飞轮电池新型磁悬浮支承系统转子自归位机理研究

针对本项目提出的一种新型无源自治磁悬浮支承系统方案，研究其径向电动磁力轴承的悬浮机制和轴向锥面磁隙永磁磁力轴承的承载特性及影响其承载特性的因素，在此基础上研究这两种磁力轴承联合作用下的转子运转自归位机制；分析径向与轴向磁力轴承之间的机、电与磁之间的耦合关系，建立磁悬浮支承系统耦合动力学模型，探寻转子在其自重和外界扰动作用下的运动特性及其稳定运转规律；考虑飞轮电池中电动机/发动机的结构与布置因素，对飞轮转子进行结构优化；利用试制的磁悬浮支承系统试验原型，测试系统主要的性能指标。.本项目提出的无源自治磁悬浮支承系统自归位机理的研究是一项多学科交叉的高新技术研究项目，由电动磁力轴承与锥面磁隙的永磁磁力轴承构成的磁悬浮系统是一种全新的支持系统，应用于固定式飞轮电池转子支承系统可降低飞轮电池的造价和提高系统运行的可靠性，其研究成果将不仅具有较大的学术价值，还会对我国能源工程建设产生深远影响。

飞轮电池是未来平抑风能和太阳能发电输出的最好部件，越来越受到人们的关注。本项目的主要研究内容和重要结果如下：（1）针对径向电动磁力轴承展开工作机理研究，发现转子上导体环数为 3 时可获得轴承最大刚度；其次，当在导体环的内外圆弧处分别采用磁化方向相反的两个轴向磁场时可以取得更好的径向悬浮效果；再者，临界阻尼越小，系统将越容易稳定运转；此外，当系统阻尼大于临界阻尼时，理论上转子从零转速开始就可稳定地运转，即飞轮电池理论上可以“放电”到零转速，而当系统阻尼小于临界阻尼时，可以计算出系统稳定运转的最低转速，只要转子在最低转速之上运行，系统就能稳定运转。（2）通过对锥面磁隙的永磁磁力轴承展开研究，发现锥面磁隙的永磁磁力轴承除主要用来承受轴向力外，还可以用作转子的辅助径向支承；其次，此类轴承存在一个较小的不稳定区域，设计时应力求避开此区域。（3）通过对磁悬浮支承系统中的机、电与磁之间的耦合关系分析，发现两对环形磁铁对轴向锥面永磁磁力轴承的轴向力有比较大的影响；其次，当两个内环形磁铁的充磁方向与上锥面永磁体同向时，导致轴向锥面永磁磁力轴承悬浮力与实际相比变小，反之将导致轴向锥面永磁磁力轴承悬浮力与实际相比变大。（4）通过对磁悬浮支承系统转子动力学分析，为保证飞轮电池在工作范围内不发生共振，其工作转速应该偏离临界转速一定距离。本项目研制的飞轮电池的工作转速满足这一要求，可以有效的避开共振区域。（5）通过对飞轮电池新型磁悬浮支承系统试验原型的试制，也取得了一些重要的开发经验。其一，为了安全性考虑，在径向增选了一对向心推力轴承，可以保证在飞轮电池启动初始时转子运转灵活，而在正常储能过程中又不影响储能效果；其二，在导体环与阻尼环的制造与安装过程中，应确保漆包线封口过程中其连接端的可靠连接；其三，安装两对环状永磁体时要注意其充磁方向，以便能提供导体环的正确磁场方向。