500应用铁路铁路电网风电/车辆风电/电网风电车辆可再生能源电网表2商业化飞轮储能系统Table 2A summary of commercial FESS systems制造商Active PowerAdaptive Balancing PowerAmber KineticsBeacon Power Gen 4Boeing
19、Calnetix/VyconCaterpillarDynamic Boosting SystemGerotorGKN Hybrid PowerGyrotricityHelix PowerHitachi ABBKinetic Traction SystemsLevistor FlywheelOxto EnergyPiller GroupPower ThruPunch FlybridRicardo TorqStorRosetta T2RotonixStorneticTemporal PowerVycon北京泓慧华驰动能深圳坎德拉转子材料钢复合材料钢复合材料复合材料钢钢复合材料钢复合材料复合材料钢钢
20、复合材料钢复合材料复合材料复合材料复合材料钢钢钢钢E/kWh2.8312322550.5250.0650.4452557.52.90.630.1670.0564124501.743512535P/kW6754008100312567550120100100020003331006562519010150011002210050035010005001000应用多方向车辆多方向调频UPSUPS车辆调频/铁路电网风电多方向多方向多方向UPS多方向车辆能量回收多方向电网/铁路调压多方向多方向多方向多方向31332023 年第 12 卷储能科学与技术为相电阻。随着永磁电机转速的提高,电机绕组会由于高频
21、电流产生附加损耗20;此外,受集肤效应和邻近效应的影响,绕组的等效载流截面积将减小、交流等效电阻增大,导致铜损增加。相比于定子铁损与铜损,转子的涡流损耗占比较小,产生损耗的原因主要分为三类:由槽的存在引起的空载转子涡流损耗,由绕组磁动势的谐波(又称空间谐波)引起的负载转子涡流损耗,以及由脉宽调制(PWM)产生的相电流时间谐波引起的负载转子涡流损耗21。其中,减小槽开度,增大定转子磁隙,可以降低空载转子损耗;增加每极的槽数、使用分数绕组,可以减少由绕组的空间谐波引起的转子损耗;提高开关频率、使用外部线路电感,可以降低由相电流的时间谐波引起的转子损耗22。涡流损耗的计算较为复杂,主流方法包括解析法
22、和有限元法。解析法按类型可分为等效磁路法、磁势乘磁导法和精确子域法。基于精确子域法,文献23-26考虑了涡流反作用、负载磁场、齿槽效应等影响涡流损耗的因素,在兼顾计算速度的同时提高了计算精度。解析法易于分析计算,但建模过程中包含了大量的假设与简化;有限元法需要确定精细的网格与时间步长27,但计算时可以考虑材料非线性、端部漏磁等因素对转子涡流损耗的影响,以获得较高的计算精度28-29。1.3温度场分析Huynh等22采用等效热网络法计算了飞轮储能系统的热分布。在50 kW工况下循环65 s时,永磁体和定子的温度变化如图3所示。绘制了65 s时的稳态温度分布图,如图4所示。采用该方法计算了500
23、kW简化飞轮系统温度场,根据电机损耗分布和计算公式绘制了LPTN节点图,如图5(a)所示,在此基础上,计算获得了飞轮系统温度分布图如图5(b)所示,转子的最高温度达266。采用空心轴内通流冷却方式冷却飞轮系统电机转子计算结果如图5(c)所示,相比于无轴冷的飞轮系统,带轴冷的飞轮系统转子温度降低了约126,初步说明了轴内通流冷却方案的可行性。2 电机转子散热研究进展为保证电机的高效、稳定运行,迫切需要采取措施降低电机温升。电机的主要构成为定子(及定子绕组)与转子,两者之间存在气隙,需分别入手进行冷却。电机定子紧邻机壳,传热热阻小,常规的散热手段包括风冷、水冷、油冷及相变(热管)冷却等15。其中,
24、水套冷却是最常用的冷却方式,通过电机周围闭合管路中的冷流体循环带走定子及绕组的热量。为选定最合适的水套冷却方案,Kulkarni等30通过实验量化了定子叠片与水套间的接触热阻。图6展示了几种常见的冷却流道,在此基础上,更高效的冷却流道设计形式多样31。除水套冷却外,研究人员亦设计了多种先进的定子冷却技术。文献32设计了端部绕组冷却技术,在定转子与两侧端盖间设置超薄玻璃纤维套管,通过管内导热油循环直接冷却端部绕组。Xie等33将槽内直接冷却技术应用于电机,通过优化冷却设计提高了电机在冷却和电磁方面的性能。不同于定子,电机转子位于密封腔中,高真空环境阻碍了转子散热;系统运行时转子高速旋转,附加散热
25、装置亦存在很高难度。针对高速电机的热量积聚问题,一方面需改进电机设计,降低转子损耗,强化电机内部导热及定转子辐射换热;另一方面,设计配套的转子冷却系统,以降低转子温升,延长电机寿命34。文献35-36通过改造定子水套冷图3永磁体和端部绕组的温度变化Fig.3The temperature variation of permanent magnet&end winding图4稳态温度分布Fig.4Steady state temperature distribution3134第 10 期焦渊远等:飞轮储能系统电机转子散热研究进展却装置,构建布置在外壳、端盖及空心轴的多水道冷却系统冷却转子。除水
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