>超导混合磁力轴承的发展现状和前景>>作者:admin来源:北极星电发表时间:2006-03-21浏览回数:>>字号:大中小>>超导混合磁力轴承的发展现状和前景>>方家荣 林良真 夏平畴 严陆光>>摘 要:磁力轴承是自五十年代以来迅速发展起来的一种新式高性能磁悬浮轴承。本文介绍了磁力轴承的工作原理和发展现状,首次提出了国内外全新的立式永磁有源超导混合磁力轴承的研究方案,并给出了两个飞轮储能预设方案。>>关键词:磁力轴承;永磁有源超导混合磁力轴承;高温超导体;飞轮储能>>THE FUTURE AND DEVELOPMENT OF HYBRID SUPERCONDUCTING MAGNETIC BEARINGS>>FANG Jiarong LIN Liangzhen XIA Pingchou YAN Luguang>>(Institute of Electrical Engineering, Acadia Sinica, Beijing 100080)>>Abstract:The magnetic bearing is a novel high performance magnetic levitation bearing which has been developed rapidly since 50s. By introducing the principle and development of magnetic bearings, one new sche of vertical hybrid permanent active superconducting magnetic bearings is presented and its two prototypes of flywheel energy storage systs are designed in this paper.>>Key words:magnetic bearings, hybrid permanent active superconducting magnetic bearings, high tperature superconductor, flywheel energy storage▲>>1 引 言>>磁力轴承(Magnetic Bearings: MB)是一种利用磁场力将转轴及荷重悬浮于空中的非接触式轴承。MB可以或许消除机械磨擦,大幅度降低能耗和噪声,无需润滑油,而且具有高转速和良好的动力学特性,所以MB很是适用于高速离心计心情,飞轮储能,航空导向陀螺仪等高速立轴旋转机构。>>单纯使用永久磁体或超导体产生的悬浮称为无源磁悬浮,而使用电动或电磁方式产生的悬浮则为有源磁悬浮。永磁磁力轴承(Permanent MB: PMB)具有系统简单,靠得住和价低等长处,但根据Earnshaw定理[1],仅由永磁质料构成的悬浮系统存在不稳定问题。同样,传统的有源磁力轴承(Active MB: AMB)采用电磁吸力工作方式,自己为一非最小相位不稳定系统,必须由快速响应的伺服系统加以反馈控制。轴承刚度很高,但其控制系统结构复杂,难度较大,需要连续消耗电能,而且存在铁损问题,是以效率不够高,严重影响了其在飞轮储能等方面的应用。>>自1986年以来发现的非理想第二类高温超导体,由其构成的超导磁力轴承(Superconducting MB:SMB),自己就是一个稳定系统,无需有源控制,是以在理论和技术上都是一种新的冲破。可是,SMB持久以来存在着磁通蠕动,承载能力低,刚度低,阻尼小,磁滞特性导致的转轴工作位置不确定和磁通钉扎性引起的零场冷(Zero Field Cooling:ZFC)等问题,制约了其在MB上的发展。凡是的处理完成方法,一种是提高质料特性,通过提高钉扎中间 的密度和有效性来处理完成磁通蠕动;另外一种是结构预设方法,采用多个相同或相反磁极的永磁体来提高悬浮力。然而,当前的根本处理完成方法是采用AMB和SMB混合磁力轴承,国外已有报导[2-3]。>>根据以上环境,本文首次提出了国内外全新的立式永磁有源超导混合磁力轴承(Hybrid Permanent Active Superconducting MB: PASMB)研究方案:一方面,采用PMB轴向御载,从而处理完成SMB承载小,工作位置不确定和ZFC问题;另外一方面,采用AMB提高SMB的径向刚度及阻尼,克服由于转子偏疼量所产生的涡动,降低机械振荡损耗。PASMB兼具永磁,有源和超导磁力轴承三者的上风,具有广泛的应用前景,为今后磁力轴承发展的主要方向。>>2 磁力轴承分类和工作原理>>2.1 磁力轴承的分类>>一个悬浮转轴为五自由度系统,包括一个轴向,两个径向和两个角自由度。根据产生电磁场的差别方法,MB分为无源,有源和两者混合三种。按角自由度的控制方式,MB可分为轴向和径向两种角自由度稳定方式[4]。概括起来,磁力轴承大致共有八种结构,如图1所示。图中,黑三角和白三角分别表示有源和无源磁力轴承,第一排为径向角自由度稳定方式,第二排为轴向角自由度稳定方式。具体特性总结如表1所示。>> >>图1 八种磁力轴承结构简图>>表1 八种磁力轴承特性>>类型轴向径向角自由度有源自由度数 R1-A1无源无源无源0 R2有源无源无源1 A2无源有源无源2 A3有源无源有源3 R3无源有源有源4 R4-A4有源有源有源5>>2.2 有源磁力轴承的工作原理>>图2所示为有源磁力轴承系统结构简图,主要由电磁石,转子和控制系统构成。由Maxwell方程,则得单个电磁石的吸力公式: >>图2 有源磁力轴承系统结构简图>> (1)>>式中,j=1,2, N—线圈匝数,I—线圈工作电流,h—电磁石与转子之间的间隙>>将上式线性化,设静态工作电流I10=I20=I0,则>>F=F1-F2=kc.i kd.z (2)>>其中:i=I-I0,系统电流刚度kc=,位移刚度>>AMB的工作原理,就是由位移传感器测出转子的位移偏差信号,路程经过反馈控制器按一定控制律发出控制信号,最后送至功率放大器,路程经过功放调节电磁石的励磁电流,以调节对转子的电磁吸力,从而将转子控制在参考输入位置上。>>AMB共有模拟,数码和数模复合三种控制方式。预设模拟控制器时,先将控制对象MB的五自由度转子运动方程线性化,并忽略耦互助用,将其分化为五个单自由度子系统,再由等效的控制对象采用根轨迹法,频率法等方法,并用劳斯判据等判断控制器各参数的取值范围,稳定环境及动态特性。可是,实际AMB存在非线性,陀螺效应,临界转速和外界滋扰和参数时变性等问题,必须根据具体环境,选用最优控制,自适应控制,学习控制等现代控制理论,并相应地采用数码或数模复合控制器。>>2.3 高温超导磁力轴承(SMB)的工作原理>>SMB工作原理如图3(a)所示,SMB由永磁体与超导体构成。当高温超导体(High Tperature Superconductor: HTS)处于超导态时,HTS具有抗磁性和磁通钉扎性,其中,悬浮力与间距之间的关系如图3(b)所示。>> >>(a)SMB工作原理图 (b)F(z)曲线>>图3>>永磁体与高温超导体之间各向的作使劲可表示为[5]:>> (3)>>式中,H:超导体内的场强,M:超导体磁化强度,V:超导体有效磁化体积>>i=x,y,z,其中x,y,z分别表示径向和轴向坐标>>超导体的磁化是由流动在体内的宏观电流产生的。根据Lenz法则,它老是阻碍外磁场的变化,这就是SMB稳定悬浮的内在机制。>>凡是采用Bean临界状况模型来分析SMB的磁浮力,横向恢复力等静态特性, 描写SMB承载能力和稳定性;采用磁通蠕动和流动模型来分析刚度,振荡阻尼和旋转损耗等动态特性。SMB的静、动态特性归纳如下:1. 由于HTS具有抗磁性和钉扎性,SMB为一个自稳定的系统;2. 悬浮力是磁体与超导体间距的函数,且具有磁滞特性,磁滞小环斜率为FC刚度,磁滞大环斜率为ZFC刚度;3. SMB的刚度与间距有关,间距越小,刚度越大;4. 磁滞特性导致转轴工作位置不确定和磁通钉扎性引起ZFC问题;5. 由钉扎性产生的磁阻力是间距的函数,与磁通密度的不均匀性有关,并产生旋转阻力矩,导致转速下降但与转速无关;6.通过增大HTS的磁通钉扎力和磁化强度,可以革新HTS体内的磁场梯度来提高SMB的承载能力。>>3 国内外发展环境>>3.1 有源磁力轴承(AMB)发展现状及应用>>AMB由于采用了反馈控制技术, 尤其是现代控制理论的发展和数码控制的应用, 使得AMB研究已至关成熟, 而且由于数码信号处理器的浮现, 使得数码控制系统的实现更为简单, 控制性能更为优良。>>世界上首先将MB发展成为产品的是法国S2M公司[6]。据统计,该公司已在1400多台机器上应用了AMB, 转速范围0～800,000rpm,转子直径14～1250mm, 单个轴承负载能力可达100,000N, 使用温度范围-253℃～450℃。S2M公司共出产30多种产品, 在MB四大应用范畴上使用环境如下:>>(1)空间工业范畴: A.人工制造卫星的惯性轮和陀螺仪飞轮; B.人工制造卫星图片复印设备; C.低温透平泵。>>(2)机械加工范畴: A.高速加工电动转轴; B.高精度工件夹架; C.大直径磨制机床; D.高精度车床。>>(3)轻工业范畴: A.透平分子真空泵; B.X 射线管; C.离心计心情; D.转动反射镜主光轴; E.小型低温压缩机。>>(4)重工业范畴: A.压缩机和鼓风机;B.泵;C.膨胀机和能量收受接管透平; D.汽轮机和 燃气轮机; E.马达和发电机。>>3.2 高温超导混合磁力轴承的发展现状>>根据临界温度的凹凸,超导体可分为低温和高温超导体(HTS),相应的SMB可分为低温和高温SMB。自五十年代以来就进行了低温SMB的研究,可是由于它要求液氦低温工作条件,限制了其研究制造及发展。直到1987年,Cornell大学首先研究制造了高温SMB,转子重5克,转速高达10,000rpm[7]。德国H.J.Bornann制作了一台转子重量10公斤,最高转速50,000rpm的300Wh SMB飞轮储能样机[8]。并在此基础上,预设了一个由10台SMB飞轮储能机构成的5WMh/100MW飞轮储能站。每台飞轮储能样机重30吨,转子装有四个圆盘,每个重3吨,储能125kWh,转速范围为2250-4500rpm。>>SMB由于存在悬浮力小和刚度低两大问题,限制了其在工业上的应用。为了处理完成承载能力低问题,Texas超导中间制作了一台永磁体加HTS混合SMB飞轮储能样机[9],利用永磁体之间的吸力和斥力来增大悬浮力,转子重量19公斤,储能2kWh,当转速为2000rpm时,SMB的动能损耗每小时小于5%。法国P.Tixador制作了一台混合PMB-SMB飞轮储能系统[5]。中国科学院电工研究所研究制造了一台采用PMB卸载,轴向位置确定,SMB提供稳定的立轴旋转机构,径向刚度大于3N/mm,径向振荡小于10微米[10]。>>AMB在刚度上比SMB大几个数量级。为了提高SMB的刚度和阻尼,日本M.Komori制作了一台双AMB-SMB样机[2]。采用一套SMB用以克服重力,提供稳定悬浮力,另外一套AMB用以提高刚度,抑制振荡。转子重量为0.37公斤,转速最高可达63,000rpm,径向振荡小于30微米。日本R.Takahata则研究制造了一台双AMB-SMB飞轮储能样机[3],转子重量2.5公斤。在低频旋转时,径向振荡超过200微米。系统只在升速历程中采用一套AMB控制径向振荡,以便平稳越过临界转速。当转子高速旋转工作时,系统无需AMB控制,径向振摆小于8微米。并在此基础上,制作了1kWh AMB-SMB立轴飞轮储能系统,转子重量50公斤,转速高达40,000rpm,开端实现储能0.2kWh。>>4 立式永磁有源超导混合磁力轴承(PASMB)研究方案>>根据目前环境,SMB的总体性能还不够理想,仍然处于试验研究阶段。为此,本文首次提出了国内外全新的处理完成方案——立式永磁有源超导混合磁力轴承(PASMB),即:采用PMB轴向御载,一个SMB提供稳定,一个AMB提高径向刚度及阻尼,从而达到大荷重,高刚度和高阻尼的工业应用要求。>>我们预设了两个PASMB飞轮储能方案,如图4(a)和4(b)所示。这两种方案都采用图1所示A2轴向角自由度稳定方式,即:一个AMB径向轴承和PMB和SMB两个轴向轴承。图4(a) PASMB方案1中共有两个PMB,此种结构不但可以或许卸载,而且还能通过调整半径大小,轴向刚度,使角自由度获得稳定。图4(b)所示PASMB方案2中所采用的PMB结构,可以或许提高卸载能力,确定轴向位置。为了提高磁场密度和梯度,SMB都采用多极磁环,从而增加悬浮力和刚度。为了提高磁力轴承的径向刚度,抑制转轴机械振荡,在每个方案中转轴的径向位置都加上AMB有源控制。在预设飞轮圆盘时,方案1采用T型,方案2采用工字型,从而避免章动,减小振荡,以便易于过临界转速。>> >>(a) PASMB方案1 (b) PASMB方案2>>图4>>PASMB由于采用了PMB轴向卸载,处理完成了ZFC问题,提高了轴向刚度,而且由于采用了SMB提供稳定,AMB控制系统可以得到简化,采用无偏流工作方式,节流能耗。当系统采用一个AMB径向轴承时,没有耦合问题,易于控制并有利于采用PID及非线性控制等。PASMB综合了PMB,AMB和SMB的长处并互为简化,是以具有广泛的应用前景。■>>作者简介:方家荣,1968年出生,博士生,研究方向为超导技术及电工新技术>>作者单位:方家荣(中国科学院电工研究所, 北京 100080)>>林良真(中国科学院电工研究所, 北京 100080)>>夏平畴(中国科学院电工研究所, 北京 100080)>>严陆光(中国科学院电工研究所, 北京 100080)>>参考文献:>>[1]Boerdijk.Technical aspects of leviation.Philips Resrep, 1956;(11):8>>[2]M Komori, IEEE Trans.On Appl.Supercond. 1998;8:79～83>>[3]R Takahata.5th Inter.Symp.on MB, Japan, 1996;463～466>>[4]J P Yonnet, J.Appl.Phys. 1998;64(10):5997～5999>>[5]P Tixador.IEEE Trans.On Magnetics, 1996;32:2578～2581>>[6]赵鸿宾.国际学术动态.1990;(6):86～89.>>[7]F C Moon.Superconducting Levitation. Wiley-science, New York, 1994>>[8]H J Bornann.IEEE Trans.On Appl.Supercond.1997;7>>[9]Z X[ia. Proceed. 29th Inters. Energy Eng.Conf.1994;3:1496～1501>>[10]叶宏.中科院电工所博士论文,1999>客户您好：如找上海真空泵厂，请认准上海龙亚真空泵厂，如需选型报价则请致电O21-61557O88 您亦可拨 O2l-6l557288，不管您买不买，反正我是会把真空泵的价格报给您的 ~~~~(*^__^*) ~~~
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