飛輪儲(chǔ)能用高效磁軸承的基礎(chǔ)研究.pdf

1、磁軸承是一種利用電磁力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮的機(jī)電系統(tǒng)。無(wú)接觸、低損耗，具有可控剛度和阻尼的磁軸承是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑒于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在智能電網(wǎng)技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)、航空航天技術(shù)、不間斷電源技術(shù)以及脈沖電源技術(shù)等領(lǐng)域所展現(xiàn)出的廣闊應(yīng)用前景，對(duì)磁軸承進(jìn)行基礎(chǔ)研究具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文綜述了磁軸承的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)磁軸承的工作原理、電磁場(chǎng)計(jì)算方法、控制方法的研究進(jìn)展進(jìn)行了探討。本文詳細(xì)分析了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)

2、子支承系統(tǒng)需求，針對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)頻繁加減速，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的特點(diǎn)，選擇了主動(dòng)式磁軸承作為飛輪儲(chǔ)能轉(zhuǎn)子的支承系統(tǒng)。為了降低磁軸承的損耗，提高磁軸承的結(jié)構(gòu)緊湊型，選擇了永磁體產(chǎn)生永磁偏置磁場(chǎng)。對(duì)獨(dú)立式永磁偏置徑向、軸向磁軸承的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)解析模型、數(shù)學(xué)模型與控制系統(tǒng)展開(kāi)了研究。論文的工作主要包含以下幾個(gè)方面:
　　介紹了永磁偏置同極式徑向磁軸承（徑向磁軸承）的結(jié)構(gòu)和工作原理，依照徑向磁軸承的結(jié)構(gòu)特征，采用子域法，結(jié)合周期性邊界條件

3、，建立了氣隙永磁偏置磁場(chǎng)的解析模型。將電勵(lì)磁磁場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維平面電磁場(chǎng)，采用面電流模型，建立了電勵(lì)磁磁場(chǎng)的解析模型。將徑向磁軸承的端部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為直線模型，采用保角變換法建立了端部磁場(chǎng)的解析模型。通過(guò)對(duì)端部磁場(chǎng)不同區(qū)域的劃分，建立了考慮齒槽效應(yīng)的軸向電磁力計(jì)算模型。采用有限元軟件對(duì)徑向磁軸承的三維靜磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了解析模型的有效性。
　　本文首先對(duì)徑向磁軸承所使用的磁性材料的直流磁化曲線進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)磁力線路徑進(jìn)行了預(yù)測(cè)

4、，建立了包含齒槽效應(yīng)、轉(zhuǎn)子偏心以及磁材料線性磁阻的徑向磁軸承磁路模型。三維有限元分析的結(jié)果驗(yàn)證了基于磁路模型的氣隙磁場(chǎng)和電磁力特性計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而證明了在實(shí)際控制系統(tǒng)中，可以認(rèn)為徑向磁軸承的兩個(gè)自由度是相互解耦的。針對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)需求，考慮到永磁電機(jī)的偏心力和轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量引發(fā)的不平衡力，對(duì)轉(zhuǎn)子各個(gè)姿態(tài)之下的徑向磁軸承最大電磁力需求進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)磁軸承的電勵(lì)磁和永磁勵(lì)磁比例進(jìn)行了研究。對(duì)徑向磁軸承進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì)，確定徑向磁軸承

5、的主要尺寸，并給出了設(shè)計(jì)結(jié)果。
　　介紹和比較了現(xiàn)有的永磁偏置軸向磁軸承的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種多氣隙永磁偏置軸向磁軸承（軸向磁軸承）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了其工作原理?；诒＝亲儞Q方法和側(cè)邊磁力線模型，建立了所提出的軸向磁軸承軸向氣隙的解析模型。基于磁位拉普拉斯方程和漏磁區(qū)域的邊界磁位，給出了永磁體所產(chǎn)生漏磁通的解析表達(dá)式。建立了軸向磁軸承的磁路模型，并據(jù)此建立了軸向磁軸承的電磁力計(jì)算模型。對(duì)軸向磁軸承進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì)，對(duì)內(nèi)氣隙的寬度比例

6、進(jìn)行了選擇，對(duì)永磁體的尺寸和安放位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用三維有限元分析驗(yàn)證了軸向磁軸承解析模型的有效性和電磁設(shè)計(jì)的正確性。
　　針對(duì)由軸向磁軸承實(shí)心定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的渦流問(wèn)題，將軸向磁軸承的主要電勵(lì)磁磁路劃分為多個(gè)分別包含有軸向磁通和徑向磁通的部分，依照交流磁通的單元有效磁阻模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交變磁阻的等效。將定子中心盤考慮為二次繞組，確立了軸向磁軸承各個(gè)矢量之間的關(guān)系。從而獲得了電流剛度的解析表達(dá)式。對(duì)軸向磁軸承的二維瞬態(tài)電磁場(chǎng)，采

7、用有限元軟件進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了電力剛度解析表達(dá)式在各個(gè)頻率段上的正確性。采用有限元分析手段，對(duì)由轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)造成的渦流效應(yīng)，采用網(wǎng)格重剖技術(shù)，對(duì)磁軸承的動(dòng)態(tài)位移剛度系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)交流勵(lì)磁源激勵(lì)之下和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀況下的永磁偏置力進(jìn)行了計(jì)算。為了改善磁軸承的動(dòng)態(tài)性能，提出了一種基于定子分割的渦流抑制方法，通過(guò)對(duì)單元有效磁阻模型的等效處理，建立了定子分割之后的電流剛度表達(dá)式。
　　將徑向磁軸承和軸向磁軸承的輸出特性等效為電流剛度系數(shù)和位移

8、剛度系數(shù)的線性組合。將轉(zhuǎn)子近似的等效為剛性轉(zhuǎn)子。在Matlab/Simulink環(huán)境中，建立了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的磁軸承數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)包含渦流效應(yīng)的軸向磁軸承起浮過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，證明了渦流效應(yīng)將降低軸向磁軸承的響應(yīng)速度。對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子振幅進(jìn)行了仿真研究，仿真的結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子的最大振幅將出現(xiàn)在共振頻率點(diǎn)處。
　　研制了一臺(tái)儲(chǔ)能量為4.8MJ的飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)，所設(shè)計(jì)的飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)本體包含有磁軸承、高速永

9、磁電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、飛輪轉(zhuǎn)子本體、輔助軸承以及真空腔屏蔽罩。飛輪與轉(zhuǎn)軸為一體式設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)度合金鋼材料整體鍛造，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速在一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速以下。分別搭建了徑向磁軸承和軸向磁軸承的位置和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)徑向磁軸承和軸向磁軸承的電流剛度參數(shù)和位移剛度參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了本文所建立分析模型的有效性和電磁設(shè)計(jì)的正確性。對(duì)軸向磁軸承的動(dòng)態(tài)電流剛度系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了瞬態(tài)有限元仿真技術(shù)的有效性。對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了5自由度懸浮實(shí)