- 頭條混合磁懸浮軸承的新設計方法，提升超導飛輪儲能系統性能2021-05-09 作者：李萬杰 張國民 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語中國科學院電工研究所、中國科學院大學、中國科學院應用超導重點實驗室、西安西電電氣研究院有限責任公司的研究人員李萬杰、張國民、王新文、邱清泉，在2020年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出一種將徑向超導磁軸承和軸向電磁軸承集成于一體的混合磁懸浮軸承結構設計，用于超導飛輪儲能系統中支撐飛輪轉子。 測量結果表明，利用超導軸承的自穩定性可減小混合軸承懸浮力合力隨氣隙增大而減小的速率，降低電磁軸承控制器的響應速率，將液氮作為冷卻介質可有效解決電磁軸承線圈的發熱問題，集成結構設計可提高磁懸浮軸承的懸浮力體積比，驗證了其有效性。
磁懸浮軸承具有無摩擦、無需潤滑、噪聲小、壽命長等優點，在學術界和工業界倍受關注。電磁軸承作為一種有源磁懸浮軸承，可通過控制系統調節其推力剛度、阻尼，對轉子振動進行主動抑制及不平衡補償，有利于提高轉子的動態穩定性，被廣泛應用于高速電機、飛輪儲能等發電及電能轉換領域，真正實現高速高效。
然而電磁軸承工作時需要位置傳感器實時監測轉子系統偏離平衡的位移并通過控制器調整線圈電流以控制推力大小。這對傳感器的分辨率及控制器的響應速率提出嚴格要求，且轉速越高要求越高，相應的設計成本也越高。此外，電磁軸承在工作過程中會產生熱損耗和渦流損耗，將引起部件溫升進而影響電磁軸承的工作性能，在飛輪儲能系統真空運行環境下該問題更為突出。
超導磁懸浮軸承（Superconducting Magnetic Bearing, SMB）具有無源自穩定性、無需控制、結構簡單、可靠性高、摩擦系數較電磁軸承小等優點，近年來成為國內外學者廣泛研究的熱點。國外有美國、德國、日本、韓國等研究機構，研究主要集中于太空飛船姿態調整、磁懸浮列車、高速軸承、飛輪儲能等應用方面。國內有中科院電工所從事超導飛輪儲能系統研究，西南交大從事磁懸浮軌道列車研究。
然而，超導材料由于價格昂貴造成超導磁懸浮軸承成本過高。超導磁軸承懸浮力、剛度與永磁或電磁軸承相比較低，難以實現支撐較大飛輪載荷，需要與電磁軸承、永磁軸承配合使用。此外，超導磁軸承懸浮力具有弛豫，將影響轉子系統的動態穩定性。
中國科學院電工研究所、中國科學院大學等單位的研究人員，在原有超導徑向磁軸承結構的基礎上提出了一種將其和軸向電磁軸承（Active Electromagnetic Bearing, AMB）集成于一體的混合磁懸浮軸承（Hybrid Magnetic Bearing, HMB）結構，應用于基于磁驅動的高溫超導飛輪儲能樣機系統。
圖1 徑向超導磁軸承
圖2 超導電磁混合軸承結構
在已知電磁軸承定子內環內徑、外環外徑的條件下利用有限元分析軟件對結構參數進行了優化設計，分析了二者之間關鍵性能參數的相互影響。試制了原理樣機，通過懸浮力測量實驗并分析驗證了可行性。
圖3 混合軸承樣機及懸浮力測量裝置
研究結果表明：
- 1）與原徑向超導軸承相比，混合軸承增大了懸浮力及其剛度，提高了懸浮力體積比。
- 2）利用液氮作為冷卻介質可有效解決電磁軸承線圈的發熱問題，尤其適用于飛輪儲能真空應用環境。
- 3）超導軸承具有的自穩定性有助于降低電磁軸承控制器的響應速率，混合軸承能夠實現對飛輪轉子的穩定懸浮。下一步將嘗試采用超導線圈代替傳統銅線圈的全超導混合軸承設計。
以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“飛輪儲能系統用超導電磁混合磁懸浮軸承設計”，作者為李萬杰、張國民、王新文、邱清泉。
