25kWh/100kW儲能飛輪軸向磁軸承設(shè)計與分析

張秀華 白強 姚宏 蘇亞峰 溥江

摘 要：儲能飛輪支承系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高速正常運行的前提。磁軸承作為支承系統(tǒng)的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是系統(tǒng)穩(wěn)定性的根本。針對25 kWh/100 kW儲能飛輪系統(tǒng)的特點，進行磁軸承設(shè)計時，用橫截面為梯形的永磁環(huán)取代傳統(tǒng)的矩形永磁環(huán)，得到一種新型的永磁磁軸承結(jié)構(gòu)。采用磁路分析及有限元方法相結(jié)合的手段對該磁軸承結(jié)構(gòu)進行了分析，并對這兩種結(jié)構(gòu)的磁軸承性能做了對比，結(jié)果表明該磁軸承的電磁磁路在工作氣隙之外基本不經(jīng)過永磁環(huán)本身，不產(chǎn)生附加徑向力；該磁軸承具有效率高，電磁線圈損耗小，勵磁線圈電流低，發(fā)熱小，便于控制等特點，適用于大型儲能飛輪支承系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：儲能飛輪；磁軸承；支承系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元

中圖分類號：TH133.7

文獻標識碼： A

儲能飛輪系統(tǒng)依靠其轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)進行能量儲存，其支承系統(tǒng)性能良好與否是飛輪系統(tǒng)高速、穩(wěn)定狀態(tài)下正常工作的關(guān)鍵因素之一。機械軸承因旋轉(zhuǎn)損耗及發(fā)熱過大，很難滿足其高速重載、摩擦損耗低、高可靠性及長壽命等要求[1-3]。適用于高速和超高速工況的空氣軸承，因支承剛度低，亦不適合要求承載能力高的飛輪系統(tǒng)。隨后出現(xiàn)了無源、無機械磨損、高轉(zhuǎn)速、長壽命等特點超導磁懸浮軸承，但需低溫液氮來維持其超導特性，且結(jié)構(gòu)復雜及成本昂貴，因此得不到很好的應(yīng)用[4]。

隨著稀土工業(yè)和控制技術(shù)的發(fā)展，具有大承載能力、適用于飛輪系統(tǒng)的無機械接觸磁軸承的研究和應(yīng)用受到越來越多關(guān)注。采用反饋控制技術(shù)，可精密定位磁軸承徑向及軸向的位移，極大提高飛輪系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操控性[5]。

現(xiàn)有磁軸承中的永磁環(huán)橫截面一般是矩形結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)將對磁力造成一定的阻礙，造成系統(tǒng)功耗高、承載能力小。針對上述不足，設(shè)計一永磁環(huán)橫截面為梯形、功耗低、承載大的軸向混合磁軸承[6-7]。該軸承采用永磁偏置+電磁控制，永磁、電磁共享磁路，且電磁磁路幾乎不通過永磁體，在實現(xiàn)大承載的同時還降低了電磁線圈的控制損耗，提高整個磁軸承的效率，且結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、裝配。

1 軸向混合磁軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 軸向混合磁軸承結(jié)構(gòu)

設(shè)計一25 kWh/100 kW大型儲能飛輪系統(tǒng)的大承載永磁混合磁軸承結(jié)構(gòu)，包括磁軸承定子與轉(zhuǎn)子。其定子由定子腔、電磁繞組線圈、樹脂、永磁環(huán)和導磁環(huán)構(gòu)成；電磁繞組線圈由樹脂內(nèi)側(cè)包圍，永磁環(huán)采用軸向充磁內(nèi)嵌于定子腔中，在系統(tǒng)平衡時，磁軸承定子與轉(zhuǎn)子之間形成2.5 mm的軸向氣隙。軸向混合磁軸承橫截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 軸向磁軸承中永磁環(huán)梯形截面斜面傾角設(shè)計

為了減小磁懸浮軸承的體積和控制難度，磁懸浮軸承定子采用永磁環(huán)與電勵磁混合結(jié)構(gòu)，電勵磁磁路與永磁磁路共有相同的磁路[8-9]。對于永磁磁路來說，加入電勵磁部分，對其單獨作用影響很??；但當電勵磁磁路單獨作用時，會導致氣縫隙過大（永磁環(huán)厚度較大），需要較大的勵磁電流，導致功耗非常大。因此需設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的定子，減少電勵磁磁路的氣隙，但同時對永磁磁路不能有較大影響[10]。經(jīng)過多次反復設(shè)計，最終采用梯形永磁環(huán)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)梯形的腰與垂直方向的夾角為α。

進一步研究永磁體梯形截面的斜面傾角α的取值，找出規(guī)律，尋求最優(yōu)值，可得到效果更佳的磁軸承結(jié)構(gòu)。假設(shè)通以10 A電流，分別取α為5°、10°、15°、20°、25°進行分析，磁密和相對磁密變化趨勢見表1、圖2。圖2中磁密差為永磁單獨作用與永磁和電磁共同作用的磁密差。

從表1、圖2可知，磁密隨傾角α的增加而減??；但相對磁密從5°到15°是相對增加的，從15°到20°是持平狀態(tài)，從20°到25°相對減小。考慮永磁體加自身的工藝及初設(shè)磁密、最終磁密等因素，選取傾角α為20°為宜。

由圖3可知永磁環(huán)兩端磁阻較小、磁密較高；電磁磁路形成回路但幾乎不通過永磁環(huán)本身；在同等控制力作用下，與矩形截面永磁環(huán)的磁軸承相比，其控制線圈電流小、線圈損耗和發(fā)熱小、效率高、承載力大，且當采用永磁偏置和電磁控制配合使用時，永磁、電磁共享磁路，能同時滿足飛輪系統(tǒng)的軸向卸載及振動調(diào)節(jié)等要求。

2 兩種永磁環(huán)的磁軸承性能對比分析

永磁環(huán)橫截面為梯形和矩形的兩種磁軸承橫截面如圖4所示。

圖5、圖6分別為永磁環(huán)單獨作用使飛輪系統(tǒng)處于平衡位置時，兩種結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形圖。

由圖5、圖6可知，兩波形變化趨勢基本相同，平均氣隙磁密分別約為0.5865 T及0.7584 T。這是由于梯形槽永磁環(huán)兩側(cè)削角后，表面積減小，兩側(cè)漏磁增加所導致的。

電磁力與氣隙磁密的平方成正比，永磁環(huán)單獨作用使系統(tǒng)處于平衡位置時，計算得到兩種結(jié)構(gòu)所需電磁力分別約為12200 N及20881 N。

綜上可知，采用梯形槽結(jié)構(gòu)，永磁環(huán)產(chǎn)生的氣隙磁密降低、電磁力下降，將導致系統(tǒng)整體性能下降約40%左右，生產(chǎn)成本增加，但是對效率影響不大。

當通以10 A的電流，電勵磁部分單獨作用使飛輪系統(tǒng)處于平衡位置時，兩種結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，兩波形變化趨勢基本相同，平均氣隙磁密分別約為0.159 T及0.086 T，這是由于梯形槽永磁環(huán)兩側(cè)削角部分磁阻減小，相同的激磁電流產(chǎn)生的磁密增加所導致。

當電勵磁部分單獨作用使系統(tǒng)處于平衡位置時，計算兩種結(jié)構(gòu)所需電磁力，分別約為1277 N及461 N。

若需產(chǎn)生相同的電磁力，兩種結(jié)構(gòu)需要的電流將會相差很大。圖9為系統(tǒng)在平衡位置時，矩形槽定子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁力隨電流變化的曲線。

定子梯形槽結(jié)構(gòu)通過10 A電流時，產(chǎn)生的電磁力約為1277 N。由圖9可以看出，定子矩形槽結(jié)構(gòu)通過電流16.5 A時，產(chǎn)生的電磁約為1268 N?？梢?，在同等工況下產(chǎn)生相同的電磁力，定子梯形槽結(jié)構(gòu)需要的電流約為定子矩形槽的0.606倍，產(chǎn)生的熱約為定子矩形槽的 0.37倍。

由表2兩種結(jié)構(gòu)磁軸承的性能對比可知，梯形截面結(jié)構(gòu)需要的永磁體用量大于矩形槽結(jié)構(gòu)，但是若需產(chǎn)生相同的力，需要的電流小于矩形槽結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的熱量約為方形槽結(jié)構(gòu)的三分之一。因此梯形槽結(jié)構(gòu)非常適合于飛輪儲能系統(tǒng)這類效率要求高、散熱條件差的場合。

3 結(jié)論

（1）為25 kWh/100 kW大型儲能飛輪磁軸承進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，用橫截面為梯形的永磁環(huán)取代傳統(tǒng)的矩形結(jié)構(gòu)。對永磁環(huán)取不同傾角時，分析其磁密和相對磁密變化趨勢，最終選取該傾角為20°。

（2）對兩種截面永磁環(huán)的磁軸承性能對比分析可知，梯形截面結(jié)構(gòu)的磁軸承的永磁體用量多于矩形槽結(jié)構(gòu)，但產(chǎn)生相同的力，需要的電流小于矩形槽結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的熱量約為矩形槽結(jié)構(gòu)的三分之一。因此該結(jié)構(gòu)的磁軸承非常適合于諸如飛輪儲能系統(tǒng)這類在真空狀態(tài)下運行的場合。

參考文獻：

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（責任編輯：周曉南）