超导磁悬浮微飞轮系统设计与测试

1、超导磁悬浮微飞轮系统设计与测试论文关键词：高温超导磁悬浮轴承,超导磁悬浮微飞轮系统,平面直流无刷电机,摩擦损耗引言目前，卫星主要是利用飞轮进行姿态调控，利用化学电池进行储存能量，然而使用化学电池，其缺点是寿命短，储能密度低。飞轮储能作为一种新型的机械储能方式吸引了许多人们的注意，与蓄电池储能比拟，飞轮储能具有储能密度高、充放电次数多、寿命长、效率高、体积小、工作范围宽、无环境污染、可获得较大的功率峰值等优点。特别是对于小卫星来说，利用飞轮进行储能能量，并在储能过程中对姿态进行调控，实现飞轮系统的一体化，可进一步减少重量，实现微型化。但是现阶段飞轮储能支撑机构尚存在一些问题，如采用机械轴承的飞轮

2、储能方式，摩擦力较大，损耗较多，转换效率较低；采用电磁悬浮轴承的飞轮储能方式要求控制系统较为复杂，且控制消耗能量，降低效率。高温超导以其独特的抗磁性和磁通钉扎效应，可以实现永磁铁无源的悬浮在高温超导体上面，并保持位置不变。由于高温超导的这个性质，其被应用于高温超导磁悬浮列车、磁轴承、飞轮储能系统等。高温超导制造的磁悬浮轴承应用于飞轮系统，可以实现飞轮转子无接触的悬浮，使飞轮系统具有更低的摩擦损耗。目前超导磁悬浮飞轮系统正处于快速开展中，美国波音公司、德国ATZ公司、日本的国际超导中心等都对大中型飞轮样机制造和试验，其中美国boering公司在2021总结报告中已经完成5kWh的样机制造和实验，

3、能带动3KW的负载正常运行。对于超导磁悬浮微飞轮样机，韩国LEE小组对其进行很深入的研究，目前研制的样机在真空中转速可到到51000rpm，储能377J。本文在本课题组研究飞轮储能系统和平面电机的根底上，采用高温超导磁悬浮轴承作为飞轮支撑机构，设计制造一个超导磁悬浮微飞轮系统样机，并对该样机的性能进行实验验证。2微飞轮系统设计高温超导磁悬浮微飞轮系统如图2所示。该飞轮系统是在机械轴承飞轮系统图1的根底上改良而来，它包括平面电机，飞轮转子系统和高温超导磁悬浮轴承以及液氮冷却系统,其中飞轮系统是集合了高温超导磁悬浮轴承的转子永磁铁、平面电机的转子6对磁极以及飞轮本身。飞轮转子这种集成结构，使得飞轮

4、系统可以采用无轴的结构来设计，这种设计可以减少旋转损失，提高效率。图1机械轴承的飞轮系统图2超导磁悬浮微飞轮系统2.1平面电机定子飞轮系统采用三相平面无刷直流电机作为驱动。电机的平面结构大大缩短了系统的轴向尺寸，使得电机的结构更紧凑。电机定子采用了无槽无铁心的电枢结构，那么不存在由于齿槽造成的脉动问题，磁滞损耗和涡流损耗，电机可以到达更高的效率。平面电机定子选用便利的PCB板工艺加工制作，定子正面和反面两层共36个线圈，线圈通过节点连接形成Y型三相连接，每相12个线圈。通过在定子线圈一面加上三个霍尔元件，来实现三相直流电机之间的电流转变，并通过霍尔元件来实现测速和微飞轮系统转子位置的准确定位。

5、图3平面无刷电机定子2.2集成飞轮转子系统飞轮转子包括平面电机转子、飞轮本体和超导轴承转子。电机转子是6对N、S相间的永磁铁辐射状均布于圆盘外表，磁极轴向充磁，经过两面平整后嵌入飞轮本体。高温超导磁悬浮轴承转子采用多个磁环组成。图4集成飞轮转子结构图两种转子磁性材料都选用NdFeB稀土磁性材料，这种磁性材料具有高剩磁密度，高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等优点。为了防止上下两磁极相互影响，飞轮本体应选用铁磁铁材料纯铁，可以实现磁屏蔽，防止超导轴承转子的磁性影响电机转子的磁路。通过ANSYS分析电机转子的磁场分布如下图。图5转子磁极磁场矢量分布图图6不同间隙时磁密周向分布对于轴向平面无刷电机，定

6、子和转子之间的间隙对磁极的磁场分布影响很大，进而影响到电机的性能。通过ANSYS对磁场的分布研究，得出不同间隙下磁场的磁密分布图，由图6中可以看出为了得到较大的磁通密度，定子和转子之间的间隙应选d=1mm。2.3高温超导轴承高温超导轴承的根本工作原理是磁通钉扎效应，当高温超导块在液氮的温度下进入超导态时,永磁铁在超导体上方的一定位置，永磁铁的磁通线就会被超导体所捕获，磁通力能使永磁铁悬浮在一定的位置。高温超导磁悬浮轴承包括定子和转子两局部，转子为永磁铁集成在飞轮本体上，定子为YBCO高温超导块固定在液氮装置中。根据超导块和永磁铁的相互作用力方向，高温超导块可以分为轴向型和径向型，如图7所示。a

7、轴向型高温超导轴承b径向型超导轴承图7超导磁悬浮轴承轴向型和径向型轴承各有各自的优点，轴向型的结构简单，制造容易;径向型的结构紧凑、负载灵活，具有较大的轴向承载力和径向刚度，性能稳定。本文采用平面无刷电机作为飞轮系统驱动，整个飞轮系统采用无轴式设计，采用径向式需要安装连接轴，且径向轴承本身结构复杂，加工本钱高。故本文采用轴承型高温超导轴承。高温超导轴承采用七块高温超导块作为定子，每块高温超导块的尺寸是D20mmX12mm。七个超导块布置在一个D80mm的铜块基座上，铜座固定于液氮容器中制冷，制冷温度在78K-72K之间。高温超导块采用YBaCuO材料制作，其临界转变温度是92K，在液氮环境下完

8、全可以进入超导状态。超导磁悬浮转子固定在飞轮本体上,由于轴向超导磁悬浮轴承的径向刚度较小，其转子结构设计成由两个N、S相间的环组成，采用这种结构可以提高超导磁悬浮轴承的径向刚度，提高飞轮旋转的稳定性。高温超导块有两种冷却方式场冷和零场冷。零场冷是指在超导进入超导态时外部作用的磁场很小。场冷是指超导在较大的磁场作用下进入超导态。零场冷能产生较大的悬浮力，但是径向刚度较小，稳定性不如场冷。为了能使飞轮稳定悬浮，我们采用场冷的方式，场冷高度选择5mm，即进入超导态时超导磁悬浮定子和转子间隙为5mm。3飞轮系统性能测试图8飞轮整体系统以及电机控制机构表1微飞轮系统主要参数电机定子转子间隙d1=1mm转

9、子6对NS相间磁极飞轮半径r=55mm质量m=181g转动惯量J=7.7X10kgm轴承定子YBaCuO高温超导7块转子NdFeB两块，NS相间场冷高度d2=5mm为了比拟机械轴承和采用超导磁悬浮轴承后的飞轮系统性能，分别测试了真空下机械轴承、空气下机械轴承和超导轴承三种情况下飞轮的自由旋转降速曲线。图9机械轴承和超导轴承飞轮的自由降速曲线从上图可以看出机械轴承的飞轮在空气中从15000rpm降为零为40s，而超导轴承飞轮在空气中降速时间为1200s，远远长于机械轴承。超导轴承和机械的摩擦力矩可以根据降速曲线，由公式其中式中F为等效摩擦阻力，m为飞轮本体质量，r为飞轮转子半径。通过公式23可以

10、求得超导磁悬浮的在不同转速下的等效摩擦系数，如图11所示。图11不同转速下超导轴承等效摩擦系数从上图可以看出随着转速的增加，超导磁悬浮轴承的摩擦系数也随着增加。原因是超导磁悬浮轴承的摩擦损耗主要磁场变化随度也越快，涡流损耗和磁滞损耗也变大，超导磁悬浮轴承的损耗也随着增大。造成这种损耗的主要原因是磁场分布的不均匀性和超导轴承的不对称性。4结论本文设计一种采用超导磁悬浮轴承作为支撑系统的微飞轮储能系统，该飞轮采用了平面无刷电机作为驱动装置，飞轮整体系统采用了无轴结构设计。飞轮系统在空气的最高转速可到达15000r/min，摩擦力远远小于机械轴承，飞轮整体性能得到极大的提高，最后求得超导磁悬浮轴承的

11、在不同转速下的等效摩擦系数,分析了高温超导轴承损耗的主要原因。参考文献1 Hebner R, Beno J,Walls A,IEEE, 39(2002),462 白越,吴一辉,韩邦成,光学 精密工程,15(2021),8523 Wang J S,Wang S Y, et a1. Physica C,378381(2002),8094 Hull J R ,Supercond. Sci. Technol. 13(2000),R15 邓自刚,林群煦,王家素等,低温物理学报,31(2021),3116 MStrasik, J R Hull,et al. Supercond. Sci. Technol. 23(2021), 0340217 F N Werfel, U Floegel Delor, et al. Journal of Physics: Conference Series,97 (2021),0122068 T. Ichihara , K. Matsunaga,et al, Physica C 426431(2005),7529 Kangwon Lee, Bongsu Kim, Supercond. Sci. Technol. 20 (2007), 63410 吴一辉,高庆嘉,白越,光学 精密工程,18(2021),131711 武俊峰,安静,徐春剑等,光学 精密工程,