CN102042326B - 用于低速飞轮储能***的被动磁轴承 - Google Patents

Abstract

一种用于低速飞轮储能***的被动磁轴承，所述的被动磁轴承(6)由静止部分和旋转部分组成；所述的静止部分固定在飞轮外壳内壁，由上导磁(1)和永磁体组成，上导磁(1)为凹形结构，永磁体附着在上导磁(1)的内表面，永磁体的厚度与上导磁凹形的深度相等；所述的旋转部分安装在飞轮转轴(5)的顶端，由下导磁(4)以及紧固螺钉组成，下导磁(4)固定在飞轮转轴(5)的顶端；上导磁(1)和下导磁(4)上下对齐放置；被动磁轴承(6)的静止部分和旋转部分间留有可以调节的气隙，下导磁为凸形或盘式结构。永磁体产生的磁通经过上导磁、气隙和下导磁形成闭合磁路，在轴向产生吸力，为飞轮转轴提供轴向卸载力。

Description

用于低速飞轮储能***的被动磁轴承

技术领域

本发明涉及一种被动磁轴承，特别涉及为立式低速飞轮储能***提供轴向卸载力的被动磁轴承。

背景技术

飞轮储能将电能以机械能的形式储存在高速旋转的飞轮转子中，一般由飞轮转子、支撑轴承、电机、保护外壳以及外部的电力变换电路构成。根据飞轮转子的工作转速可以将其分为高速飞轮储能***与低速飞轮储能***，前者使用复合材料转子和磁悬浮轴承，工作转速在几万转/分；后者使用金属材料转子和机械轴承，工作转速一般为几千转/分。

在立式低速飞轮储能***中，既要降低***的成本，也要保证储能效率以及可靠性。因此，5自由度控制的主动磁轴承或者高温超导磁轴承不适合用于低速飞轮储能***。完全采用接触式机械轴承支撑飞轮转轴的质量，虽然在实际运行中的可靠性很高，但是摩擦损耗巨大，严重影响***的储能效率。伴随着摩擦损耗的增大，机械轴承的寿命也会大大缩短。为了减少低速飞轮储能***中的这些问题，可以将磁悬浮轴承与机械轴承结合使用，即通过磁轴承卸载立式飞轮***的轴向质量，降低机械轴承的摩擦损耗。

国内外相关研究人员已经针对此问题提出了很多设计方案。其中，中国实用新型专利CN201167264Y提出一种永磁轴承，能够减小电主轴底部推力轴承所受摩擦力，提高极限转速。但通过套环和固定环将三个永磁环安装在电主轴的方式存在隐患，永磁体的最大应力强度远不及电主轴的材料，在高速情况下可能发生碎裂现象。中国发明专利CN101368595A提出一种具有大轴向承载能力的被动磁轴承结构，这种三环结构由于磁路闭合，漏磁小，轴向的承载力很大，但是该结构在实际装配过程中存在一定难度。美国专利5894181给出一种能够同时提供径向支承和轴向卸载的被动磁轴承，但是这种永磁体排列的方式只能在很小的范围内达到转轴的平衡，对于加工精度要求很高，且轴承***的刚度较小。

虽然目前比较先进的技术方案是将被动磁轴承和超导轴承或者电磁轴承结合，实现飞轮转轴的全磁浮，完全消除摩擦损耗，但是这类方案的造价和维护成本高，不适合于低速飞轮储能***。机械轴承与被动磁轴承的组合，能有效降低***成本，而且被动磁轴承可以减少机械轴承的摩擦损耗，提高储能效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构精简，加工和安装均比较方便的被动磁轴承，为低速飞轮储能***提供大部分轴向承载力，从而使机械轴承所产生的摩擦损耗显著降低，达到提高飞轮***储能效率的目的。

本发明所采用的技术方案是：

本发明被动磁轴承由静止部分和旋转部分组成；所述的静止部分固定在飞轮外壳内壁，由上导磁和永磁体组成，上导磁固定在飞轮***外壳顶部，永磁体固定在上导磁内表面。所述的旋转部分安装在飞轮转轴的顶端，旋转部分包括固定在飞轮转轴顶端的下导磁以及紧固螺钉。

上导磁是由具有良好导磁性能的材料制成的凹形结构，钕铁硼永磁材料构成的永磁体的厚度与上导磁凹形的深度相等，永磁体沿Z轴正向充磁。下导磁也是由导磁性良好的材料制成的，为凸形结构或者盘式结构。下导磁与永磁体之间留有0.5mm至5mm的气隙，该气隙可以根据所需轴向卸载力的大小手动调整。

本发明被动磁轴承的永磁磁通经过上导磁，轴向气隙和下导磁形成闭合回路，永磁体提供的偏置磁场在下导磁表面感应出沿Z轴正向的磁力，实现飞轮转轴的质量卸载。与被动磁轴承配合的机械轴承为飞轮转轴提供径向刚度，保证转轴的平稳运行。

本发明与现有技术相比的优点在于：仅采用单环永磁体与上、下导磁的作用产生轴向卸载力，简化了被动磁轴承的结构，在牺牲小部分永磁体磁路的前提下达到了卸载飞轮转轴轴向质量的目的。材料强度比较低的硬磁材料固定在上导磁内部，避免了由于高速旋转产生的离心应力超过硬磁材料的极限应力的情况。用机械轴承为飞轮转轴提供径向刚度和部分轴向支承力，虽然存在损耗，但是降低成本，提高***可靠性，消除了因使用超导轴承或电磁轴承带来的能量损耗及成本增加。

附图说明

图1为本发明的一个具体实施例的轴向剖面图；

图2为本发明的另一个具体实施例的轴向剖面图；

图3为本发明的被动磁轴承安装在飞轮储能***中的示意图；

图4为本发明的一个具体实施例的XZ轴剖面磁感应强度矢量分布图；

图5为本发明的另一个具体实施例的XZ轴剖面磁感应强度矢量分布图；

图6为本发明的两个具体实施例的轴向承载力对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明所提供的被动磁轴承的一种具体实施例。本实施例被动磁轴承6由上导磁1、永磁体为环形的永磁环2和下导磁4三部分组成。上导磁1和永磁环2属于被动磁轴承6中的静止部分，上导磁1通过紧固螺钉固定在飞轮***外壳的顶端。上导磁1为凹形结构，永磁环2固定在上导磁1的内表面。永磁环2的外沿与上导磁1的凹形部分严密接触。旋转部分的下导磁4为凸形，永磁环2的内径等于下导磁4的凸出部分与位于下导磁4的凸出部分周围的第一气隙10之和。永磁环2的厚度与凹形上导磁1的深度相同，并且沿Z轴正向充磁。永磁环2与下导磁4之间的第一气隙10可以根据所需轴向卸载力的大小而调整，调整范围可以是0.5mm至5mm。下导磁4属于被动磁轴承6中的旋转部分，通过紧固螺钉3a和3b安装在飞轮转轴5的顶端。

上导磁1与下导磁4都是具有良好导磁性的材料，而且下导磁4属于旋转部分，选择材料时要考虑表面应力约束，即，下导磁4在高速旋转时所受最大离心应力不应超过材料的极限强度。因此，可以使用但不限于40CrNiMoA、40Cr或者60CrNiMo等强度高、导磁率高的合金结构钢。上导磁1虽然属于静止部分，但是为了加工方便，选用和下导磁4同样的材料。永磁环2可以采用但不限于钕铁硼等永磁材料。

上导磁1与下导磁4上下对齐放置，永磁环2提供的磁通经过上导磁1、第二气隙7以及下导磁4构成闭合回路，如图4所示，由于被动磁轴承6是严格轴对称结构，图4给出其XZ轴正向剖面磁感应强度矢量图。由于飞轮外壳采用奥氏体型不锈钢，其导磁性差，流过其中的漏磁很少，可以忽略。由于永磁环2产生的偏置磁场的存在，被动磁轴承6的静止部分和旋转部分之间产生轴向吸力，上导磁1和永磁环2把大部分飞轮转轴5的质量转移到低速飞轮储能***的外壳，实现了轴向卸载。飞轮转轴5的剩余轴向载荷由机械轴承支承，而且为飞轮转轴5提供径向刚度，保证旋转运行时转轴的平稳。

图2所示为本发明所提供的被动磁轴承的另一种具体实施例，被动磁轴承15由上导磁1、等厚圆盘状永磁体14和下导磁4组成。上导磁1与永磁体14属于被动磁轴承15中的静止部分，上导磁1通过紧固螺钉固定在飞轮***外壳的顶端。上导磁1为凹形结构，永磁体14固定在上导磁1的内表面，其厚度与凹形上导磁1的深度相同，并且沿Z轴正向充磁。永磁体14的外沿与上导磁1的凹形部分留有第三气隙11。永磁体14与下导磁4之间的第四气隙8可以根据所需轴向卸载力的大小而调整，调整范围可以是0.5mm至5mm。下导磁4属于被动磁轴承15中的旋转部分，下导磁4采用盘式结构，通过紧固螺钉9a和9b安装在飞轮转轴5的顶端。

与前一种实施例类似，上导磁1与下导磁4都是具有良好导磁性的材料，而且下导磁4属于旋转部分。因此，仍可使用但不限于40CrNiMoA、40Cr或者60CrNiMo等强度高、导磁率高的合金结构钢。上导磁1虽然属于静止部分，但是为了加工方便，选用和下导磁4同样的材料。永磁体14可以采用但不限于钕铁硼等永磁材料。

上导磁1与下导磁4上下对齐放置，永磁体14提供的磁通经过上导磁1、第四气隙8以及下导磁4构成闭合回路，图5给出被动磁轴承15在XZ轴正向剖面坐标系下的磁感应强度矢量图。由于飞轮外壳采用奥氏体型不锈钢，其导磁性差，流过其中的漏磁很少，可以忽略。由于永磁体14产生的偏置磁场的存在，被动磁轴承15的静止部分和旋转部分之间产生轴向吸力，上导磁1和永磁体14把大部分飞轮转轴5的质量转移到低速飞轮储能***的外壳，实现了轴向卸载。飞轮转轴5的剩余轴向载荷由机械轴承支承，而且为飞轮转轴5提供径向刚度，保证旋转运行时转轴的平稳。

该实施例与图1所示的第一种实施例相比，结构进一步简化。将永磁环改成永磁体，下导磁4采用盘式结构而不是之前的凸型结构，便于加工。永磁体14与上导磁1之间留有第三气隙11使永磁体14容易安装。而且图2所示的实施例在相同的上导磁尺寸以及永磁体的厚度的情况下，被动磁轴承提供的轴向卸载力比图1所示实施例要大，因为其永磁体的有效面积比较大。在实际的飞轮储能***中，如果飞轮转轴上的总质量为100kg，则被动磁轴承需要提供至少800N的轴向承载力。确定上、下导磁以及永磁体的尺寸的前提下，改变永磁体与下导磁之间的气隙可以改变所提供的轴向承载力的大小，利用有限元分析软件对所发明的被动磁轴承做二维静磁场分析，可以计算永磁体实际提供的吸力大小，图6给出两个实施例的气隙与轴向承载力的曲线比较结果。

图3是本发明的被动磁轴承安装在一低速飞轮储能***29中的实际结构图。该飞轮储能***29主要由四部分组成：飞轮转子21、支撑轴承***、电机、飞轮外壳22以及真空泵24。飞轮转子21由高强度合金结构钢制成，为等厚圆盘形状；支撑轴承***包含四个独立的轴承：所发明的被动磁轴承16安装在飞轮转轴20的顶部，能够卸载飞轮转轴20至少80％的轴向负荷；角接触球轴承17安装在飞轮转轴20的上部，既能为其提供径向刚度，也能支承一部分轴向负荷。位于飞轮转轴20下部的角接触球轴承27支承一部分轴向负荷，为飞轮转轴20提供径向刚度。位于底部的轴向止推轴承25为飞轮转轴20提供轴向刚度，安装在底座26之上，底座26能够小范围调节高度，因此能够调整飞轮转轴20的位置，间接达到调节被动磁轴承16的气隙的目的。飞轮储能***29的驱动电机为内装式永磁同步电机，其定子19安装在飞轮外壳22的内壁，转子18套装在飞轮转轴20上。飞轮外壳22使用一定厚度的不锈钢，具有良好的密封性，既能保持飞轮***内部的真空环境，也能吸收飞轮转子21碎裂而造成的冲击，保护实验人员和设施。真空泵24安装在飞轮储能***29的底座28上，将***内部的空气通过排气管23抽出，使飞轮储能***29内部的气压降至1000Pa以下。

Claims (6)

1.一种用于低速飞轮储能***的被动磁轴承，其特征在于：所述的被动磁轴承(6)由静止部分和旋转部分组成；所述的静止部分固定在飞轮外壳内壁，由上导磁(1)和永磁体组成，上导磁(1)为凹形结构，永磁体附着在上导磁(1)的内表面，永磁体的厚度与上导磁凹形的深度相等；所述的旋转部分安装在飞轮转轴(5)的顶端，由下导磁(4)以及紧固螺钉组成，下导磁(4)固定在飞轮转轴(5)的顶端；上导磁(1)和下导磁(4)上下对齐放置；被动磁轴承(6)的静止部分和旋转部分间留有气隙。

2.根据权利要求1所述的用于低速飞轮储能***的被动磁轴承，其特征在于：永磁体沿Z轴正向充磁；永磁磁通经过上导磁(1)、气隙以及下导磁(4)形成闭合磁路，在被动磁轴承(6)的静止部分和旋转部分之间形成轴向吸力。

3.根据权利要求1所述的用于低速飞轮储能***的被动磁轴承，其特征在于：所述的永磁体为环形的永磁环(2)；所述的永磁环(2)的外沿与上导磁(1)的凹形部分严密接触；所述的下导磁(4)为凸形，永磁环(2)的内径等于下导磁(4)的凸出部分与位于下导磁(4)的凸出部分周围的第一气隙(10)之和。

4.根据权利要求1所述的用于低速飞轮储能***的被动磁轴承，其特征在于：所述的永磁体(14)为等厚圆盘状，永磁体(14)的外沿与上导磁(1)的凹形部分留有第三气隙(11)；所述的下导磁(4)为盘式结构。

5.根据权利要求1所述的用于低速飞轮储能***的被动磁轴承，其特征在于：永磁体(14)与下导磁(4)之间的第四气隙(8)根据所需轴向卸载力的大小调整，调整范围为0.5mm至5mm。

6.根据权利要求1所述的用于低速飞轮储能***的被动磁轴承，其特征在于：所述的上导磁(1)和下导磁(4)用合金结构钢材料制作。

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