大容量飛輪儲能系統用永磁卸載軸承的研究

馬蘭

【摘 ?要】為了提高立式大容量飛輪儲能系統中卸載用永磁軸承的卸載力密度，提高永磁材料的利用率，有效地卸去軸向的大部分靜態載荷，對永磁卸載軸承進行了相應研究。在總結了可選的卸載軸承形式后，利用有限元計算軟件，比較了三種磁極排布結構，得出了徑向磁化的卸載軸承的力密度較高的結論。利用有限元軟件研究了結構參數對力密度和卸載質量比的影響，結果表明優化后的卸載軸承能進一步提高其卸載力和卸載力密度。

【關鍵詞】飛輪儲能系統;卸載軸承;力密度;永磁體卸載質量比

0永磁卸載軸承磁極排列方案對比

在單側放置永磁體的結構中多數為定轉子沿軸向上下放置的形式，可以采用增加永磁體的磁極面積和增加磁極數的方法增大卸載軸承產生的磁力，其中增加磁極面積對增加力密度不明顯，而合理的多磁極分布可以有效地增加力密度和永磁體卸載質量比[6]。提高性能的第一步就是要選擇合理的磁極分布。方案的對比在軸向磁化多磁極結構、徑向磁化多磁極結構和混合磁化多磁極結構三種磁極結構中進行，它們示意圖如圖1所示。

圖1中帶有箭頭的物體代表永磁體，箭頭表示磁化方向，深色的部分表示軟磁性材料，白色表示空氣和轉軸，（a）、（b）、（c）分別代表軸向磁化、徑向磁化和混合磁化結構。比較磁極分布的性能時，為了突出問題、方便得出結論，把本應該是永磁體為圓環的圓柱體軸承結構改為永磁體是長方體的平板形結構討論。討論的模型如圖3，其中4是氣隙、5是10#鋼，比較三種磁極結構的計算結果，可知：軸向磁化的力密度最低，徑向和混合磁化的力密度高，徑向和混合結構相比，徑向結構略高一些。由于混合型的還多用到軸向充磁的磁環，從永磁體的用量和轉配的復雜程度上來說，徑向結構要好于混合結構。

計算得到的磁力線分布圖和轉子表面氣隙磁感應強度沿徑向的分布圖見圖3。從圖中可以看出徑向和混合磁化的磁感應強度要高于軸向磁化，這是產生軸向力差異的原因。

通過上述分析，可以得出結論：在三種結構中徑向磁化結構是立式飛輪儲能系統永磁卸載軸承要減小體積，減小永磁體的用量的最好的選擇。

1大容量飛輪儲能系統用永磁卸載軸承的優化

1.1卸載軸承的尺寸參數與力性能

對100kw、20kwh飛輪儲能系統的永磁卸載軸承利用磁路法與有限元計算結合進行了設計，整個轉子重1130kg，設計的指標是卸載力大于80%（即大于9000N），經反復計算得到的主要結構尺寸：內徑20mm，外徑150mm，永磁體磁環徑向充磁，極數（磁環數）為3。磁環磁化長度hm為10mm，磁環高度h為10mm，磁環之間的齒寬t為10mm。由于圓柱體形的卸載軸承軸對稱，可以在RZ坐標系下建立2D有限元模型以簡化計算。2D有限元計算結果為9140N，其磁力線圖和磁密云圖見圖4。計算結果表明，設計滿足技術指標，軸承轉子部件工作點較高，處在膝點附近，較為合理。所設計的軸承軸向卸載力密度52.65N/cm2，永磁體質量與卸載質量比為1：1437。

1.2氣隙長度對卸載力的影響

增大氣隙會使氣隙磁密減小，使磁拉力降低，而減小氣隙又會使磁材料高度飽和，因此改變氣隙對于現有的設計提高力密度和卸載質量比的意義不大，計算得到的磁力（力密度）與氣隙大小的關系見圖5（a），氣隙磁密的分布圖見圖5（b）。

在氣隙小于0.5之后，出現了較嚴重的磁飽和，隨著氣隙的大小的增大，齒下的氣隙磁密幅值減小，導致軸向力減小。

2結論

本文得到了徑向磁化的軸向永磁卸載軸承的力能指標更高的結論。討論了一些參數對力密度和永磁體卸載質量比的影響，結果表明可以進一步縮小裝置體積和永磁體用量。

（作者單位：長春軌道客車股份有限公司）