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1.引言
随着化石能源的枯竭，新能源发电特别是风力发电的规模正在快速攀升。风力发电技术中存在的最大问题是风力资源自身的随机性、间歇性问题。储能技术在很大程度上可以解决风力发电的随机性、波动性问题，削峰填谷，可以实现风力发电的平滑输出，能有效调节风力发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电方便可靠地并入常规电网。飞轮储能电池是一种新型的物理储能电池，与传统的化学电池相比，飞轮电池具有如下优点：较快的充电、放电速度；较长的使用寿命，一般比化学电池的寿命长5-10 倍；干净、清洁，对环境无任何不良影响；储能十分稳定，储能能力不因外界温度等因素的变化而波动；具有很高的效率，总效率达到90% 以上。飞轮储能的优点赢得了人们对其研究的热潮。目前储能飞轮存在的一个主要问题是系统比较复杂，造价也比较高，因而降低飞轮系统的造价，推出经济实用型飞轮，具有重要的实际意义。本文给出一种新型的轴向磁场电机飞轮，用双电机的磁场吸力差抵消飞轮自身的重量，实现飞轮的轴向悬浮，而轴向支承由永磁轴承实现。这种形式的飞轮结构紧凑简单，可靠性高，造价低，可大规模应用于风力发电系统中。
2.飞轮- 电动/ 发电- 磁悬浮一体化设计
飞轮电池的释能、储能两种功能都是由电机系统完成的。飞轮在风力发电系统中的应用框图如图1 所示。当风速变化时，风力发电机的输出功率随之变化，发电机电流iG发生变化；当负载发生波动时，负载电流iL将发生扰动，因而直流电压Edc 也随之波动。当Edc 上升时，飞轮储能电池的电机运行于电动状态，将电能转换成机械能储存于飞轮中。当Edc 下降时，飞轮储能电池的电机运行于发电状态，将储存于飞轮中的机械能转换成电能补偿给整个系统。这样，通过飞轮的不断吸能、放能来达到维持直流侧电压Edc在预定范围内的目的。
飞轮储能系统的特点是可以实现快速充电、放电，飞轮储能系统工作在高速模式，采用轴向磁场永磁同步电机。轴向磁场电机具有轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑等特点。由于采用永久磁钢激磁，转子无损耗，电机运行效率高。由于定、转子对等排列，定子绕组具有良好的散热条件，可获得很高的功率密度，并具有优越的动态性能。pagebreak]
减小永磁体的径向尺寸可成比例地减小其受到的径向离心力。在电机功率一定的情况下，可采用双电机形式，即飞轮的上、下表面各嵌一台电机，这样在永磁体切向尺寸不变的情况下，径向尺寸可减小为原来的一半。这种形式可看作是由两个分开的单气隙轴向磁场电机组成（上电机和下电机）。两个电机各自具有自己的定子、转子、永磁体和绕组，它们的转子对称地固接在两个电机中间的飞轮上。上、下电机定子上都嵌装有自己的三相绕组，上、下三相绕组的对应相串连在一起，这样就可以只使用一台电力电子变换器来驱动电机。电机结构如图2 所示。在飞轮储存能量状态下，电机处于电动状态，给飞轮转子提供力矩；在飞轮释放能量状态下，电机处于发电状态，向蓄电池等提供能量。
3. 轴向磁悬浮控制器
为了提高飞轮存储的效率，高速飞轮的支承系统需要采用磁悬浮轴承。对于立式转子飞轮，设转子重心相对平衡位置有一竖直向上的位移z，此时转子飞轮受到的总电磁转矩为上下电机的电磁转矩之和，即
其中As 为定子磁极面积，Ns 为定子线圈匝数，p 为电机极对数，Nf1 和Nf2，if1 和if2分别为上下电机永磁体的等效励磁绕组匝数和励磁电流，iq1 和iq2 为上下电机的交轴电流。上下定子线圈串联，iq1=iq2。因为z10，g20，忽略z 得：
