【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 式, 推力電磁軸承的軸向作用力為 式中：A ——磁極面積N 、I ——分別為線圈匝數(shù)及電流g b——電磁鐵與轉(zhuǎn)子之間的軸向氣隙圖24推力電磁軸承結(jié)構(gòu)及參數(shù)推力電磁軸承在圍繞參考工作點(diǎn)(x 0, i0) 的電磁吸力可表示為：上式中　K b ——與磁軸承電磁結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)有關(guān)的常數(shù),x0——靜態(tài)氣隙i0——偏置電流△i——控制電流在△x = 0, △i= 0 處, 對(duì)(4) 式進(jìn)行泰勒展開, 并忽略△x、△i 的二次項(xiàng)及高階小量, 則有上式中　——電磁軸承在參考工作點(diǎn)(x 0, i0) 處的軸向作用力，永磁軸承是由一對(duì)相互排斥的軸向充磁高性能磁環(huán)組成, 利用磁性材料同性相斥的原理, 使動(dòng)磁環(huán)懸浮于靜磁環(huán)之中, 保證旋轉(zhuǎn)時(shí)兩磁環(huán)不相接觸, 從而大大降低運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。徑向永磁軸承在軸向上不穩(wěn)定, 當(dāng)動(dòng)、靜磁環(huán)之間有一個(gè)軸向位移時(shí), 兩磁環(huán)之間存在軸向斥力作用, 正是軸向斥力作用實(shí)現(xiàn)軸向卸載, 承擔(dān)飛輪轉(zhuǎn)子絕大部分質(zhì)量。當(dāng)兩磁環(huán)的磁化方向平行時(shí), 軸承的軸向作用力為 式中　k —— 磁體的面磁極密度, k = J .nh、l—— 分別為磁體厚度及磁體寬度J 、n—— 分別為磁極化強(qiáng)度和磁體表面法線0、R m —— 分別為真空磁導(dǎo)率和軸承平均半徑d —— 軸向位移g a—— 工作氣隙基于線性控制理論所設(shè)計(jì)的磁軸承系統(tǒng), 一般設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn), 使輸入|輸出在小范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系。上式中　K x —— 永磁軸承在參考工作點(diǎn)處的軸向剛度△x —— 轉(zhuǎn)子軸向位移偏差永磁軸承在參考工作點(diǎn)處的軸向作用設(shè)上、下兩永磁軸承完全相同, 則系統(tǒng)的靜、動(dòng)方程(即力學(xué)方程) 分別為式中　m ——飛輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量g ——重力加速度電磁軸承中控制電流與控制電壓的關(guān)系(即線圈電壓方程) 為式中　L ——線圈電感R ——線圈電阻△u ——線圈控制電壓飛輪電池磁軸承系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定, 為確保飛輪轉(zhuǎn)軸的動(dòng)靜特性, 需采用閉環(huán)控制系統(tǒng), 將所有變量參數(shù)在參考工作點(diǎn)附近線性化, 取位移偏差$x、一階導(dǎo)數(shù)(速度) △xa和動(dòng)態(tài)電流△i 為狀態(tài)變量, 則系統(tǒng)的狀態(tài)方程與輸出方程分別為本章提出了一種單軸主動(dòng)控制的飛輪電池磁軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置、磁力計(jì)算及控制設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論。與其它類型的磁軸承系統(tǒng)相比, 本文提出的磁軸承系統(tǒng)能耗低, 非常適用于飛輪電池的應(yīng)用。由仿真結(jié)果可以看出, 系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定, 具有良好的動(dòng)態(tài)特性, 特別適合于高速、真空及超凈環(huán)境, 為飛輪電池的研究開發(fā)提供了條件。 飛輪電池轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)速度每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至高達(dá)數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn),造成極高風(fēng)阻損耗，其轉(zhuǎn)子表面的空氣摩擦損耗要比普通電機(jī)高得多,在總損耗中占有較大比例。轉(zhuǎn)子表面的空氣摩擦損耗與電機(jī)轉(zhuǎn)速、氣隙結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子表面粗糙度等多種因素有關(guān)，隨著飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)與空氣摩擦，消耗飛輪儲(chǔ)存的能量，縮短儲(chǔ)能時(shí)間，降低儲(chǔ)能效率，在消耗大量能源同時(shí)，還產(chǎn)生了大量的熱量，使轉(zhuǎn)子的壽命縮減，因此使用真空容器是十分關(guān)鍵的。通過以上的分析，我們知道若是機(jī)殼內(nèi)部存在空氣，就會(huì)造成能量損耗，因此為了減少損耗，我們把飛輪電池內(nèi)部設(shè)計(jì)成真空，將內(nèi)部空氣全部抽出，這樣就減少了能量耗損。飛輪電池電池放電過程將產(chǎn)生頻率變化的交流電能，不能直接應(yīng)用于負(fù)載，因此需要通過整流和逆變技術(shù)才能得到可用電能電力電子變換裝置的作用在于控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪儲(chǔ)能時(shí)，交流配電系統(tǒng)的電能經(jīng)過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電，然后由功率變換裝置按照恒定轉(zhuǎn)矩或恒定功率的原理控制電機(jī)加速。達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)入低壓模式，由功率變換裝置提供一低壓來抵消電機(jī)損耗維持飛輪的轉(zhuǎn)速。釋能時(shí)電機(jī)作為同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，發(fā)出的電能先整流成直流電，再由穩(wěn)壓裝置變換成穩(wěn)定的直流電，電能經(jīng)逆變器變換后轉(zhuǎn)化為交流電輸送給交流配電系統(tǒng)。如果配電系統(tǒng)是直流配電系統(tǒng)，則不需要與之相連的逆變環(huán)節(jié)。電力電子變換器通常是由MOSFET(場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和IGBT(絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管)組成的雙向逆變器，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出的大小。MOSFET：金屬氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體（MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管（fieldeffect transistor）。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡(jiǎn)稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。功率MOSFET的工作原理：Ⅰ截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。Ⅱ?qū)щ姡涸跂旁礃O間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖25所示；其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率mos管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷β蔒OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。　　按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和 具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Doublediffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。MOSFET在數(shù)位電路上應(yīng)用的另外一大優(yōu)勢(shì)是對(duì)直流（DC）訊號(hào)而言，MOSFET的柵極端阻抗為無限大（等效于開路），也就是理論上不會(huì)有電流從MOSFET的柵極端流向電路里的接地點(diǎn)，而是完全由電壓控制柵極的形式。（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 (b)電氣圖形符號(hào)圖25MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大。MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給NPN晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。 圖26絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)上圖26所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。P+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)（包括P+ 和P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成