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CN108869543B - 一种飞轮储能用混合式超导磁轴承 - Google Patents

一种飞轮储能用混合式超导磁轴承 Download PDF

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Abstract

一种飞轮储能用混合式超导磁轴承，由不锈钢主轴(1)、径向电磁轴承定子(2)、低温杜瓦(3)、超导轴承永磁转子(4)、超导轴承块体定子(5)、超导轴承线圈定子(6)、超导轴承铁磁吸力盘转子(7)、飞轮(8)、径向电磁轴承铁磁环转子(9)及超导轴承铁心磁轭(10)构成。超导轴承块体定子(5)和超导轴承线圈定子(6)置于低温杜瓦(3)中，套装在不锈钢主轴(1)上，由液氮或者制冷机冷却。超导轴承线圈定子(6)放置在超导轴承块体定子(5)的下面或包围在外面。径向电磁轴承定子(2)安装在不锈钢主轴(1)上部，套装在不锈钢主轴(1)上；超导轴承铁磁吸力盘转子(7)安装在低温杜瓦(3)外，套装在不锈钢主轴(1)上。

Description

一种飞轮储能用混合式超导磁轴承
技术领域
本发明涉及一种应用于飞轮储能系统的磁轴承。
背景技术
全球经济快速发展，化石能源紧缺，世界各国对于风能、太阳能等可再生能源的大规模发展给予了高度重视，但是其间歇性和随机性对于电网的安全稳定运行造成了严重的不利影响，因此发展先进的储能技术成为了以新能源变革为核心的智能电网的重要环节。相较于其他的一些储能方式，飞轮储能具有转换效率高、使用寿命长、充电时间短、无污染等优点。在高速飞轮储能系统中，磁轴承技术又是非常重要的技术。
磁轴承通过磁力支撑转子，定转子之间无机械接触，具有传统机械轴承无法替代的优势，其优势主要体现在以下几个方面：
(1)允许的转速高。由于定转子之间无机械摩擦，使得磁轴承支承的转子可以具有很高的转速，转速仅受限于转子的强度。
(2)无需润滑，无油污染。磁轴承不需要油润滑系统，不会造成油污染，不存在接触疲劳和磨损等，因此维护成本低，寿命也较机械轴承长。
(3)能实现主动振动控制。电磁轴承可通过控制系统自由调节刚度阻尼等参数，实现对转子的主动振动控制；对转子动力学特性具有更好的控制能力，能对柔性模态进行抑制，使得转子能工作在柔性弯曲模态之上。
(4)对转子运行状况的实时监控能力。可以通过控制系统中的传感器对转子位置、振动以及其他动态性能进行实时监控，实现故障的预判及预防，提高系统的可靠性。
(5)噪音小。磁轴承的噪音远小于机械轴承，在一些对噪声要求严格的应用场合中至关重要。
除此之外，磁轴承根据其受力方式的不同，可以分为永磁轴承，电磁轴承、高温超导磁轴承，三种磁轴承方式都有自己所对应的优缺点。
永磁轴承一般采用两块永磁体利用它们之间的吸力或者斥力来实现磁悬浮，但是其缺点是无法实现自稳定；电磁轴承通过给线圈通电来构造一个电磁铁，可通过控制通过线圈的电流来实现对于悬浮力的控制从而使其稳定，但是在这个过程中会发生较大的能量损耗；高温超导块体轴承利用高温超导块的迈斯纳效应来实现悬浮，但是其具有悬浮力较小、刚度小等缺点。本发明将超导线圈和超导块体相结合，用于构造超导磁轴承，不仅可以发挥超导块体磁轴承自稳定、无需控制的优点，而且可有效提高超导磁轴承的悬浮力和刚度。由于超导带材的临界弯曲半径较大，在制作径向电磁轴承的跑道线圈存在困难，因此更适合采用常规导线制作径向电磁轴承。本发明将用超导块体制作的径向型超导磁轴承、超导线圈制作的轴向型超导磁轴承和常规导线制作的径向型电磁轴承有机结合在一起，可有效提高整个轴承的承载力、刚度和稳定性，从而使其具有轴向大承载力，径向高稳定性的特点。
发明内容
本发明的目的是克服传统机械轴承寿命短、损耗大，单一永磁轴承无法稳定，电磁轴承控制系统复杂且损耗较大，高温超导块体轴承轴向负载力小、径向刚度不够大的缺点，提出一种新的飞轮储能用混合式超导磁轴承。本发明将高温超导磁轴承以及径向电磁轴承有机结合起来，有效的提高了磁轴承系统的综合性能。
本发明采用的技术方案如下：
本发明混合式超导磁轴承由不锈钢主轴、径向电磁轴承定子、低温杜瓦、超导轴承永磁转子、超导轴承块体定子、超导轴承线圈定子、超导轴承铁磁吸力盘转子、飞轮、径向电磁轴承铁磁环转子，以及超导轴承铁心磁轭构成。径向电磁轴承定子安装在不锈钢主轴的上部，径向电磁轴承定子包围径向电磁轴承铁磁环转子，径向电磁轴承铁磁环转子套装在不锈钢主轴上，与径向电磁轴承定子处于同一高度。低温杜瓦安装在径向电磁轴承定子的下部。超导轴承永磁转子、超导轴承块体定子、超导轴承线圈定子和超导轴承铁心磁轭置于低温杜瓦中，由液氮或者液氦冷却。超导轴承线圈定子放置在超导轴承块体定子下面或包围在超导轴承块体定子外面；超导轴承块体定子包围超导轴承永磁转子，并与超导轴承永磁转子处于同一高度。超导轴承铁心磁轭包围超导轴承线圈定子，避免超导轴承线圈定子产生的磁场影响高温超导块定子和超导轴承永磁转子之间的磁场。超导轴承永磁转子套装在不锈钢主轴上，位于超导轴承铁磁吸力盘转子上方，超导轴承块体定子包围超导轴承永磁转子，并与超导轴承永磁转子处于同一高度。超导轴承铁磁吸力盘转子安装在低温杜瓦下部，并套装在不锈钢主轴上。飞轮安装在超导轴承铁磁吸力盘转子下部，套装在不锈钢主轴上。
超导轴承线圈定子给超导轴承铁磁吸力盘转子提供吸力，此超导轴承线圈定子可以放在高温超导体的下面或外面，相当于增强了系统的承载力和阻尼稳定性，超导轴承线圈定子的电流可以采用主动控制，也可以不采用主动控制。为充分利用液氮或者制冷机产生的低温环境，本发明在不锈钢主轴上面安装一个径向的由高温超导块构成的超导轴承块体定子；在不锈钢主轴的上部装有主动控制的径向电磁轴承定子和径向电磁轴承铁磁环转子来控制系统的径摆。
超导轴承块体定子由瓦型超导块组成，瓦型超导块采用REBCO等超导块体材料制作：RE＝Y，Nd，Sm，Gd，Dy，采用多块超导块材堆叠成超导环，该超导轴承块体定子置于低温杜瓦内，放入热沉与内壁之间的环状空间内。
超导轴承永磁转子采用轴向磁化，同极性相对，采用环状的永磁体和聚磁铁形成永磁环和聚磁铁环，永磁环和聚磁铁环套装在不锈钢主轴上，永磁环与聚磁铁环一一交错排列叠放，超导轴承永磁转子的两端用螺母夹紧固定。
超导轴承线圈定子采用Bi系带材或REBCO带材绕制，为螺管线圈或双饼线圈结构，由外部电源供电。
径向电磁轴承定子采用普通导线绕制在铁心上形成定子绕组，套装在不锈钢主轴上。利用主动控制系统来实现不锈钢主轴的径向稳定，主动控制系统采用控制器来控制通过普通导线绕制的定子线圈的电流，从而调节各个方向上的电磁力，使本发明混合式超导磁轴承达到径向稳定。
不锈钢主轴采用无磁不锈钢轴，在本发明工作时连接联轴器外接电机，实现飞轮能量的存储和释放。
本发明混合式超导磁轴承工作时，向径向电磁轴承定子通电流，主动控制电流的大小，控制径向电磁轴承定子产生的磁场，使得本发明混合式超导磁轴承径向稳定，有效抑制轴承的径摆。
超导轴承线圈定子电流可采用主动控制，也可以不采用主动控制。超导轴承线圈定子产生的磁场对超导轴承铁磁吸力盘转子产生吸力，提高悬浮力，同时利用超导轴承铁磁吸力盘转子来提高轴承的阻尼特性。超导轴承块体定子和超导轴承永磁转子利用迈斯纳效应形成径向磁悬浮轴承，同时提供轴向悬浮力和径向稳定力。
本发明具有以下优点：
本发明有效结合了径向电磁轴承和高温超导块体磁轴承和高温超导线圈磁轴承的优点，有效改善了电磁轴承控制系统复杂且在运行过程中有损耗的问题，同时将高温超导轴承的无损耗以及自稳定性结合起来，有效提高了整个磁轴承系统的性能，使其具有轴向大承载力，径向高稳定的特点。
附图说明
图1为本发明飞轮储能用混合式超导磁轴承实施例1的结构图；
图2为本发明飞轮储能用混合式超导磁轴承实施例2的结构图；
图3为本发明超导轴承块体定子和超导轴承永磁转子的示意图；
图4为本发明超导轴承线圈定子和超导轴承铁磁吸力盘转子的示意图；
图5为本发明径向电磁轴承线圈定子和径向电磁轴承铁磁环转子的示意图。
具体实施方式
图1为本发明飞轮储能用混合式超导磁轴承实施例1的结构图。如图1所示，本发明混合式超导磁轴承由不锈钢主轴1、径向电磁轴承定子2、低温杜瓦3、超导轴承永磁转子4、超导轴承块体定子5、超导轴承线圈定子6、超导轴承铁磁吸力盘转子7、飞轮8、径向电磁轴承铁磁环转子9，以及超导轴承铁心磁轭10构成。
径向电磁轴承定子2安装在不锈钢主轴1的上部，径向电磁轴承定子2包围径向电磁轴承铁磁环转子9，径向电磁轴承铁磁环转子9套装在不锈钢主轴1上，与径向电磁轴承定子2处于同一高度。低温杜瓦3安装在径向电磁轴承定子2的下部。超导轴承块体定子5、超导轴承线圈定子6和超导轴承铁心磁轭10置于低温杜瓦3中，由液氮冷却。超导轴承线圈定子6放置在超导轴承块体定子5的下面；超导轴承块体定子5包围超导轴承永磁转子4，并与超导轴承永磁转子4处于同一高度。超导轴承铁心磁轭10包围在超导轴承线圈定子6外面，避免超导轴承线圈定子6产生的磁场影响到超导轴承块体定子5和超导轴承永磁转子4之间的磁场。超导轴承铁磁吸力盘转子7安装在低温杜瓦3下部，并套装在不锈钢主轴1上。飞轮8安装在超导轴承铁磁吸力盘转子7的下部，套装在不锈钢主轴1上。
图2为本发明飞轮储能用混合式超导磁轴承实施例2的结构图。如图2所示，本发明混合式超导磁轴承由不锈钢主轴1、径向电磁轴承定子2、低温杜瓦3、超导轴承永磁转子4、超导轴承块体定子5、超导轴承线圈定子6、超导轴承铁磁吸力盘转子7、飞轮8、径向电磁轴承铁磁环转子9，以及超导轴承铁心磁轭10构成。超导轴承块体定子5、超导轴承线圈定子6和超导轴承铁心磁轭10置于低温杜瓦3中，由液氮冷却。超导轴承线圈定子6包围在超导轴承块体定子5的外周。超导轴承块体定子5包围超导轴承永磁转子4，并与超导轴承永磁转子4处于同一高度。超导轴承铁心磁轭10包围在超导轴承线圈定子6外面，避免超导轴承线圈定子6产生的磁场影响到超导轴承块体定子5和超导轴承永磁转子4之间的磁场。径向电磁轴承定子2安装在不锈钢主轴1上部；超导轴承铁磁吸力盘转子7安装在低温杜瓦3下部，并套装在不锈钢主轴1上。径向电磁轴承定子2包围径向电磁轴承铁磁环转子9，径向电磁轴承铁磁环转子9套装在主轴1上，和径向电磁轴承定子2处于同一水平高度。飞轮8安装在超导轴承铁磁吸力盘转子7的下部，套装在不锈钢主轴1上。
图3为本发明超导轴承块体定子和超导轴承永磁转子的结构。如图3所示，超导轴承块体定子5由瓦型超导块构成。瓦型超导块采用REBCO超导块体材料制作，RE＝Y，Nd，Sm，Gd，Dy。所述的瓦型超导块采用多块超导块材堆叠成超导环。超导轴承永磁转子4采用轴向磁化，同极性相对。超导轴承永磁转子采用环状的永磁体和聚磁铁，形成永磁环和聚磁铁环，其套装在不锈钢主轴1上，永磁环与聚磁铁环一一交错排列叠放，超导轴承永磁转子4的两端用螺母夹紧固定。
图4所示为本发明超导轴承线圈定子和超导轴承铁磁吸力盘转子的结构。超导轴承线圈定子6采用Bi系带材或REBCO带材绕制，为螺管线圈或双饼线圈，由外部电源供电。
图5所示为本发明径向电磁轴承线圈定子和径向电磁轴承铁磁环转子的结构，径向电磁轴承定子2采用普通导线绕制在铁心上，套装在不锈钢主轴1上，利用主动控制系统来实现不锈钢主轴1的径向稳定。
不锈钢主轴1采用无磁不锈钢。工作时不锈钢主轴1连接联轴器外接电机，实现飞轮能量的存储和释放。
本发明混合式超导磁轴承工作时，需要向径向电磁轴承定子2和超导轴承线圈定子6通电流，径向电磁轴承定子2采用主动控制的方式来使其稳定。超导轴承线圈定子6采用主动控制和不采用主动控制均可。其中径向电磁轴承定子2产生的磁场主要使轴承径向稳定，有效抑制轴承的端跳和径摆。超导轴承线圈定子6产生的磁场对超导轴承铁磁吸力盘转子7产生吸力，用于提高悬浮力，同时利用超导轴承铁磁吸力盘转子7来提高轴承的阻尼特性。超导轴承块体定子5和超导轴承永磁转子4利用迈斯纳效应形成径向磁轴承，同时提供轴向悬浮力和径向稳定力。本发明各个部分的有机结合，使得混合轴承具有轴向大承载，径向高稳定的特性。
虽然所述两个实施例讨论了超导轴承块体定子和超导轴承线圈定子内外排布和上下排布的混合式超导磁轴承，但应理解，本发明提及的混合式超导磁轴承不限于实施例中所述情形，因而在不背离本发明的技术原理的原则下，可做出各种改变和变形。如以上实施例中提及的径向电磁轴承、超导轴承和飞轮的空间位置可以有更多的排列组合方式，也可以增加永磁卸载轴承和机械保护轴承进一步提升磁悬浮轴承的悬浮力和稳定性。

Claims (5)

1.一种飞轮储能用混合式超导磁轴承，其特征在于：所述的混合式超导磁轴承由不锈钢主轴(1)、径向电磁轴承定子(2)、低温杜瓦(3)、超导轴承永磁转子(4)、超导轴承块体定子(5)、超导轴承线圈定子(6)、超导轴承铁磁吸力盘转子(7)、飞轮(8)、径向电磁轴承铁磁环转子(9)，以及超导轴承铁心磁轭(10)构成；径向电磁轴承定子(2)安装在不锈钢主轴(1)的上部，径向电磁轴承定子(2)包围径向电磁轴承铁磁环转子(9)，径向电磁轴承铁磁环转子(9)套装在不锈钢主轴(1)上，与径向电磁轴承定子(2)处于同一高度；低温杜瓦(3)安装在径向电磁轴承定子(2)的下部；超导轴承块体定子(5)、超导轴承线圈定子(6)和超导轴承铁心磁轭(10)置于低温杜瓦(3)中，由液氮冷却；超导轴承线圈定子(6)放置在超导轴承块体定子(5)的下面；超导轴承块体定子(5)包围超导轴承永磁转子(4)，并与超导轴承永磁转子(4)处于同一高度；超导轴承铁心磁轭(10)包围在超导轴承线圈定子(6)外面，避免超导轴承线圈定子(6)产生的磁场影响到超导轴承块体定子(5)和超导轴承永磁转子(4)之间的磁场；超导轴承铁磁吸力盘转子(7)安装在低温杜瓦(3)下部，并套装在不锈钢主轴(1)上；飞轮(8)安装在超导轴承铁磁吸力盘转子(7)的下部，套装在不锈钢主轴(1)上。
2.根据权利要求1所述的混合式超导磁轴承，其特征在于：所述的超导轴承块体定子(5)的瓦型超导块采用REBCO，RE＝Y，Nd，Sm，Gd，Dy超导块体材料制作，采用多块超导块材堆叠成超导环，该超导轴承块体定子置于低温杜瓦(3)内热沉与内壁之间的环状空间内。
3.根据权利要求1所述的混合式超导磁轴承，其特征在于：所述的超导轴承永磁转子(4)采用轴向磁化，同极性相对，采用环状的永磁体和聚磁铁形成永磁环和聚磁铁环；永磁环和聚磁铁环套装在不锈钢主轴(1)上，永磁环与聚磁铁环一一交错排列叠放，超导轴承永磁转子(4)的两端用螺母夹紧固定。
4.根据权利要求1所述的混合式超导磁轴承，其特征在于：所述的超导轴承线圈定子(6)采用Bi系带材或REBCO带材绕制，为螺管线圈或双饼线圈结构，由外部电源供电。
5.根据权利要求1所述的混合式超导磁轴承，其特征在于：所述的径向电磁轴承定子(2)采用导线绕制在铁心上形成定子绕组，套装在不锈钢主轴(1)上，利用主动控制系统来实现不锈钢主轴的径向稳定，主动控制系统采用控制器控制通过导线绕制的定子线圈的电流，从而调节各个方向上的电磁力，使混合式超导磁轴承达到径向稳定。
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