《Renewable Energy》：Design and experimental evaluation of a superconducting flywheel energy storage system with contactless power transmission
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飞轮储能系统通过高温超导磁悬浮轴承和平面涡流耦合器实现无接触能量传输，实验验证系统在3100rpm转速下储存350J能量，轴向偏移1mm可使径向刚度提升30%，径向振动幅减低77%，证实无接触耦合方案的可行性。
杨勇|徐宝川|顾正|苏坤|吴云毅
西安电子科技大学机电工程学院，中国西安，710071
摘要
飞轮储能系统因其高能量密度、长循环寿命和环境兼容性而在大规模应用中具有巨大潜力。然而，传统的飞轮储能系统依赖机械轴承和联轴器进行扭矩传递，这导致了显著的摩擦损耗、较高的空载功耗以及有限的振动稳定性。本研究开发了一种采用非接触式能量输入和输出的高温超导飞轮储能系统，并对其进行了实验评估。平面涡流耦合器实现了电机与转子之间的非接触式能量传输，而通过使用带有内部永磁体的径向高温超导磁轴承增强了系统的刚性。构建了一个实验平台来检测系统的静态特性、振动响应和储能性能。该原型最大储能量为350焦耳，峰值转速为3100转/分钟。结果表明，支撑框架的振动响应受到冷却高度的显著影响。引入1毫米的轴向偏移使径向刚性增加了约30%，同时将框架和轴承的径向振动幅度分别降低了77%和46%。这些发现验证了所提出的非接触式耦合方案的可行性，并为设计高效、低损耗的飞轮储能系统提供了依据。
引言
随着全球能源需求的持续增长以及风能和太阳能等可再生能源的快速发展[1,2]，高效和先进的储能技术已成为21世纪能源研究的核心领域[3,4]。先进的储能技术是大规模部署可变可再生能源的关键推动因素，在实现可持续发展目标中发挥着重要作用[5]。目前常见的储能方法包括化学电池、抽水蓄能、氢储能和飞轮储能系统（FESS）[6,7]。FESS将电能、风能或太阳能[8]转换为旋转动能进行储存[9,10]。与化学电池、抽水蓄能和氢储能等传统技术相比，FESS具有诸多优势，如环境影响小[11]、循环寿命长[12]、响应时间快[13]和能量转换效率高[14,15]。这些特点使其成为未来商业规模储能应用的有力候选者。
飞轮储能技术的研究始于20世纪50年代，最初集中在小型机械飞轮上[16]。然而，由于材料强度和转子制造技术的限制，早期系统的能量密度较低，未能在工程实践中得到广泛应用[17,18]。在后续研究中，李等人将飞轮储能装置集成到车辆中，用于回收和释放制动能量。这些系统依赖机械轴承来支撑转子，并使用皮带驱动飞轮旋转。但高速运行时常会引起振动和冲击，影响系统的稳定性和使用寿命[19]。Carrillo等人设计了一种适用于风电场的FESS，其中飞轮由机械轴承支撑，能量通过静液压传动装置在飞轮和同步发电机之间传递。然而，静液压传动的效率较低，尤其是在系统未处于额定工况时[20]。为了提高储能性能和耐用性，人们采用了磁悬浮技术来主动控制转子位移[21,22]。胡等人开发了一种混合支撑的FESS，采用阻尼环和永磁偏置的混合磁轴承作为主要支撑方式。飞轮直接由集成式永磁同步电机驱动，以提高能量转换效率。但电机集成在转子内部会在待机状态下引入额外的空载损耗[23]。主动磁轴承需要复杂的实时控制系统来维持转子稳定性，这增加了系统成本并降低了可靠性[24,25]。相比之下，超导磁轴承通过迈斯纳效应和磁通钉扎效应实现无接触的悬浮，从而降低了能耗并提高了稳定性。这项技术已成为飞轮转子悬浮的主流解决方案之一[26,27]。黄等人提出了一种结合八字形零磁通线圈和高温超导（HTS）线圈的电磁悬浮系统，同时提供悬浮力和导向力。系统中还包括一个辅助轴承，用于在低速运行和系统关闭时支撑转子。然而，该设计未解决放电过程中电机空转造成的额外能量损耗问题[28]。Komori等人开发了一种采用径向高温超导磁轴承（HTSMB）的FESS。该系统使用机械联轴器连接电机和转子，确保了储能过程中的良好稳定性。但由于机械耦合，运行过程中仍存在显著的能量损耗，且储能阶段需要手动断开电机，使得操作相对繁琐[29]。韩国电力研究院开发了一种10千瓦时的HTS FESS，采用双径向超导轴承支撑主轴。定子采用瓦片状HTS材料组装，以提高结构可靠性。尽管如此，系统仍依赖直接电机驱动，导致较大的摩擦损耗[30]。目前，FESS因其出色的储能能力和高转换效率而在不间断电源系统和电网频率调节中得到应用。然而，针对超导FESS的研究仍较为有限，实验评估和系统级分析尚不完善[31,32]。能量传输过程中存在电机与转子之间的摩擦损耗，以及储能阶段电机空载运行导致的额外能耗，这些因素限制了飞轮系统达到最佳能量效率。
磁耦合器是一种机械柔性传动装置，通过永磁体和导电元件相对旋转产生的电磁力实现电机与其负载之间的无接触扭矩传递[34]。它们具有多种优势，包括空载启动、过载保护、高扭矩密度和高传输效率，广泛应用于工业驱动和制动系统[35,36]。为了研究磁耦合器在超导FESS中的可行性，开发并测试了一种采用非接触式能量输入和输出的高温超导磁悬浮FESS。该系统的最大转速为3000转/分钟，使用平面涡流磁耦合器连接电机和飞轮转子，实现了无接触扭矩传递，显著降低了摩擦损耗和空载能耗。本研究重点关注两个关键方面：
1.开发了一种具有非接触式能量传输的高温超导磁悬浮FESS，包括HTSMB结构、转子设计和磁耦合器配置的优化。
2.构建了一个原型测试平台，用于评估系统在不同轴向偏移和冷却高度下的机械行为和振动特性。此外，还进行了在常温空气条件下的能量衰减实验。
详细介绍了非接触式HTS FESS各组件的设计过程和材料选择，并通过实验验证了系统的性能。结果证实了将磁耦合器集成到飞轮系统中的可行性，展示了冷却高度和轴向偏移的变化如何影响机械性能和振动行为，为超导飞轮储能技术的工程应用提供了参考。
部分摘录
飞轮储能系统的设计
本研究开发的HTS磁悬浮飞轮储能系统包括平面涡流磁耦合器、HTSMB、飞轮、轴和电机/发电机。在高温超导飞轮储能系统中，转子振动主要来源于电机加速/减速和高速飞轮旋转，而由于轴承约束不均匀引起的振动相对较小。从机械角度来看，轴承-电机-轴承的配置
测试平台的构建
在测试高温超导磁悬浮飞轮储能系统的过程中，全面评估机械稳定性和能量转换效率需要同时测量和分析四个关键物理量：位移、电压、转速和力。
位移监测（包括径向和轴向振动）对于确定系统的安全运行速度范围和振动幅度阈值至关重要
结论
本研究开发了一种基于高温超导（HTS）磁轴承和平面涡流磁耦合器的飞轮储能系统，并通过实验验证了其有效性，旨在减少传统飞轮系统中由机械接触引起的能量损耗。实验结果表明，平面涡流磁耦合器可以有效地集成到HTS磁悬浮飞轮系统中，实现稳定可靠的
CRediT作者贡献声明
杨勇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹集、数据分析、概念构思。徐宝川：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件开发、实验研究。顾正：可视化、软件开发、方法论研究、实验研究。苏坤：撰写 – 审稿与编辑、项目协调、方法论研究、数据分析。吴云毅：资源管理、资金筹集、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2025JC-YBMS-064）的支持。
