大容量飛輪儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)載荷，對永磁卸載軸承進行了相應(yīng)研究。在總結(jié)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(jié)構(gòu)，得出了徑向磁化的卸載軸承的力密度較高的結(jié)論。利用有限元軟件研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對力密度和卸載質(zhì)量比的影響，結(jié)果表明優(yōu)化后的卸載軸承能進一步提高其卸載力和卸載力密度。

【關(guān)鍵詞】飛輪儲能系統(tǒng);卸載軸承;力密度;永磁體卸載質(zhì)量比

0永磁卸載軸承磁極排列方案對比

在單側(cè)放置永磁體的結(jié)構(gòu)中多數(shù)為定轉(zhuǎn)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(shù)的方法增大卸載軸承產(chǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)、徑向磁化多磁極結(jié)構(gòu)和混合磁化多磁極結(jié)構(gòu)三種磁極結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸，（a）、（b）、（c）分別代表軸向磁化、徑向磁化和混合磁化結(jié)構(gòu)。比較磁極分布的性能時，為了突出問題、方便得出結(jié)論，把本應(yīng)該是永磁體為圓環(huán)的圓柱體軸承結(jié)構(gòu)改為永磁體是長方體的平板形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的計算結(jié)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(jié)構(gòu)相比，徑向結(jié)構(gòu)略高一些。由于混合型的還多用到軸向充磁的磁環(huán)，從永磁體的用量和轉(zhuǎn)配的復(fù)雜程度上來說，徑向結(jié)構(gòu)要好于混合結(jié)構(gòu)。

計算得到的磁力線分布圖和轉(zhuǎn)子表面氣隙磁感應(yīng)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(yīng)強度要高于軸向磁化，這是產(chǎn)生軸向力差異的原因。

通過上述分析，可以得出結(jié)論：在三種結(jié)構(gòu)中徑向磁化結(jié)構(gòu)是立式飛輪儲能系統(tǒng)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(tǒng)用永磁卸載軸承的優(yōu)化

1.1卸載軸承的尺寸參數(shù)與力性能

對100kw、20kwh飛輪儲能系統(tǒng)的永磁卸載軸承利用磁路法與有限元計算結(jié)合進行了設(shè)計，整個轉(zhuǎn)子重1130kg，設(shè)計的指標(biāo)是卸載力大于80%（即大于9000N），經(jīng)反復(fù)計算得到的主要結(jié)構(gòu)尺寸：內(nèi)徑20mm，外徑150mm，永磁體磁環(huán)徑向充磁，極數(shù)（磁環(huán)數(shù)）為3。磁環(huán)磁化長度hm為10mm，磁環(huán)高度h為10mm，磁環(huán)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(biāo)系下建立2D有限元模型以簡化計算。2D有限元計算結(jié)果為9140N，其磁力線圖和磁密云圖見圖4。計算結(jié)果表明，設(shè)計滿足技術(shù)指標(biāo)，軸承轉(zhuǎn)子部件工作點較高，處在膝點附近，較為合理。所設(shè)計的軸承軸向卸載力密度52.65N/cm2，永磁體質(zhì)量與卸載質(zhì)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(xiàn)有的設(shè)計提高力密度和卸載質(zhì)量比的意義不大，計算得到的磁力（力密度）與氣隙大小的關(guān)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(xiàn)了較嚴(yán)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(dǎo)致軸向力減小。

2結(jié)論

本文得到了徑向磁化的軸向永磁卸載軸承的力能指標(biāo)更高的結(jié)論。討論了一些參數(shù)對力密度和永磁體卸載質(zhì)量比的影響，結(jié)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）