清華大學(xué)教授趙雷：電磁軸承有些特殊性，也是一個(gè)新軸承，可能最近幾年由于技術(shù)的進(jìn)步，越來越得到儲(chǔ)能飛輪的青睞，但是也存在一些新問題，所以我今天重點(diǎn)跟大家探討一些問題和一些思考，主要這么幾方面內(nèi)容：
軸承基本特點(diǎn)，儲(chǔ)能飛輪應(yīng)用研究，包括一些情況，包括后面還有一些重要議題和一些思考。
首先實(shí)際上利用次晨作為一個(gè)支撐是一百多年前就有這樣一個(gè)夢(mèng)想，借助自然界的磁現(xiàn)象人類探索成果的積累，可以主動(dòng)控制磁場(chǎng)從而有效的加以利用。如果按照懸浮的方式分類有這么三種：電磁軸承這是利用主動(dòng)磁場(chǎng)，還有一種永磁軸承，這個(gè)可能很早，甚至我們童年都有過這樣的接觸，就是我們玩過的磁鐵，中國(guó)是稀土大國(guó)，永磁得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。另外一個(gè)就是超導(dǎo)磁軸承也是磁懸浮的一種，中間三頁(yè)不是空白，實(shí)際上是一個(gè)混合軸承，尤其在儲(chǔ)能飛輪領(lǐng)域可能得到更多的關(guān)注。
電磁軸承簡(jiǎn)單介紹一下，它實(shí)際上是利用電磁引力來實(shí)現(xiàn)一個(gè)被支撐體的懸浮，首先軟磁材料這是轉(zhuǎn)子部分，把信號(hào)反饋給信號(hào)處理系統(tǒng)以及功率系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)這個(gè)方向的懸浮，如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整懸浮還需要另一個(gè)方向。做成實(shí)物就是這個(gè)樣子，這是一個(gè)鏡像軸承，這也是一個(gè)鏡像軸承，也有指推軸承或者軸向軸承。永磁軸承就不說了，我們常見，超導(dǎo)軸承也是一種，實(shí)際上超導(dǎo)體一旦形成，在低溫形成超導(dǎo)態(tài)實(shí)際上有兩種最基本特征：一是電阻為零，二是完全的抗磁性，它的主要特點(diǎn)就是說在常規(guī)下磁場(chǎng)是可以穿過的，但一旦形成超導(dǎo)態(tài)，它會(huì)把磁場(chǎng)擠出來，這樣在它的內(nèi)部和邊界形成一種場(chǎng)的梯度，這樣就會(huì)形成一個(gè)很大的作用力，在超導(dǎo)里面叫做定軋力（音），這個(gè)物體就會(huì)被定在這兒，如果將來的高溫超導(dǎo)或者常溫超導(dǎo)一旦實(shí)現(xiàn)，我們的支撐問題可能就會(huì)得到一個(gè)長(zhǎng)足的進(jìn)步，你想它的結(jié)構(gòu)就變得很簡(jiǎn)單了，而且不需要更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這是超導(dǎo)懸浮。渦輪機(jī)械電磁軸承領(lǐng)域應(yīng)用的更多一些，工業(yè)領(lǐng)域，在咱們飛輪里面也許會(huì)得到一個(gè)比較重要的關(guān)注。
剛才是講軸承，如果一個(gè)完整的轉(zhuǎn)子要想實(shí)現(xiàn)磁懸浮的支撐，顯然選擇一個(gè)鋼體，六個(gè)自由度，其中旋轉(zhuǎn)需要其他方面來控制，其他五個(gè)方面完全需要電磁支撐來部分。中間是電機(jī)就是高速電機(jī)，如果是渦輪就是渦輪機(jī)械，如果是飛輪就是飛輪，這樣一個(gè)完整的轉(zhuǎn)子就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)懸浮功能。主要特點(diǎn)和常規(guī)軸承不一樣：
第一，由于它徹底消除了機(jī)械接觸，所以應(yīng)該叫無摩擦、無磨損，徹底的無磨損，因?yàn)闆]有機(jī)械接觸，微摩擦什么意思？實(shí)際上是一個(gè)學(xué)術(shù)名詞，它不是物理的摩擦，實(shí)際上是場(chǎng)和渦流合或者是電流輪支力的摩擦，這需要飛輪儲(chǔ)能關(guān)注的。比如高速運(yùn)行轉(zhuǎn)子可以突破支撐的瓶頸，低損耗，另外一個(gè)是由于沒有磨損，它的長(zhǎng)壽命。還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，沒有了支撐的介質(zhì)需要，無需潤(rùn)滑也不需要密封，因而就可以在任意介質(zhì)中工作，如果真空也算是介質(zhì)的話可以真空運(yùn)行，所以更重要的特點(diǎn)也許是儲(chǔ)能飛輪青睞的解決方案，它應(yīng)該不是唯一但是是一個(gè)很重要的解決方案之一。
另外一個(gè)電磁軸承它的控制是人為設(shè)計(jì)的，因而人工智能就有機(jī)會(huì)加入到它的系統(tǒng)里面去，我們就有這樣的接口。比如說現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的過臨界隔振減振，包括步頻控制都應(yīng)該是電磁軸承的很重要的特點(diǎn)。
剛才是優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際上它還有一些局限性：一是會(huì)飽和，因而電磁軸承的過載能力比較弱，一旦出現(xiàn)了飽和沒有過載能力，但是如果載荷設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確，電磁軸承完全可以滿足應(yīng)用。二是受驅(qū)動(dòng)功率限制，如果頻率太快，驅(qū)動(dòng)功率不夠可能響應(yīng)不過來，這是需要設(shè)計(jì)問題。三是懸浮的代價(jià)，金屬嫌它慢，想把它扶起來，扶起來就有掉下來的可能，這樣需要一個(gè)專設(shè)的防護(hù)措施，但是其實(shí)這種問題到目前為止在天然機(jī)壓縮機(jī)行業(yè)，在歐美有這樣的機(jī)組已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了20多年了，沒有出現(xiàn)過跌落事件，實(shí)際上這只是個(gè)概率事件而已，如果這個(gè)專設(shè)的防護(hù)措施我們?nèi)菀兹バ藁蛘呤翘鎿Q或者是維護(hù)，它也不是很重要的一個(gè)問題。四是電磁軸承在很多方面還缺乏一些工作，下面細(xì)說。
如果把電磁軸承或者混合軸承也好，選做儲(chǔ)能飛輪的解決方案，實(shí)際上我們要面臨很多挑戰(zhàn)。有技術(shù)問題，實(shí)際上更深層次的問題是基礎(chǔ)理論，咱們細(xì)說一點(diǎn)。如果選用電磁軸承去支撐一個(gè)飛輪，我接到這個(gè)任務(wù)的時(shí)候就會(huì)覺得有點(diǎn)懵，高速電機(jī)、壓縮機(jī)也好，無論功率大小，轉(zhuǎn)子的大概結(jié)構(gòu)基本一致，比如通常是細(xì)長(zhǎng)形的。當(dāng)我調(diào)研飛輪就發(fā)現(xiàn)很少見到兩個(gè)一樣的飛輪，或者兩家公司選擇一種結(jié)構(gòu)，到目前為止好像還沒有統(tǒng)一的形狀，這樣這個(gè)結(jié)構(gòu)形式的多樣化，就使得軸承的設(shè)計(jì)也存在適應(yīng)性問題。另外由于磁軸承能在真空中運(yùn)行，不需要各種密封問題，但是帶來的問題就是真空密閉環(huán)境下的運(yùn)行沒有傳熱，只有固體傳熱和輻射傳熱，尤其大功率帶來一些損耗發(fā)熱和輪渡控制的問題，比如如果在大型壓縮機(jī)里面，電磁軸承的功率損耗幾十千瓦甚至上百千瓦人家不在意，但是在飛輪里面好像這是個(gè)很大的問題，阻力距問題，剛才說了盡管沒有機(jī)械接觸，但是沒有徹底接觸這個(gè)阻力，需要我們下工夫怎么來降低它的阻力距。高轉(zhuǎn)速脫落效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械必然存在脫落效應(yīng)，但是飛輪特別強(qiáng)，需要控制。另外實(shí)際上由于儲(chǔ)存了大量的能量，剛才有的專家也提到，安全性與可靠性防護(hù)的問題，不能出現(xiàn)災(zāi)難性事故。
應(yīng)用現(xiàn)狀實(shí)際上我簡(jiǎn)單調(diào)研一下，當(dāng)然不再細(xì)說了，后面如果感興趣可以由個(gè)附錄。航天飛輪，小型儲(chǔ)能支撐、大型儲(chǔ)能飛輪支撐，移動(dòng)基礎(chǔ)飛輪支撐，小型磁懸浮飛輪，大型磁懸浮飛輪，另外實(shí)際上飛輪是一個(gè)老化體，拖拉機(jī)最早具有飛輪，但是現(xiàn)在飛輪包括飛輪電池，實(shí)際上是由于各種電力控制技術(shù)，磁軸承技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在飛輪又回來了，有的提出叫飛輪電池。有可能就會(huì)存在大功率，比如兆瓦級(jí)的高速充放電過程中，這個(gè)過渡過程有可能會(huì)影響轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。如果從電磁軸承的角度來看，在大型渦輪機(jī)械我們比它還落后一點(diǎn)點(diǎn)，因?yàn)樗袑⒔甑倪\(yùn)行歷史，取得突破的效果。
后面重點(diǎn)給大家探討一下，拋磚引玉，如果選用電磁軸承或者是混合磁軸承給磁軸承作為一個(gè)支撐解決方案它有什么樣的技術(shù)要求？比如高真空環(huán)境下支撐部件包括轉(zhuǎn)子的溫度控制，我們知道常規(guī)電機(jī)有十幾種，二十幾種的工作機(jī)制，磁懸浮飛輪實(shí)際上也是一個(gè)高速電機(jī)，原來跟大家包括評(píng)審項(xiàng)目也講過，儲(chǔ)能飛輪可以沒有磁軸承，但是不能沒有電機(jī)，這樣的話同樣在真空環(huán)境下如果是大功率，99%的效率，那1%如果是大功率，它的損耗也不得了，在真空環(huán)境下怎么樣溫控，包括支撐。支撐功率也要極小化，包括剛才提到的阻力距，實(shí)際上它的阻力距最基本的來源是弱輪之力，也就是說我們現(xiàn)在還沒有研制出來只導(dǎo)磁不導(dǎo)電的技術(shù)材料，這樣在旋轉(zhuǎn)過程中必然切割磁力線，就會(huì)形成渦流，反過來磁場(chǎng)就有情況，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理就會(huì)形成阻力距，在飛輪里面尤其需要得到關(guān)注。嚴(yán)格來講我感覺就是這樣了，既要馬兒跑得好，又要馬兒不吃草，電磁軸承又要支撐飛輪穩(wěn)定運(yùn)行，又要少的能量供應(yīng)，要求不一樣。
由于陀螺效應(yīng)比較強(qiáng)，實(shí)際上就是模態(tài)分杈，在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)里面很早就開始分杈，如果超出控制帶寬就會(huì)導(dǎo)致它的穩(wěn)定性。另外還有一個(gè)問題，前面提到了功率還要小，實(shí)際上如果我想提高我的控制能力必然需要能量，有效功耗又限制了我的能量，如何去控制它的模態(tài)的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。另外電磁軸承是由原軸承，不僅對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性敏感，實(shí)際上對(duì)支撐的殼體的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)也非常敏感。我們以前也發(fā)現(xiàn)包括在其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械里面換了一個(gè)基礎(chǔ)，或者基礎(chǔ)的緊固特性不一樣的時(shí)候有可能也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，如果作為移動(dòng)基礎(chǔ)的飛輪，比如車載飛輪選用磁懸浮，就可能會(huì)遇到一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的問題，這是從技術(shù)要求問題。
另外一個(gè)就是一個(gè)共性問題，實(shí)際上電磁軸承是一個(gè)新興支撐，如果一個(gè)機(jī)組選用電磁軸承，不僅僅是一個(gè)替代問題，就有可能是個(gè)改型，這樣的話部件與總體就有很復(fù)雜的一個(gè)技術(shù)問題、理論問題，可能又包括政治問題和人事問題。結(jié)構(gòu)多樣化實(shí)際上目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，還有一個(gè)都希望結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，因?yàn)槲覀冊(cè)诓煌５靥岣邇?chǔ)能密度。所有的電力設(shè)備都希望小型化，在這里面可能會(huì)有電磁兼容性問題。
另外一個(gè)很重要的一個(gè)問題，就是說一個(gè)系統(tǒng)做好了以后，如何去評(píng)估它？它是否可以交付，交給用戶使用？如何去驗(yàn)收？在旋轉(zhuǎn)機(jī)械里面實(shí)際上也是正在發(fā)展的一個(gè)過程，但是可能在儲(chǔ)能飛輪領(lǐng)域還是一個(gè)新話題。
可借鑒的東西，有關(guān)電磁軸承，ISO部門已經(jīng)頒布了四個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)，但只是推薦的。從基本的名詞到一些基本的要求。比較典型的應(yīng)用性的標(biāo)準(zhǔn)就是API617，是美國(guó)石化行業(yè)的，他的第七版作為一個(gè)附件4F，把電磁軸承列到里面了，但是這只是一個(gè)信息性的，也只有幾頁(yè)，你只是考慮一下就可以了。第八版是這個(gè)，附件E，2014年頒布的，就變成了規(guī)范，如果供需雙方商定采用這個(gè)規(guī)范，那么就要執(zhí)行了。但是仔細(xì)研讀以后發(fā)現(xiàn)里面至少有十幾處是如果指定需要供需雙方去商定一個(gè)結(jié)果，實(shí)際上也是一個(gè)正在發(fā)展的規(guī)范，但是它有些內(nèi)容還是比較完整的。對(duì)于儲(chǔ)能飛輪，尤其大功率儲(chǔ)能飛輪，因?yàn)檫@些規(guī)范明確講了只適用于功率大于16千瓦的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如果大功率飛輪實(shí)際上是有一定的借鑒意義。
另外剛才也有人提到復(fù)合材料飛輪也是風(fēng)生水起，得到了更多的關(guān)注，但是復(fù)合材料我第一次見到它的時(shí)候，如果給它設(shè)計(jì)一個(gè)支撐，我就會(huì)發(fā)現(xiàn)它變得更復(fù)雜了。第一個(gè)它的結(jié)構(gòu)形式大部分基本就是圓筒的，不會(huì)出現(xiàn)金屬材料各種形狀，這樣的話結(jié)構(gòu)中存在一些輪轂，換句話說有薄壁結(jié)構(gòu)，它的撓性就變得很大，在這里頭它的動(dòng)力學(xué)特性就變得很復(fù)雜了。包括扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)，尤其大飛輪，當(dāng)你強(qiáng)力充電和強(qiáng)力放電的時(shí)候，如果輪體體積過大，輪轂又比較薄的時(shí)候，在這個(gè)過程中由于力矩非常大，一定會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)特性。這是一個(gè)我們做得實(shí)驗(yàn)例子，發(fā)現(xiàn)在這種模態(tài)下飛輪輪體并沒有動(dòng)，由于薄翹的特性，支撐開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因?yàn)檩嗴w并沒有動(dòng)，但是這個(gè)時(shí)候的軸向，所謂的疊狀振動(dòng)也出來了，這是復(fù)合材料。另外一個(gè)高非線性，復(fù)合材料形成固體以后，它很多特征可以用固體力學(xué)來描述，但是不一樣，導(dǎo)熱差。還有一個(gè)它的模量小，實(shí)際上它的變形也比較大，換句話說如果飛輪體積足夠大，轉(zhuǎn)速足夠高，轉(zhuǎn)起來以后它的膨脹量非常大，軸向會(huì)縮短，這樣它的慣量比就變化，導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)特性就變化，實(shí)際上復(fù)合材料飛輪有它的難度，要比儲(chǔ)能飛輪大得多。
有技術(shù)問題，有基礎(chǔ)理論問題，比如如果我們借鑒傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如何評(píng)價(jià)這樣一個(gè)系統(tǒng)可以交付？如果選用了電磁軸承，現(xiàn)有的評(píng)價(jià)內(nèi)容和手段是否可以采用？穩(wěn)定性、電磁軸承轉(zhuǎn)子包括混合磁懸浮軸承，它的穩(wěn)定性有和傳統(tǒng)的通用軸承、滾動(dòng)軸承等等是有很大區(qū)別的。還有比如是基礎(chǔ)理論問題還是技術(shù)問題，比如有時(shí)候轉(zhuǎn)速就上不去，會(huì)遇到各種各樣的問題，換個(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)子會(huì)有問題。保護(hù)軸承，有沒有邊界，磁懸浮有間隙，跟通用軸承比，我們的加工進(jìn)度是否適當(dāng)放寬，放寬到什么程度，還有反向模態(tài)問題。
這些問題深層次的挖一下實(shí)際上可能還是應(yīng)該叫做磁軸承轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)或者陀螺力學(xué)，因?yàn)槲覀兊耐勇萘胤浅?qiáng)，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)它的五個(gè)主要議題就是比如橫向轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)，機(jī)械平衡、穩(wěn)定性、扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)、軸向動(dòng)力學(xué)，好像我們飛輪里面都要涉及，但是在這個(gè)基礎(chǔ)上可能我們有共性問題也有不一樣的問題，比如建模，飛輪和轉(zhuǎn)子建模的時(shí)候，分析要素的主體一定是一致的，但是動(dòng)力學(xué)模型和軸承因?yàn)橛泻軓?fù)雜的模型，如何能夠完美的耦合起來，因?yàn)槲覀兘５哪繕?biāo)是為了預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確的描述它將來會(huì)發(fā)生什么，如果建模準(zhǔn)確，我們就會(huì)準(zhǔn)確描述，如果建模不準(zhǔn)確，那只有參考意義。
還有我們輸入的控制算法，或者叫人工智能在對(duì)應(yīng)的鋼度阻尼特性以及它不是一個(gè)常數(shù)，是隨頻率而變化的數(shù)，但是如何適應(yīng)飛輪運(yùn)行的范圍？單機(jī)制造和批量制造，控制參數(shù)是不是完全一致？也存在一些問題。這樣的話一旦建模完成了以后，我們的分析要素，比如自由轉(zhuǎn)子、無阻尼臨界轉(zhuǎn)速、有阻尼不億平衡響應(yīng)分析，穩(wěn)定性，這些問題在飛輪里面也躲不開。比如自由轉(zhuǎn)子，自由轉(zhuǎn)子就認(rèn)為只有重力作用，沒有支撐的轉(zhuǎn)子，它的自然屬性是什么樣的，在產(chǎn)生支撐里面它只是一個(gè)洞察，我們?yōu)榱嗣枋鏊淖匀粻顟B(tài)，但是在磁懸浮飛輪里面由于可能有力自由控制，這個(gè)就不再細(xì)說了。另外如果轉(zhuǎn)子發(fā)生了跌落，在沒有碰到薄軸承之前它也是自由狀態(tài)，它的力學(xué)特征什么樣？會(huì)不會(huì)碰到其它動(dòng)力，是不是造成損害，也是需要我們描述的。比如這個(gè)就是在跌落之前，如果碰到滾動(dòng)軸承之前，是一個(gè)超臨界轉(zhuǎn)子，它可能的振動(dòng)狀態(tài)會(huì)是什么樣，另外一個(gè)鋼度曲線怎么來表述。
還有在傳統(tǒng)的比如壓縮機(jī)行業(yè)，實(shí)際上它的工作轉(zhuǎn)速是有范圍的，比如傳統(tǒng)的50-100%，磁懸浮轉(zhuǎn)子可以擴(kuò)展到10-100%甚至105%，這里頭實(shí)際上有利益驅(qū)動(dòng)和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)的，如果一個(gè)機(jī)組可以從10%-100%，實(shí)際上可以省機(jī)組了。但是在飛輪里面我們有充放電的深度問題，比如放一半，轉(zhuǎn)速降一半75%放電深度，如果降1/3，90%，如果里面有模態(tài)，因?yàn)檫@個(gè)范圍里面太大了，可能就把模態(tài)包括進(jìn)去了，換句話說把某些臨界轉(zhuǎn)速包括在里面了。穩(wěn)定性是否能保證？也是我們新的議題。
這個(gè)就不再細(xì)說了，利用磁軸承來簡(jiǎn)化我們的測(cè)試。穩(wěn)定性，大問題，與傳統(tǒng)軸承完全不一樣，理論上磁懸浮轉(zhuǎn)子如果控制不當(dāng)可以在任意轉(zhuǎn)速失穩(wěn)。我換句話說如果磁懸浮轉(zhuǎn)子有失溫轉(zhuǎn)速也許就是我們的控制沒有做好，如何評(píng)價(jià)？如何去測(cè)試？這是ISO標(biāo)準(zhǔn)的建議方法，大家可以看一看，測(cè)試方法是帶轉(zhuǎn)速還是不帶轉(zhuǎn)速，這是剛才說的，雖然有規(guī)范但是并不完整，還需要我們做很多工作補(bǔ)充完善。
動(dòng)力學(xué)的特殊性，基礎(chǔ)問題，彈性基礎(chǔ)對(duì)轉(zhuǎn)子模態(tài)的影響，這個(gè)提醒大家一定要注意，飛輪的殼體我們都傾向于輕薄設(shè)計(jì)，但是如果它的動(dòng)力學(xué)特性不太合理的時(shí)候，可能會(huì)影響轉(zhuǎn)子的特征，就不再細(xì)說了，跌落的也不說了。從支撐的角度來看待飛輪，說了一些問題，算拋磚引玉，希望能為大家提供一個(gè)更好的之車作用，共謀發(fā)展，謝謝大家！
