飞轮储能系统用超导电磁混合磁悬浮轴承设计

提出一种将径向超导磁轴承和轴向电磁轴承集成于一体的混合磁悬浮轴承结构设计,用于超导飞轮储能系统中支撑飞轮转子。利用多物理场仿真软件Comsol对超导径向磁悬浮轴承悬浮力进行仿真计算,在电磁轴承定子铁心内环内径、外环外径参数已知的条件下利用Ansys Maxwell软件以电磁力最大为目标对结构参数进行优化设计,并分析了超导和电磁轴承关键性能参数的相互影响,试制原理样机,测量悬浮力并比较了其优势。测量结果表明,利用超导轴承的自稳定性可减小混合轴承悬浮力合力随气隙增大而减小的速率,降低电磁轴承控制器的响应速率,将液氮作为冷却介质可有效解决电磁轴承线圈的发热问题,集成结构设计可提高磁悬浮轴承的悬浮力体积比,验证了其有效性。     

径向高温超导磁悬浮轴承的端部效应分析

针对径向高温超导磁悬浮轴承轴向尺寸有限引起的端部效应会影响其轴向悬浮特性,提出一种基于H公式的二维有限元建模方法,对径向高温超导磁悬浮轴承的端部效应进行分析。首先,通过实验测试验证提出的有限元建模方法;然后,分别建立具有不同尺寸定、转子的径向高温超导磁悬浮轴承有限元模型;最后,得到不同尺寸的超导定子与不同极数的永磁转子下轴向悬浮力与位移的关系。结果表明,由于端部效应,随着超导定子分块数量的增加,轴向悬浮特性不断恶化;随着永磁转子极数的增加,轴向悬浮力最大值先提高后降低,最终趋于永磁转子无限长时的轴向悬浮力最大值。     

国内最大功率磁悬浮轴承电机问世

近日 ,国内目前最大功率磁悬浮轴承电机在山西永济电机厂完成总装和初步调试。据了解 ,该电机由永济电机和西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所共同研制。磁悬浮是现代高科技发展的产物。它的研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、机械设计制造等众多学科 ,技术十分复杂 ,是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。据了解、磁悬浮轴承电机利用安装在机座上的径向和轴磁铁 ,在转动的转子中感应出磁场 ,并通过定转子磁场的相互作用将转动的转子悬浮起来 ,避免了传统电机的转轴轴承接触摩擦而产生的机械问题 ,使电机的转速不受轴承的限制 ,…     

电机外置式径向型高温超导飞轮储能系统样机悬浮测试及旋转实验

建立一台小容量电机外置式径向型超导飞轮储能系统样机,详细介绍样机结构及主要部件。采用灌封和粘接两种工艺,建立两套超导定子并对其进行悬浮测试。基于所建立的有限元数学模型研究样机超导轴承的磁场分布以及超导块材中的电流分布,得到其相应的变化规律。对安装了粘接超导定子的样机进行动态旋转实验,测量转子在不同稳态速度下的自由旋转和径向振动,分析其旋转特性,采用二范数研究转子径向振动幅值的变化规律。结果表明振动与旋转特性密切相关,低于共振点时转子振动随转速的上升而显著增加,进而导致转子转速不能持续上升。采用组合轴承系统限制转子振动幅度是提高系统转速和机械稳定性的有效方法。     

新结构混合型径向磁悬浮轴承

介绍了一种混合型径向磁悬浮轴承的结构及工作原理.该混合型径向磁悬浮轴承为同极性结构,可降低转子旋转时产生的磁滞损耗,因此转子可采用实心结构,从而可以承受更高的转速.利用等效磁路法推导了其悬浮力、控制电流及转子位移之间的函数关系,并通过有限元仿真和实验验证了其工作原理的正确性.它能够实现转子在0～10 000ffmin的稳定悬浮.     

磁悬浮轴承热泵压缩机设计与应用研究

磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损以及无需润滑等诸多优点,在鼓风机、压缩机和暖通领域有广阔的应用前景。针对65 kW、30 000 r/min热泵压缩机,基于最大承载力要求和电机转子轴径限制,设计了一款5自由度(5-DOF)主动磁悬浮轴承。针对压缩机成柜后出现的模态共振问题,通过增加安装机座支撑强度的方法抑制和消除了共振模态。该磁悬浮轴承成功应用于实际热泵压缩机,在全工况运行范围,磁悬浮轴承系统的灵敏度函数小于12 dB,转子振动峰-峰值最大值不超过80μm,工作转速范围轴振峰-峰值小于20μm,满足ISO 14839规定的长期稳定运行要求。     

一种新型结构的永磁偏置径向磁轴承

提出了一种新型永磁偏置径向磁轴承结构,通过第二气隙形成电磁磁路,与现有Heteropolar结构的磁轴承相比,定子磁极个数由8个减少为4个,可使转子高速旋转时的涡流损耗降低3倍,利用等效磁路法以及有限元法对该永磁偏置径向磁轴承进行分析,得出了最大承载力、电流刚度以及位移刚度的数学表达式,给出了主要参数的设计与计算方法.理论研究和仿真分析表明,所提出的新型径向磁轴承结构通过合理设计第二气隙的大小,可使永磁体产生的位移刚度减小,特别适用于磁悬浮反作用飞轮,以减小对飞轮的扰动,同时减小了飞轮的最大起动力矩,大大提高了飞轮的控制精度,在无轴承电动机、其他飞轮系统等场合具有广阔的应用前景.     

真空泵驱动用定子表贴式永磁电机转子热性能分析*

真空泵驱动电机转子不易散热可能导致转子温升过高,其热量传导至轴承会有导致轴承抱死的风险,而损耗是发热的根源,将损耗由转子侧向定子侧转移是创新思路和工程可行措施。定子永磁型电机就是适合这种损耗转移思路的电机结构,虽然其转子侧无永磁体损耗,但是转子铁心仍存在一些损耗,在电机转速和频率较高的情况下更明显。为此,以1.5 kW、9000 r/min的电机为例,对同样外形尺寸的定子表贴式永磁电机（SSPMM）和转子表贴式永磁电机（RSPMM）进行了分析,对比了转子采用不同硅钢片材料时转子侧的损耗,以及两电机转子和轴承的温升、轴承热应力和热形变情况。比较结果表明,SSPMM在较高转速和频率的情况下,当转子侧采用高性能的硅钢片材料时,转子损耗和发热量比RSPMM更小,可降低轴承抱死的风险,提高真空泵长期运行的可靠性。     

全悬浮永磁偏置磁悬浮轴承电机系统的研究与实现

介绍了一种全悬浮永磁偏置磁悬浮轴承电机系统.该系统由永磁偏置轴向-径向磁悬浮轴承、永磁偏置径向磁悬浮轴承及高速电机组成,给出了两种磁悬浮轴承的结构并分析了其工作原理.实验证明由这两种磁悬浮轴承组成的磁悬浮轴承系统具有良好的悬浮性能,给出了20 000 r/min时转子铁心的位移波形以及控制绕组中的电流波形.     

飞轮储能用高速永磁同步电机损耗分析与优化

飞轮储能由于效率高、无污染等优点得到了广泛应用。作为核心部件,高速永磁同步电机的损耗直接制约着电机转速,进而影响飞轮储能系统的性能。文章给出电机铁耗和永磁体涡流损耗的计算公式,分析两种损耗的影响因素。根据损耗分析给出电机的拓扑结构,介绍电机的绕组形式、极槽配比和转子结构。提出一种新型磁障设置方法,在定子轭部设置空气磁障,引入径向分段和Halbach充磁方式,给出三种新型电机拓扑。有限元仿真结果表明,磁障的设置显著降低了铁耗,但也使得永磁体涡流损耗上升。径向分段和Halbach均能大幅度降低永磁体涡流损耗,将径向分段与磁障相结合是降低损耗的有效方法。减少槽口宽度能降低永磁体涡流损耗,但其取值要综合考虑损耗与加工难度。     

无轴承薄片电机磁体形状优化设计及系统实现

无轴承永磁薄片电机引起了工业界的关注。这种电机集电机与磁轴承于一体，并利用被动磁悬浮与主动磁悬浮相结合的方法简化了结构、降低了成本。因其独特的结构，无轴承永磁薄片电机的径向悬浮性能对其各自由度悬浮性能有较大的影响，同时其集成度高，对损耗有较严格的要求。该文从这2个方面出发提出了一种基于有限元分析的表贴式永磁无轴承薄片电机永磁体形状的优化设计方法。仿真与实验证明，永磁体经优化设计后，其转子磁场谐波含量非常小，损耗小，悬浮力脉动小，易于获得良好的悬浮性能。     

高速永磁电机结构设计及损耗分析

从定子结构、定子材料、转子设计、永磁体材料选择对永磁电机设计进行分析,对200kW、20000r/min、4极高速永磁电机进行了系统计算,通过计算和软件模拟电机损耗,分析变化规律,确定了设计参数。     

固定电动机永磁体的新方法

将永磁体装到同步电动机或同步发电机的转子上是件困难的事。固定在高速转子圆周的磁体,其速度可高达200m/s,把磁体向外推的径向力非常大。 如果磁体沿着转子的轴向移动,势必降低电机的效率。若磁体向外移动则造成不平衡,导致轴或轴承故障。最坏情况下能使定子发生“扫堂”碰撞,损坏电机。 有一些美国专利曾提出建议,利用径向止动环——碳素纤维加强塑料环,能将磁体固定在轮毂位置上。围绕转子圆周,这些止动环将能承受接近1000MPa的作用力。     

无轴承永磁同步电动机永磁体参数优化设计

介绍了无轴承永磁同步电动机径向悬浮力产生原理。通过对比各种永磁体材料的性能和不同转子磁路结构特点,确定采用钕铁硼稀土永磁体,选择转子表面凸装式结构;从理论上分析了径向悬浮力与永磁体厚度、径向悬浮力绕组电流之间的关系;采用有限元方法,在考虑磁路饱和及非线性情况下,对实验样机径向悬浮力进行了计算和分析。研究结果对无轴承永磁同步电动机如何获得最大径向悬浮力以及电动机的优化设计具有参考价值。     

基于退磁限制的无轴承永磁同步电机性能参数分析

无轴承永磁同步电机磁场中不仅存在转矩绕组电流产生的磁通,而且存在径向悬浮力绕组电流产生的磁通,这两种磁场会导致永磁体退磁。设计永磁体参数需考虑产生最为有效径向悬浮力、电磁转矩和避免永磁体退磁三者之间的关系。论文分析了转矩绕组电流产生的磁通和径向力绕组电流产生的磁通共同作用下,转子表面永磁体容易引起退磁的关键区域;在电机气隙不变情况下,分析得出了保证产生最为有效的径向力时最佳永磁体厚度;基于永磁体退磁限制,采用有限元分析计算,针对论文中设计的永磁体厚度及气隙长度,得出了无轴承永磁同步电机最大转矩电流、径向悬浮力电流和产生的最大径向悬浮力。     

无轴承绕线型异步电机瞬态响应的有限元分析及实验研究

无轴承电机集磁性悬浮与转矩驱动于一体,具有无摩擦、无磨损、无损耗、免维修、寿命长等独特优点,从根本上改变了传统的支承与传动形式.该文介绍一种无轴承绕线型异步电机,通过瞬态有限元分析法(TFEM)计算其径向力和转矩的瞬态响应,结果表明该无轴承电机可以同时产生支承转子重量的稳定径向力与恒定转矩,且其控制电流相互独立,与鼠笼型转子无轴承异步电机相比,前者能够产生更有效的径向力,且转矩不受径向力绕组电流干扰;并在基于SVM-DTC的磁悬浮异步电机悬浮子系统独立控制实验平台上加以测试,结果表明该系统能够实现了无轴承绕线型异步电动稳定悬浮.     

一种用于小型水泵的无轴承电机磁悬浮性能分析

提出一种用于小型水泵的无轴承无刷直流电机,介绍了其结构、磁悬浮产生的原理以及磁悬浮控制的策略,并进行了无轴承无刷直流电机的模型仿真及磁悬浮性能测试试验。有限元法分析计算的结果证明所设计的这种用于小型水泵的无轴承无刷直流电机的模型精确有效。使用所设计的机械样机进行了悬浮性能测试试验,通过试验证明以2 200 rad/s最大转子速度和8.2 L/s最大水流量驱动小型水泵时,转子能够成功地悬浮而没有机械支撑。从结果中可以得到所设计的磁悬浮控制策略作为无轴承无刷直流电机的控制方法是有效的,并且所设计的无轴承无刷直流电机特别适用于驱动小型水泵系统。     

问与答

问:额定功率 P_N=30kW,4极,50Hz,N_N=1425r/min 的绕线转子三相异步电动机,其负载转矩与转速的平方成正比,采用转子回路串电阻调速。转子绕组 Y 接,其一相电阻值为0.06Ω,堵转时集电环之间的感应电压为200V,问忽略定子电阻时,转子回路的最大损耗是多少?对应最大损耗时转子回路串入电阻值是多少?答:因为负载转矩与转速 N 的平方成正比,则负载功率 P_L 与 N~S 成正比。设 N_S 为同步转速,则P_L=KN~3=KN_S~3(1-S)~3=K′(1-S)~3 (1)式中 K,K′——常数设电动机的电磁功率为 P_(em),输出功率(包括电机本身的机械耗和杂散耗)为 P_L,转子铜耗为 P_(cu2),则     

新型外转子Halbach永磁阵列定子无铁心电机设计与分析

具有气隙磁密正弦、磁密高等优点的halbach阵列永磁外转子电机应用于飞轮储能系统的电动/发电机可以有效提升系统集成度,简化系统结构,提高系统功率密度。本文研究分析新型外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的转子结构和定子绕组设计方法;通过有限元方法分析了磁场分布和定子绕组损耗;研究定子绕组区域磁场分布变化特征,采用每匝绕组线圈内部导体换位技术有效抑制线圈导体内部之间的环流;最后,通过场路耦合方法分析定子绕组电流对转子永磁体涡流损耗影响。本文优化设计的200k W外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的机电能量转化效率高达99%以上。     

锥形磁悬浮轴承的建模与解耦控制

磁悬浮轴承的标准结构包括两个径向轴承和一个轴向轴承,也可以将两个径向轴承做成锥形使其能够提供轴向悬浮力,从而省去轴向轴承,减小磁悬浮轴承的轴向尺寸,并使系统结构简化。但仅仅依靠两个锥形径向轴承使转子悬浮,在磁轴承的轴向和径向间会存在很强的耦合,使系统的建模和控制都变得更复杂。对一台自行设计的锥形磁悬浮轴承提出一种解耦控制。首先采用磁路法建模,得到原始的非线性模型。然后对非线性模型进行线性近似,并通过引入输入与输出的线性变换使系统解耦,推导出5个单输入单输出的解耦控制模型,分别对应于转子的5个运动自由度。最后,针对这5个被控对象分别设计控制器,并对解耦控制进行仿真分析和实验验证。结果表明,锥形磁悬浮轴承可以通过对其输入和输出进行简单的代数变换实现有效的解耦。