大容量飞轮储能系统用永磁卸载轴承的研究

马兰

【摘  要】为了提高立式大容量飞轮储能系统中卸载用永磁轴承的卸载力密度，提高永磁材料的利用率，有效地卸去轴向的大部分静态载荷，对永磁卸载轴承进行了相应研究。在总结了可选的卸载轴承形式后，利用有限元计算软件，比较了三种磁极排布结构，得出了径向磁化的卸载轴承的力密度较高的结论。利用有限元软件研究了结构参数对力密度和卸载质量比的影响，结果表明优化后的卸载轴承能进一步提高其卸载力和卸载力密度。

【关键词】飞轮储能系统;卸载轴承;力密度;永磁体卸载质量比

0永磁卸载轴承磁极排列方案对比

在单侧放置永磁体的结构中多数为定转子沿轴向上下放置的形式，可以采用增加永磁体的磁极面积和增加磁极数的方法增大卸载轴承产生的磁力，其中增加磁极面积对增加力密度不明显，而合理的多磁极分布可以有效地增加力密度和永磁体卸载质量比[6]。提高性能的第一步就是要選择合理的磁极分布。方案的对比在轴向磁化多磁极结构、径向磁化多磁极结构和混合磁化多磁极结构三种磁极结构中进行，它们示意图如图1所示。

图1中带有箭头的物体代表永磁体，箭头表示磁化方向，深色的部分表示软磁性材料，白色表示空气和转轴，（a）、（b）、（c）分别代表轴向磁化、径向磁化和混合磁化结构。比较磁极分布的性能时，为了突出问题、方便得出结论，把本应该是永磁体为圆环的圆柱体轴承结构改为永磁体是长方体的平板形结构讨论。讨论的模型如图3，其中4是气隙、5是10#钢，比较三种磁极结构的计算结果，可知：轴向磁化的力密度最低，径向和混合磁化的力密度高，径向和混合结构相比，径向结构略高一些。由于混合型的还多用到轴向充磁的磁环，从永磁体的用量和转配的复杂程度上来说，径向结构要好于混合结构。

计算得到的磁力线分布图和转子表面气隙磁感应强度沿径向的分布图见图3。从图中可以看出径向和混合磁化的磁感应强度要高于轴向磁化，这是产生轴向力差异的原因。

通过上述分析，可以得出结论：在三种结构中径向磁化结构是立式飞轮储能系统永磁卸载轴承要减小体积，减小永磁体的用量的最好的选择。

1大容量飞轮储能系统用永磁卸载轴承的优化

1.1卸载轴承的尺寸参数与力性能

对100kw、20kwh飞轮储能系统的永磁卸载轴承利用磁路法与有限元计算结合进行了设计，整个转子重1130kg，设计的指标是卸载力大于80%（即大于9000N），经反复计算得到的主要结构尺寸：内径20mm，外径150mm，永磁体磁环径向充磁，极数（磁环数）为3。磁环磁化长度hm为10mm，磁环高度h为10mm，磁环之间的齿宽t为10mm。由于圆柱体形的卸载轴承轴对称，可以在RZ坐标系下建立2D有限元模型以简化计算。2D有限元计算结果为9140N，其磁力线图和磁密云图见图4。计算结果表明，设计满足技术指标，轴承转子部件工作点较高，处在膝点附近，较为合理。所设计的轴承轴向卸载力密度52.65N/cm2，永磁体质量与卸载质量比为1：1437。

1.2气隙长度对卸载力的影响

增大气隙会使气隙磁密减小，使磁拉力降低，而减小气隙又会使磁材料高度饱和，因此改变气隙对于现有的设计提高力密度和卸载质量比的意义不大，计算得到的磁力（力密度）与气隙大小的关系见图5（a），气隙磁密的分布图见图5（b）。

在气隙小于0.5之后，出现了较严重的磁饱和，随着气隙的大小的增大，齿下的气隙磁密幅值减小，导致轴向力减小。

2结论

本文得到了径向磁化的轴向永磁卸载轴承的力能指标更高的结论。讨论了一些参数对力密度和永磁体卸载质量比的影响，结果表明可以进一步缩小装置体积和永磁体用量。

（作者单位：长春轨道客车股份有限公司）