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磁懸浮軸承具有無(wú)摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、噪聲小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界倍受關(guān)注。電磁軸承作為一種有源磁懸浮軸承，可通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)其推力剛度、阻尼，對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)抑制及不平衡補(bǔ)償，有利于提高轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于高速電機(jī)、飛輪儲(chǔ)能等發(fā)電及電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，真正實(shí)現(xiàn)高速高效。

然而電磁軸承工作時(shí)需要位置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)偏離平衡的位移并通過(guò)控制器調(diào)整線圈電流以控制推力大小。這對(duì)傳感器的分辨率及控制器的響應(yīng)速率提出嚴(yán)格要求，且轉(zhuǎn)速越高要求越高，相應(yīng)的設(shè)計(jì)成本也越高。此外，電磁軸承在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱損耗和渦流損耗，將引起部件溫升進(jìn)而影響電磁軸承的工作性能，在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)真空運(yùn)行環(huán)境下該問(wèn)題更為突出。

超導(dǎo)磁懸浮軸承（Superconducting Magnetic Bearing, SMB）具有無(wú)源自穩(wěn)定性、無(wú)需控制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、摩擦系數(shù)較電磁軸承小等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的熱點(diǎn)。國(guó)外有美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等研究機(jī)構(gòu)，研究主要集中于太空飛船姿態(tài)調(diào)整、磁懸浮列車(chē)、高速軸承、飛輪儲(chǔ)能等應(yīng)用方面。國(guó)內(nèi)有中科院電工所從事超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究，西南交大從事磁懸浮軌道列車(chē)研究。

然而，超導(dǎo)材料由于價(jià)格昂貴造成超導(dǎo)磁懸浮軸承成本過(guò)高。超導(dǎo)磁軸承懸浮力、剛度與永磁或電磁軸承相比較低，難以實(shí)現(xiàn)支撐較大飛輪載荷，需要與電磁軸承、永磁軸承配合使用。此外，超導(dǎo)磁軸承懸浮力具有弛豫，將影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)等單位的研究人員，在原有超導(dǎo)徑向磁軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種將其和軸向電磁軸承（Active Electromagnetic Bearing, AMB）集成于一體的混合磁懸浮軸承（Hybrid Magnetic Bearing, HMB）結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于基于磁驅(qū)動(dòng)的高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)系統(tǒng)。

圖1 徑向超導(dǎo)磁軸承

圖2 超導(dǎo)電磁混合軸承結(jié)構(gòu)

在已知電磁軸承定子內(nèi)環(huán)內(nèi)徑、外環(huán)外徑的條件下利用有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了二者之間關(guān)鍵性能參數(shù)的相互影響。試制了原理樣機(jī)，通過(guò)懸浮力測(cè)量實(shí)驗(yàn)并分析驗(yàn)證了可行性。

圖3 混合軸承樣機(jī)及懸浮力測(cè)量裝置

研究結(jié)果表明：

• 1）與原徑向超導(dǎo)軸承相比，混合軸承增大了懸浮力及其剛度，提高了懸浮力體積比。
• 2）利用液氮作為冷卻介質(zhì)可有效解決電磁軸承線圈的發(fā)熱問(wèn)題，尤其適用于飛輪儲(chǔ)能真空應(yīng)用環(huán)境。
• 3）超導(dǎo)軸承具有的自穩(wěn)定性有助于降低電磁軸承控制器的響應(yīng)速率，混合軸承能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。下一步將嘗試采用超導(dǎo)線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)銅線圈的全超導(dǎo)混合軸承設(shè)計(jì)。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用超導(dǎo)電磁混合磁懸浮軸承設(shè)計(jì)”，作者為李萬(wàn)杰、張國(guó)民、王新文、邱清泉。