摘 要：储能飞轮支承系统性能的稳定性是转子系统高速正常运行的前提。磁轴承作为支承系统的核心部件，其结构设计是系统稳定性的根本。针对25 kWh/100 kW储能飞轮系统的特点，进行磁轴承设计时，用横截面为梯形的永磁环取代传统的矩形永磁环，得到一种新型的永磁磁轴承结构。采用磁路分析及有限元方法相结合的手段对该磁轴承结构进行了分析，并对这两种结构的磁轴承性能做了对比，结果表明该磁轴承的电磁磁路在工作气隙之外基本不经过永磁环本身，不产生附加径向力；该磁轴承具有效率高，电磁线圈损耗小，励磁线圈电流低，发热小，便于控制等特点，适用于大型储能飞轮支承系统。
关键词：储能飞轮；磁轴承；支承系统；结构设计；有限元
中图分类号：TH133.7
文献标识码： A
储能飞轮系统依靠其转子高速旋转进行能量储存，其支承系统性能良好与否是飞轮系统高速、稳定状态下正常工作的关键因素之一。机械轴承因旋转损耗及发热过大，很难满足其高速重载、摩擦损耗低、高可靠性及长寿命等要求[1-3]。适用于高速和超高速工况的空气轴承，因支承刚度低，亦不适合要求承载能力高的飞轮系统。随后出现了无源、无机械磨损、高转速、长寿命等特点超导磁悬浮轴承，但需低温液氮来维持其超导特性，且结构复杂及成本昂贵，因此得不到很好的应用[4]。
随着稀土工业和控制技术的发展，具有大承载能力、适用于飞轮系统的无机械接触磁轴承的研究和应用受到越来越多关注。采用反馈控制技术，可精密定位磁轴承径向及轴向的位移，极大提高飞轮系统的稳定性和可操控性[5]。
现有磁轴承中的永磁环横截面一般是矩形结构，但该结构将对磁力造成一定的阻碍，造成系统功耗高、承载能力小。针对上述不足，设计一永磁环横截面为梯形、功耗低、承载大的轴向混合磁轴承[6-7]。该轴承采用永磁偏置+电磁控制，永磁、电磁共享磁路，且电磁磁路几乎不通过永磁体，在实现大承载的同时还降低了电磁线圈的控制损耗，提高整个磁轴承的效率，且结构简单，便于加工、装配。
1 轴向混合磁轴承结构设计
1.1 轴向混合磁轴承结构
设计一25 kWh/100 kW大型储能飞轮系统的大承载永磁混合磁轴承结构，包括磁轴承定子与转子。其定子由定子腔、电磁绕组线圈、树脂、永磁环和导磁环构成；电磁绕组线圈由树脂内侧包围，永磁环采用轴向充磁内嵌于定子腔中，在系统平衡时，磁轴承定子与转子之间形成2.5 mm的轴向气隙。轴向混合磁轴承横截面结构示意图如图1所示。
1.2 轴向磁轴承中永磁环梯形截面斜面倾角设计
为了减小磁悬浮轴承的体积和控制难度，磁悬浮轴承定子采用永磁环与电励磁混合结构，电励磁磁路与永磁磁路共有相同的磁路[8-9]。对于永磁磁路来说，加入电励磁部分，对其单独作用影响很小；但当电励磁磁路单独作用时，会导致氣缝隙过大（永磁环厚度较大），需要较大的励磁电流，导致功耗非常大。因此需设计特殊结构的定子，减少电励磁磁路的气隙，但同时对永磁磁路不能有较大影响[10]。经过多次反复设计，最终采用梯形永磁环结构形式，设梯形的腰与垂直方向的夹角为α。
进一步研究永磁体梯形截面的斜面倾角α的取值，找出规律，寻求最优值，可得到效果更佳的磁轴承结构。假设通以10 A电流，分别取α为5°、10°、15°、20°、25°进行分析，磁密和相对磁密变化趋势见表1、图2。图2中磁密差为永磁单独作用与永磁和电磁共同作用的磁密差。
从表1、图2可知，磁密随倾角α的增加而减小；但相对磁密从5°到15°是相对增加的，从15°到20°是持平状态，从20°到25°相对减小。考虑永磁体加自身的工艺及初设磁密、最终磁密等因素，选取倾角α为20°为宜。
由图3可知永磁环两端磁阻较小、磁密较高；电磁磁路形成回路但几乎不通过永磁环本身；在同等控制力作用下，与矩形截面永磁环的磁轴承相比，其控制线圈电流小、线圈损耗和发热小、效率高、承载力大，且当采用永磁偏置和电磁控制配合使用时，永磁、电磁共享磁路，能同时满足飞轮系统的轴向卸载及振动调节等要求。
2 两种永磁环的磁轴承性能对比分析
永磁环横截面为梯形和矩形的两种磁轴承横截面如图4所示。
图5、图6分别为永磁环单独作用使飞轮系统处于平衡位置时，两种结构的气隙磁密波形图。
由图5、图6可知，两波形变化趋势基本相同，平均气隙磁密分别约为0.5865 T及0.7584 T。这是由于梯形槽永磁环两侧削角后，表面积减小，两侧漏磁增加所导致的。
电磁力与气隙磁密的平方成正比，永磁环单独作用使系统处于平衡位置时，计算得到两种结构所需电磁力分别约为12200 N及20881 N。
综上可知，采用梯形槽结构，永磁环产生的气隙磁密降低、电磁力下降，将导致系统整体性能下降约40%左右，生产成本增加，但是对效率影响不大。
当通以10 A的电流，电励磁部分单独作用使飞轮系统处于平衡位置时，两种结构的气隙磁密波形如图7、图8所示。
由图7、图8可知，两波形变化趋势基本相同，平均气隙磁密分别约为0.159 T及0.086 T，这是由于梯形槽永磁环两侧削角部分磁阻减小，相同的激磁电流产生的磁密增加所导致。
当电励磁部分单独作用使系统处于平衡位置时，计算两种结构所需电磁力，分别约为1277 N及461 N。
若需产生相同的电磁力，两种结构需要的电流将会相差很大。图9为系统在平衡位置时，矩形槽定子结构产生的电磁力随电流变化的曲线。
定子梯形槽结构通过10 A电流时，产生的电磁力约为1277 N。由图9可以看出，定子矩形槽结构通过电流16.5 A时，产生的电磁约为1268 N。可见，在同等工况下产生相同的电磁力，定子梯形槽结构需要的电流约为定子矩形槽的0.606倍，产生的热约为定子矩形槽的 0.37倍。
由表2两种结构磁轴承的性能对比可知，梯形截面结构需要的永磁体用量大于矩形槽结构，但是若需产生相同的力，需要的电流小于矩形槽结构，产生的热量约为方形槽结构的三分之一。因此梯形槽结构非常适合于飞轮储能系统这类效率要求高、散热条件差的场合。
3 结论
（1）为25 kWh/100 kW大型储能飞轮磁轴承进行结构设计，用横截面为梯形的永磁环取代传统的矩形结构。对永磁环取不同倾角时，分析其磁密和相对磁密变化趋势，最终选取该倾角为20°。
（2）对两种截面永磁环的磁轴承性能对比分析可知，梯形截面结构的磁轴承的永磁体用量多于矩形槽结构，但产生相同的力，需要的电流小于矩形槽结构，产生的热量约为矩形槽结构的三分之一。因此该结构的磁轴承非常适合于诸如飞轮储能系统这类在真空状态下运行的场合。
参考文献：
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（责任编辑：周晓南）