CN103216527A

CN103216527A - 一种基于径向排斥式的磁轴承及其应用

Info

Publication number: CN103216527A
Application number: CN2013100837346A
Authority: CN
Inventors: 杨家强; 彭丹
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种基于径向排斥式的磁轴承，包括一环形永磁体；环形永磁体的周围沿径向均匀设有2n个通电线圈，环形永磁体产生径向磁场的方向与通电线圈产生径向磁场的方向相反；该磁轴承采用环形永磁体和绕组线圈相互作用产生径向悬浮斥力，磁轴承装置结构简单紧凑，稳定可靠。本发明还公开了一种应用上述磁轴承的飞轮储能装置，其利用同性磁场相互排斥的原理构成了一个动态稳定系统，距离越近斥力越大，有利于主轴高速运转而不与机壳内壁发生碰撞刮插。

Description

一种基于径向排斥式的磁轴承及其应用

技术领域

本发明属于磁轴承技术领域，具体涉及一种基于径向排斥式的磁轴承及其应用。

背景技术

电磁轴承是一种高科技机电一体化产品，具有无物理接触，这是其应用的最主要特征。由于没有物理接触，故没有摩擦力，因此电磁轴承具有无摩擦磨损、转速高、无需润滑、寿命长等特点，这些优点利用一般的机械轴承是很难达到的。电磁轴承主要应用于高转速、大功率、高精度以及效率要求很高的场合。

飞轮储能技术是以高速旋转的飞轮为载体，将电能转化成机械能储存在高速旋转的飞轮中，通过飞轮及电机的升速和降速来实现电能的存储和释放。随着高强度复合碳纤维材料、磁悬浮轴承技术和高性能电力接触器器件的出现和发展，飞轮储能以其稳定、高效、环保、长寿命、储能密度高、不受充放电次数限制等优良的性能特点，在电力系统调峰调频、不间断电源、混合动力汽车、起重设备、风力发电系统以及航空航天等领域都有着广泛的应用。

将电磁轴承技术应用于飞轮储能当中是飞轮储能系统发展的一个趋势。传统基于电磁悬浮轴承的飞轮储能系统，主轴的悬浮是通过由驱动器、传感器和控制系统组成的电磁轴承来实现的，通过在立式飞轮主轴的上、下两端利用X、Y方向上的两套径向电磁轴承来实现飞轮主轴径向四个自由度的悬浮；由于电磁轴承与机壳分别是磁性物体以及导磁材料，因而两者之间会产生相互吸引力，而且两者之间的吸引力会随着两者之间的距离的拉近而越来越大，这样整个开环系统就是一个动态不平衡系统，造成整个系统控制的困难。

另外国内外广泛研究和发明的电磁轴承飞轮储能系统，多为通过反馈闭环式系统，通过PI控制或者其他的控制方式来控制，而在一个高速旋转的大转动惯量的飞轮储能系统中，上述的缺陷很难通过反馈闭环系统的方式来解决，会对整个飞轮储能系统造成极大的危害，如机壳与主轴之间的高速碰撞等等。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于径向排斥式的磁轴承，利用同性磁场相互排斥的原理能够有效提高高转速系统的稳定性，且结构简单。

一种基于径向排斥式的磁轴承，包括一环形永磁体；所述的环形永磁体的周围沿径向均匀设有多个通电线圈；所述的环形永磁体产生径向磁场的方向与通电线圈产生径向磁场的方向相反。

优选地，所述的环形永磁体的周围沿径向均匀设有2n个通电线圈，2n个通电线圈成两两对称布置，通电线圈与环形永磁体处于同一平面上，n为大于1的自然数；对称安装有益于主轴在径向方向上的稳定。

优选地，所述的环形永磁体的外环半径与内环半径之差大于通电线圈与环形永磁体之间气隙的厚度；能够优化磁感应线的分布，增强环形永磁体与机壳上下端部的内部等距离对称安装的绕组线圈之间的斥力。

优选地，所述的环形永磁体的外环表面为内凹状曲面；有利于环形永磁体磁场线的水平发射度，增强环形永磁体水平四周的磁场强度，易于产生较大的磁斥力。

一种飞轮储能装置，包括：主轴、变流器、控制器和机壳；所述的主轴设于机壳内，主轴上依次安装有第一轴承、飞轮、电机和第二轴承，所述的变流器与电机相连，所述的控制器与变流器相连；所述的第一轴承或第二轴承采用上述磁轴承，所述的主轴穿过磁轴承的环形永磁体。

所述的机壳内侧设有多个铁芯，磁轴承的通电线圈对应绕制于所述的铁芯上；所述的机壳本身具有良好的密封性，且内部真空。

所述的变流器的直流侧接入直流母线，交流侧输出端通过滤波电抗与电机定子上的绕组对应连接。

所述的电机采用永磁同步电机，该电机转子为永磁体且贴装于主轴上；能够提高电机的运行效率从而提高整个飞轮储能系统的效率，从而达到储能节能的最终效果。

所述的控制器用于为变流器中的功率开关器件提供PWM信号，以使电机四象限运行。

所述的飞轮由大密度、高强度的材料制成，具有大的转动惯量以及能够承受主轴系统的高速旋转。

本发明飞轮储能装置通过在机壳内安装通电绕组线圈，系统运行时线圈通过电流产生径向方向上的磁场，该磁场与主轴上的环形永磁体同极相对，相互排斥，而且二者靠的越近，两个之间的斥力越大，造成二者远离的趋势，从而使得主轴悬浮于机壳中央且不与机壳接触。由于主轴系统与机壳没有物理上的接触，故二者之间没有摩擦力；机壳内接近真空，主轴系统旋转过程中几乎没有什么风阻，飞轮系统在运行过程中能量损失微乎其微，故而效率高，有利于能量的存储。电机可电动和发电四象限运行，在实现主轴四个自由度悬浮的同时，通过采集电流、电压、转速等信号，经过高性能数字信号处理器，在双闭环控制的基础上，应用磁场定向的矢量控制策略，产生相应的驱动电流，通过对变流器的PWM控制，实现飞轮储能系统的充放电功能。

本发明的有益技术效果在于：

（1）本发明磁轴承采用环形永磁体和绕组线圈相互作用产生径向悬浮斥力，磁轴承装置结构简单紧凑，稳定可靠。

（2）本发明飞轮储能装置利用同性磁场相互排斥的原理构成了一个动态稳定系统，距离越近斥力越大，有利于主轴高速运转而不与机壳内壁发生碰撞刮插。

附图说明

图1为本发明飞轮储能装置的结构示意图。

图2为本发明径向排斥式磁轴承的结构示意图。

图3为环形永磁体的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种飞轮储能装置，包括：主轴4、变流器、控制器和机壳7；主轴4设于机壳7内，主轴4上依次安装有第一磁轴承11、飞轮5、电机6和第二磁轴承12，机壳7内侧设有多个铁芯2；其中：

电机6采用永磁同步电机，该电机包括转子和定子；转子贴装于主轴4上且为两对极，转子永磁体沿径向均为同极性排列，永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性；定子具有三相绕组，每相绕组均为分布式绕组且沿气隙圆周对称分布；使得绕组仅含有奇次空间谐波，不含有偶次空间谐波。

变流器与电机6相连，其直流侧接入直流母线，交流侧的三相输出端子通过滤波电抗与电机6定子的三相绕组对应连接；滤波电抗不仅可以有效的减少飞轮储能系统高频PWM开关引入的噪音，减少对电涡流传感器的电磁干扰，而且可以有效降低电机相电流的总谐波失真，降低了电机的损耗和温升；本实施方式中，变流器为三相六桥臂结构，每个桥臂由若干个IGBT串联构成。

控制器用于为变流器中的功率开关器件IGBT提供PWM信号，以使电机实现电动和发电四象限运行；其包括信号采集单元、信号处理控制单元和驱动单元；其中：

信号采集单元用于采集电机的定子相电流i_a～i_f、转子位移量θ_r以及变流器的直流母线电压U_dc和直流母线电流I_dc；其包括电压传感器、电流传感器、转速传感器和电涡流位移传感器；电涡流位移传感器包括安装于主轴上的两对电涡流位移传感器；

信号处理控制单元用于根据磁悬浮控制策略和飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM信号；本实施方式中，信号处理控制单元采用DSP；

驱动单元用于对PWM信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中功率开关器件IGBT的通断。

如图2所示，磁轴承包括一环形永磁体1，主轴4穿过环形永磁体1；环形永磁体1的周围沿径向均匀设有八个通电线圈3，通电线圈3对应绕制于铁芯2上，环形永磁体1内侧为S极，外侧为N极；八个通电线圈3成两两对称布置，通电线圈3与环形永磁体1处于同一平面上。

本实施方式中，通过控制通电线圈3的通电电流方向，使得通电线圈3产生径向磁场的方向与环形永磁体1产生径向磁场的方向相反，即通电线圈3朝向环形永磁体1的一端为N极，背向环形永磁体1的另一端为S极；通电线圈3配合环形永磁体1的磁极，对环形永磁体1产生径向的挤压力，亦即斥力。

环形永磁体1通过现有的充磁技术，形成一个外、内环分别为N、S极的环状磁体，而环形永磁体1的外环表面做成内凹状曲面，如图3所示，以利于环形永磁体磁场线的水平发射度，增强环形永磁体水平四周的磁场强度，有利于产生较大的磁斥力。环形永磁体1的外环半径与内环半径之差大于通电线圈3与环形永磁体1之间气隙的厚度，优化了磁感应线的分布，增强环形永磁体与机壳上下端部的内部等距离对称安装有多个正常运行时绕组线圈之间的斥力。

本实施方式装置中两个磁轴承共同作用，产生向上的推力使整个主轴悬浮在空中，从而不与整个飞轮系统的其他部件产生物理接触。飞轮由大密度、高强度的材料制成，具有大的转动惯量以及能够承受主轴系统的高速旋转。电机采用能够四象限运行的永磁同步电机，能够四象限运行使得电机能够进行发电、电动运行，提高了电机的运行效率从而提高整个飞轮储能系统的效率，进而达到储能节能的最终效果。机壳本身具有良好的密封性，其壳内空腔为真空，以减小飞轮旋转过程中的摩擦损耗，提高系统效率以及使用寿命。

Claims

1.一种基于径向排斥式的磁轴承，其特征在于：包括一环形永磁体；所述的环形永磁体的周围沿径向均匀设有多个通电线圈；所述的环形永磁体产生径向磁场的方向与通电线圈产生径向磁场的方向相反。

2.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于：所述的环形永磁体的周围沿径向均匀设有2n个通电线圈，2n个通电线圈成两两对称布置，通电线圈与环形永磁体处于同一平面上，n为大于1的自然数。

3.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于：所述的环形永磁体的外环半径与内环半径之差大于通电线圈与环形永磁体之间气隙的厚度。

4.根据权利要求1所述的磁轴承，其特征在于：所述的环形永磁体的外环表面为内凹状曲面。

5.一种飞轮储能装置，包括主轴、变流器、控制器和机壳；所述的主轴设于机壳内，主轴上依次安装有第一轴承、飞轮、电机和第二轴承，所述的变流器与电机相连，所述的控制器与变流器相连；其特征在于：

所述的第一轴承或第二轴承采用如权利要求1～4任一权利要求所述的磁轴承，所述的主轴穿过磁轴承的环形永磁体。

6.根据权利要求5所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述的机壳内侧设有多个铁芯，磁轴承的通电线圈对应绕制于所述的铁芯上。

7.根据权利要求5所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述的变流器的直流侧接入直流母线，交流侧输出端通过滤波电抗与电机定子上的绕组对应连接。

8.根据权利要求7所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述的控制器用于为变流器中的功率开关器件提供PWM信号，以使电机四象限运行。

9.根据权利要求5所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述的电机采用永磁同步电机，该电机转子为永磁体且贴装于主轴上。

10.根据权利要求5所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述的机壳内部真空。