飞轮电池转子偏移对磁轴承性能的影响

飞轮电池转子偏移对磁轴承性能的影响

汤双清;宋文虎;柯友文;黄鹏;李庆东

【摘要】由于飞轮电池转子在高速运转时避免不了会产生一定的偏移,偏移会对飞轮电池磁轴承的刚度产生影响,为了更加清楚地知道其具体影响,本文介绍了自归位轴承的模型和磁力计算理论,同时借助有限元法,描述了转子在不同方向偏移下,磁轴承产生自归位磁力和磁轴承刚度的变化,最终得:随着转子偏移量的增大,磁轴承所受到自归位磁力也随之增大,其自归位效果良好;在转子刚刚发生偏移时,磁轴承刚度变化较大,随着转子偏移量增大磁轴承刚度逐步趋向稳定;转子产生径向位移时磁轴承刚度远小于产生轴向位移时的磁轴承刚度.%The magnetic bearing stiffness will be affected by the flywheel battery rotor skewing,which can not be avoided when the flywheel battery rotor rotates at high speed.This article introduces the model of magnetic self-homing bearing and magnetic theory of computation in order to aware of the specific effects more clearly,and describes the change of homing magnetic produced from magnetic bearings and magnetic bearing stiffness when the rotor offsets in different directions by the finite element method.Finally,some conclusions are drawn as follows:As the rotor skewing increases,the magnetic force received from the magnetic bearing increases,which proved its good effect of self-homing.When the rotor is just shifted,the magnetic bearing stiffness change dramatically,which gradually becoming stable with the rotor skewing increases.Magnetic bearing stiffness with radial displacement of the rotor generated is much smaller than that with axial displacement of the rotor generated.

【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2017(039)004

【总页数】4页(P80-83)

【关键词】磁轴承;导体环;有限元;偏移;磁力;刚度

【作者】汤双清;宋文虎;柯友文;黄鹏;李庆东

【作者单位】三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌 443002;三峡大学新能源微电网

湖北省协同创新中心,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与动力学院,湖

北宜昌 443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌 443002

【正文语种】中文

【中图分类】TH133.3

飞轮储能系统作为一种储能技术已经应用到航空航天、电动汽车、通信、医疗、电力等领域[1]．飞轮储能系统又叫飞轮电池[2]，飞轮电池由于具有一系列独特的性能，已经成为电池行业的一支新生力量，并在许多方面有取代化学电池的趋势.从

现有飞轮使用的支撑方式来看，主要有电磁轴承、超导体磁力轴承和永磁磁力轴承，随着电磁技术的发展，将电磁轴承与永磁轴承完美地结合在一起，出现了一种新型磁力轴承-磁轴承[3]．这种轴承只需要永磁体和闭合导体，其结构简单、价格低廉，适用范围非常广．文献[4]对飞轮转子提出复合材料工业设计方法并设计了一个10层、内径60 mm、外径120 mm、转速达到80 000 r/min的飞轮[4]．文献[5]在中原油田飞轮储能功率放大器项目中，实现了1 800～3 600 r/min升速过程中电动功率120 kW、3 600～1 800 r/min降速发电400 kW/25 s(释放能量10

MJ)[5]．

飞轮电池需要转子通过高速运转来储存能量，在高速运转中，转子避免不了会产生一定的偏移，对电磁轴承性能造成影响，严重时会使飞轮电池直接损坏．本文主要研究转子在高速运转产生偏移时，磁轴承所受自归位磁力和磁轴承刚度变化，并利用ANSYS对其进行仿真．

为了能更清楚地了解磁轴承导体环的工作情况，矩形线圈在特定磁场中的运动构型如图1所示．

图1中V为导体环运动速度，I为导体环内电流，矩形导体环的上部和下部分别位于磁场方向向外和向内的磁场中，并且沿着水平方向匀速移动，如果导体环没有垂直方向的运动，则通过它的磁通量不会产生变化，也就是不会有感应电动势，同样不会有感应电流，导体环则不会受到洛伦兹力的作用．假如导体环有垂直方向的偏移运动，通过它的磁通量会产生变化，因此会产生感应电流，从而导体环会受到与偏移方向相反的洛伦兹力的作用，会将其“拉回”到原定位置．

假定导体环的电阻为零，上下边的磁感应强度都为B，长度为l．当其产生一个垂

直方向的微小位移X时，通过导体环的磁通变化为：

感应电动势为：

式中，L为导体环的电感．导体环中产生的感应电流为

导体环的洛伦兹力为：

式中负号表示洛伦兹力与偏移方向相反，由上式可知，只要导体环产生垂直方向的偏移，就会产生与其偏移方向相反的洛伦兹力将其拉回到原来的位置．

文献[3]中提到磁轴承由永磁体和导体环两部分组成，在本文应用中永磁体为固定件，故导体环的刚度可以代表轴承的刚度；导体环安装于转子上，可利用导体环在转子产生偏移时使其自动归位．为了简化计算，建立如图2所示的自归位分析模

型来说明转子中间部位磁路情况．转子向右侧发生x偏移，确定此方向为正方向，