飞轮储能用高效磁轴承的基础研究

摘要

磁轴承是一种利用电磁力实现转子悬浮的机电系统。无接触、低损耗，具有可控刚度和阻尼的磁轴承是飞轮储能系统的关键技术之一。鉴于飞轮储能系统在智能电网技术、新能源发电技术、航空航天技术、不间断电源技术以及脉冲电源技术等领域所展现出的广阔应用前景，对磁轴承进行基础研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。　　本文综述了磁轴承的国内外研究现状，对磁轴承的工作原理、电磁场计算方法、控制方法的研究进展进行了探讨。本文详细分析了飞轮储能系统对转子支承系统需求，针对飞轮储能系统频繁加减速，长时间连续运行的特点，选择了主动式磁轴承作为飞轮储能转子的支承系统。为了降低磁轴承的损耗，提高磁轴承的结构紧凑型，选择了永磁体产生永磁偏置磁场。对独立式永磁偏置径向、轴向磁轴承的拓扑结构、电磁场解析模型、数学模型与控制系统展开了研究。论文的工作主要包含以下几个方面:　　介绍了永磁偏置同极式径向磁轴承（径向磁轴承）的结构和工作原理，依照径向磁轴承的结构特征，采用子域法，结合周期性边界条件，建立了气隙永磁偏置磁场的解析模型。将电励磁磁场简化为二维平面电磁场，采用面电流模型，建立了电励磁磁场的解析模型。将径向磁轴承的端部结构简化为直线模型，采用保角变换法建立了端部磁场的解析模型。通过对端部磁场不同区域的划分，建立了考虑齿槽效应的轴向电磁力计算模型。采用有限元软件对径向磁轴承的三维静磁场进行了仿真，仿真结果验证了解析模型的有效性。　　本文首先对径向磁轴承所使用的磁性材料的直流磁化曲线进行了测试。对磁力线路径进行了预测，建立了包含齿槽效应、转子偏心以及磁材料线性磁阻的径向磁轴承磁路模型。三维有限元分析的结果验证了基于磁路模型的气隙磁场和电磁力特性计算结果，进而证明了在实际控制系统中，可以认为径向磁轴承的两个自由度是相互解耦的。针对飞轮储能系统的转子动力学需求，考虑到永磁电机的偏心力和转子不平衡质量引发的不平衡力，对转子各个姿态之下的径向磁轴承最大电磁力需求进行了计算。对磁轴承的电励磁和永磁励磁比例进行了研究。对径向磁轴承进行了电磁设计，确定径向磁轴承的主要尺寸，并给出了设计结果。　　介绍和比较了现有的永磁偏置轴向磁轴承的拓扑结构，提出了一种多气隙永磁偏置轴向磁轴承（轴向磁轴承）的拓扑结构，分析了其工作原理。基于保角变换方法和侧边磁力线模型，建立了所提出的轴向磁轴承轴向气隙的解析模型。基于磁位拉普拉斯方程和漏磁区域的边界磁位，给出了永磁体所产生漏磁通的解析表达式。建立了轴向磁轴承的磁路模型，并据此建立了轴向磁轴承的电磁力计算模型。对轴向磁轴承进行了电磁设计，对内气隙的宽度比例进行了选择，对永磁体的尺寸和安放位置进行了优化设计。采用三维有限元分析验证了轴向磁轴承解析模型的有效性和电磁设计的正确性。　　针对由轴向磁轴承实心定转子结构所产生的涡流问题，将轴向磁轴承的主要电励磁磁路划分为多个分别包含有轴向磁通和径向磁通的部分，依照交流磁通的单元有效磁阻模型，实现了对交变磁阻的等效。将定子中心盘考虑为二次绕组，确立了轴向磁轴承各个矢量之间的关系。从而获得了电流刚度的解析表达式。对轴向磁轴承的二维瞬态电磁场，采用有限元软件进行了分析，验证了电力刚度解析表达式在各个频率段上的正确性。采用有限元分析手段，对由转子运动造成的涡流效应，采用网格重剖技术，对磁轴承的动态位移刚度系数进行了计算。对交流励磁源激励之下和转子运动状况下的永磁偏置力进行了计算。为了改善磁轴承的动态性能，提出了一种基于定子分割的涡流抑制方法，通过对单元有效磁阻模型的等效处理，建立了定子分割之后的电流刚度表达式。　　将径向磁轴承和轴向磁轴承的输出特性等效为电流刚度系数和位移刚度系数的线性组合。将转子近似的等效为刚性转子。在Matlab/Simulink环境中，建立了飞轮储能系统的磁轴承数学模型、控制系统数学模型和转子动力学模型。对包含涡流效应的轴向磁轴承起浮过程进行了仿真研究，证明了涡流效应将降低轴向磁轴承的响应速度。对不同转速下的转子振幅进行了仿真研究，仿真的结果表明，转子的最大振幅将出现在共振频率点处。　　研制了一台储能量为4.8MJ的飞轮储能样机，所设计的飞轮储能样机本体包含有磁轴承、高速永磁电动/发电机、飞轮转子本体、辅助轴承以及真空腔屏蔽罩。飞轮与转轴为一体式设计，采用高强度合金钢材料整体锻造，设计最高运行转速在一阶弯曲临界转速以下。分别搭建了径向磁轴承和轴向磁轴承的位置和电流双闭环控制系统。对径向磁轴承和轴向磁轴承的电流刚度参数和位移刚度参数进行了测试，验证了本文所建立分析模型的有效性和电磁设计的正确性。对轴向磁轴承的动态电流刚度系数进行了实验研究，验证了瞬态有限元仿真技术的有效性。对飞轮储能系统进行了5自由度悬浮实验。对不同转速下的转子振幅进行了实验研究，实验的结果标明，转子振动的频率分量以由转子的不平衡力引发的基频振动为主，此外，由于控制系统之中存在着开关器件、磁饱和等非线性因素，转子振动中也存在着其它阶数的谐波分量。本文的研究工作为未来进一步的技术研究奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

图表目录

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．1．1 飞轮储能系统的研究意义

1．1．2 磁轴承的研究意义

1．2 国内外基本研究现状

1．2．1 飞轮储能系统的国内外研究现状

1．2．2 磁轴承的国内外研究现状

1．3 永磁偏置磁轴承的技术研究概况

1．3．1 永磁偏置磁轴承的工作原理

1．3．2 永磁偏置径向磁轴承

1．3．3 永磁偏置轴向磁轴承

1．3．4 磁轴承的解析模型

1．3．5 磁轴承的控制系统

1．4 论文内容简介

第2章 永磁偏置同极式径向磁轴承的解析模型

2．1 永磁偏置同极式径向磁轴承的结构和运行原理

2．2 气隙磁场的解析模型

2．2．1 气隙磁场的边界条件

2．2．2 气隙磁场的解析表达式

2．2．3 解析表达式系数的求解

2．2．4 气隙内永磁偏置磁场的分布

2．2．5 电励磁磁场的求解

2．3 端部磁场的解析模型

2．3．1 端部气隙磁场计算

2．3．2 轴向回复力计算

2．4 本章小结

第3章 永磁偏置同极式径向磁轴承的磁路模型和电磁设计

3．1 径向磁轴承的磁路模型

3．1．1 径向分析模型

3．1．2 轴向分析模型

3．1．3 磁路模型

3．2 径向磁轴承的电磁设计

3．2．1 径向磁轴承的力学设计指标

3．2．2 永磁与电磁比例的选择

3．2．3 径向磁轴承的结构尺寸设计

3．3 本章小结

第4章 永磁偏置轴向磁轴承的解析模型和电磁设计

4．1 多气隙永磁偏置轴向磁轴承的拓扑提出

4．2 轴向磁轴承的解析模型

4．2．1 气隙磁场解析模型

4．2．2 定子槽内漏磁计算

4．2．3 径向气隙内漏磁计算

4．2．4 轴向磁轴承磁路模型

4．3 轴向磁轴承的电磁设计

4．3．1 轴向磁轴承的设计指标

4．3．2 磁极面积设计

4．3．3 气隙尺寸设计

4．3．4 永磁体设计

4．3．5 电励磁绕组设计

4．3．6 轴向磁轴承的有限元分析

4．4 本章小结

第5章 考虑涡流效应的轴向磁轴承动态性能研究

5．1 永磁偏置轴向磁轴承的涡流效应

5．2 考虑涡流效应的有限元分析

5．2．1 动态电流刚度的有限元分析

5．2．2 动态位移刚度的有限元分析

5．3 基于定子分割的涡流效应抑制

5．4 本章小结

第6章 磁轴承支承系统的数学模型与仿真研究

6．1 磁轴承的数学模型

6．1．1 轴向磁轴承的数学模型

6．1．2 径向磁轴承的数学模型

6．1．3 刚性转子动力学模型

6．2 控制系统的数学模型

6．2．1 轴向磁轴承控制系统的数学模型

6．2．2 径向磁轴承控制系统的数学模型

6．3 磁轴承支承系统的仿真研究

6．3．1 轴向磁轴承悬浮仿真

6．3．2 径向磁轴承悬浮仿真

6．4 本章小结

第7章 飞轮储能样机的研制与实验研究

7．1 飞轮储能样机的研制

7．2 磁轴承的静态性能测试

7．2．1 径向磁轴承的静态性能测试

7．2．2 轴向磁轴承的静态性能测试

7．2．3 轴向磁轴承的动态性能测试

7．3 飞轮储能样机实验

7．3．1 径向、轴向磁轴承的悬浮实验

7．3．2 飞轮储能样机的旋转实验

7．4 本章小结

第8章 总结与展望

8．1 论文的主要工作和创新点

8．2 展望和不足

参考文献

攻读博士学位期间学术成果

致谢