飛輪系統(tǒng)軸向磁力軸承永磁體結構設計及優(yōu)化

(貴州裝備制造職業(yè)學院，貴州 貴陽 550000)

0 引言

由于大容量高儲能飛輪系統(tǒng)中飛輪轉子具有質量大的特點，為了穩(wěn)定實現(xiàn)懸浮，同時又要降低損耗，需要設計一種既能卸重又能在受到干擾時調整轉子狀態(tài)的磁軸承。本文提出了一種截面形狀為梯形的永磁偏置混合磁軸承的設計方法，并對梯形截面永磁體的斜面傾斜角度進行了優(yōu)化，結合25 kWh飛輪儲能系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)了對承載約1200 kg的混合軸向磁軸承永磁體的設計。

1 混合磁軸承工作原理

軸向混合磁力軸承在正常工作時電磁線圈不工作，此時永磁體將飛輪的轉子重量卸載。當外部有干擾時，飛輪轉子會產(chǎn)生偏移，隨之工作氣隙會產(chǎn)生變化，為保證轉子處于平衡位置，飛輪控制系統(tǒng)會給電磁線圈通一定電流進行平衡調節(jié)，當轉子回到平衡狀態(tài)后，軸向混合磁力軸承恢復正常工作。如圖1所示混合磁軸承結構示意圖給出了永磁磁路和電磁磁路，虛線為電磁磁路，細實線為永磁磁路，粗實線為總磁路。永磁磁路經(jīng)永磁體N極—導磁環(huán)—外環(huán)工作氣隙—轉子推力盤—內環(huán)工作氣隙—定子腔—永磁體S極形成閉合回路。

圖1 混合磁軸承的結構示意圖

2 磁力軸承永磁體設計及優(yōu)化

永磁體設計主要包括材料的選擇和永磁體結構設計，其中永磁材料的選擇應遵循可以提供所要求的電磁力，而設計結構時應考慮由于飛輪儲能系統(tǒng)，工作環(huán)境為真空，散熱條件較差，在能滿足要求電磁力的情況下以產(chǎn)熱最小為原則，通過對永磁體單獨作用和永磁體、電磁線圈共同作用兩種狀態(tài)電磁分析、產(chǎn)熱量，得到最優(yōu)結果[1-2]。

2.1 材料的選擇

對于永磁軸承來說永磁體材料的選擇極為重要，材料一般應具有高的磁性能、良好的磁穩(wěn)定性以及矯頑力高，同時還應在高速回轉時具有良好的力學性能[3]。綜上所述，稀土永磁材料應該是永磁軸承所需永磁材料比較理想的選擇，它磁能積較大，一般為碳鋼的150倍，鐵氧體的8～10倍，鋁鎳鈷的3～5倍[4]。在動態(tài)條件下工作時，該材料的永磁體的工作點不在退磁曲線上，而在回復曲線上。同時它的抗外界干擾能力強，能夠長期使用保持穩(wěn)定，因此混合磁軸承的永磁體材料選用釹鐵硼材料比較適合，選用高矯頑力釹鐵硼材料N35UH，其中具體材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 N35UH材料性能參數(shù)

2.2 永磁體結構的設計

由于軸向混合磁軸承的承載力大，控制難度大，導致漏磁損耗、線圈發(fā)熱較為嚴重，因此為了提高軸承系統(tǒng)的效率，往往需要通過對永磁體結構進行優(yōu)化。根據(jù)氣隙磁阻小，在產(chǎn)生同樣的電磁力，需要的電流就會小，功耗就會降低原理，首先設計兩種永磁體結構即矩形截面結構和梯形截面結構，通過對這兩種不同結構的永磁體在磁軸承中的磁路特性分析比較，從而選擇出較為合理的永磁體結構形式。圖2(a)為傾角為15°的梯形結構永磁體磁軸承，圖2(b)為矩形結構永磁體磁軸承。

圖2 兩種不同截面永磁體的磁軸承截面圖

2.2.1 磁路分析的理論基礎

根據(jù)磁路等效法，可以求得圖3所示的等效磁路，(a)為永磁體等效磁路圖，(b)為電磁線圈等效磁路圖。

圖3 軸向混合磁軸承等效磁路圖

由圖3(a)所示永磁磁路，可以得到磁通表達式為[5]：

(1)

式中：

FP=HchP

(2)

(3)

(4)

對于圖3(b)所示電磁磁路，各個支路的磁通為：

(5)

從而可得總磁通為：

Φ=ΦP+Φi

(6)

所產(chǎn)生的磁力為：

(7)

合力為：

F=F1-mg

(8)

其中，F(xiàn)P為永磁體磁動勢，Hc為永磁體矯頑力，hP為永磁體磁化方向長度，μr為永磁體的相對磁導率，AP為永磁體截面積，Aout為外圈導磁環(huán)截面積，Ain為內圈導磁環(huán)截面積，Doutw為外圈導磁環(huán)外圓直徑，Doutn為外圈導磁環(huán)內圓直徑，Dinw為內圈導磁環(huán)外圓直徑，Dinn為內圈導磁環(huán)內圓直徑，DPw為永磁環(huán)外圓直徑，DPn為永磁環(huán)內圓直徑，σ和σ*分別是指永磁磁路和電磁磁路的漏磁系數(shù)，δ是指氣隙長度，R為磁路磁阻，下標out和in指外環(huán)和內環(huán)，n和w指的是內圓和外圓，ΦP為永磁磁路中總磁通，RPe為永磁磁路中等效磁阻，Ni為電磁線圈安匝數(shù)，i為線圈串聯(lián)電流。

當B=Bs時，飽和磁密度為Φs，軸向混合磁軸承的承載力達到最大，即：

(9)

2.2.2 永磁體單獨工作電磁分析

通過運用ANSOFT電磁分析軟件對永磁體單獨工作時兩種不同截面永磁體的磁軸承進行電磁分析，得到永磁體梯形結構氣隙磁密波形圖和永磁體矩形槽結構氣隙磁密波形圖，分別如圖4和圖5所示[6-8]。

圖4 永磁體梯形結構氣隙磁密波形圖

如上兩波形圖所示均為永磁體單獨工作時，所得出的氣隙磁密波形圖，對比可知，永磁體梯形結構

圖5 永磁體矩形結構氣隙磁密波形圖

磁軸承和永磁體矩形結構磁軸承所產(chǎn)生的氣隙磁密波形基本相同，其中梯形永磁體產(chǎn)生的平均氣隙磁密為0.6317 T，矩形永磁體產(chǎn)生的平均氣縫隙磁密為0.8932 T，梯形永磁體結構磁軸承的平均氣隙磁密小于矩形永磁體結構的平均氣隙磁密，后者是前者氣隙磁密的1.4倍。這是由于梯形結構的永磁體的面積相比于矩形結構的小，同時兩端削角后，兩端的漏磁增加。根據(jù)電磁力計算公式可得永磁體單獨工作時，梯形截面永磁體磁軸承產(chǎn)生的永磁力為19154 N，而矩形截面永磁體磁軸承產(chǎn)生的電磁力為38294 N，對比可知梯形永磁體產(chǎn)生的永磁體約為矩形永磁體產(chǎn)生的0.5倍，通過該方面分析可得采用梯形永磁體結構相對矩形來說，產(chǎn)生的氣隙磁密降低，永磁力下降。

2.2.3 永磁體和電磁部分同時工作電磁分析

分析對比兩種不同永磁體結構的磁軸承電磁部分的性能，圖6和圖7分別為通10 A的電流電磁部分作用時兩者氣隙磁密波形圖。

圖6 電磁作用時梯形結構永磁體磁軸承氣隙磁密波形圖

如圖6和圖7所示，兩種結構產(chǎn)生的氣隙磁密波形圖趨勢基本相同，其中梯形結構產(chǎn)生的平均氣隙磁密為0.8938 T，梯形槽平均氣隙磁密為0.6325 T。對比可知矩形結構的平均氣隙磁密大于梯形結構的平均氣隙磁密，約為1.4倍。這是由于梯形永磁體削角部分磁阻大幅減小，相同的勵磁電流產(chǎn)生的磁通增大，磁密增大。根據(jù)計算可得電磁部分和永磁體同時工作時，梯形結構產(chǎn)生的電磁力為19202 N，而矩形結構產(chǎn)生的電磁力為38346 N。

圖7 電磁作用時矩形結構永磁體磁軸承氣隙磁密波形圖

根據(jù)永磁體單獨工作以及電磁部分和永磁體共同工作兩種不同結構永磁體進行電磁分析計算可知，由于梯形結構相對于矩形結構永磁體的磁阻相對較小，在產(chǎn)生相同電磁力的情況下，梯形所需的電流較小，所產(chǎn)生的能耗較小，產(chǎn)熱量也相應較小，因此梯形結構永磁體在這一方面比矩形結構的好。

對于飛輪儲能系統(tǒng)，工作環(huán)境為真空，散熱條件較差，綜上比較可知，梯形結構的永磁體產(chǎn)生的永磁力雖然相對較小，但在相同條件下產(chǎn)熱量相對較小，因此在能滿足要求電磁力的情況下較為適合此系統(tǒng)。

2.3 梯形永磁體結構的優(yōu)化分析

飛輪儲能系統(tǒng)是處在一個真空工作環(huán)境中的，在設計中需重點考慮其熱量的產(chǎn)生，其中磁力軸承的電磁部分是其主要發(fā)熱點之一，在具有足夠的軸向恢復力時，應該使得其控制電流最小，從而產(chǎn)生的熱量最小。由以上分析可知道，在產(chǎn)生相同軸向恢復力時，梯形截面永磁體磁力軸承比矩形截面永磁體磁力軸承所需的電流要小。現(xiàn)就梯形截面永磁體的斜面傾斜角度進行分析。假設在10 A電流的作用下，考慮永磁體的加工工藝，分別取傾斜角度5°、10°、15°、20°、25°進行分析，磁密和相對磁密變化趨勢見表2、圖8、圖9。

表2 不同傾斜角度磁密相對變化趨勢

圖8 隨傾斜角度變化的磁密趨勢

圖9 相對磁密隨傾斜角度變化的變化趨勢

從表2不同傾斜角度磁密相對變化趨勢和圖8隨傾斜角度變化的磁密趨勢可知，隨著傾斜角度的增加，磁密減小。從圖9相對磁密隨傾斜角度變化的變化趨勢可知，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?？紤]初設磁密及最終磁密和永磁體加工工藝，永磁體傾斜角度20°為最佳狀態(tài)，傾斜角為20°永磁體的軸向混合磁力軸承如圖10所示。

3 結論

1)根據(jù)設計要求混合磁軸承永磁體材料選用高矯頑力釹鐵硼材料N35UH。

2)運用ANSOFT電磁分析軟件對矩形截面結構和梯形截面結構永磁體在磁軸承中兩種工作狀態(tài)的磁路特性進行分析比較，得出梯形截面結構永磁體較為合理，在滿足電磁力要求的情況下，在真空環(huán)境下產(chǎn)熱量相對較小。

圖10 傾斜角為20°永磁體的軸向混合磁力軸承

3)通過對梯形截面結構傾斜角度進行分析優(yōu)化，考慮初設磁密及最終磁密和永磁體加工工藝，得出梯形截面結構傾斜角度為20°是最優(yōu)結構。