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磁懸浮軸承具有無摩擦、無需潤滑、噪聲小、壽命長等優(yōu)點，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界倍受關(guān)注。電磁軸承作為一種有源磁懸浮軸承，可通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)其推力剛度、阻尼，對轉(zhuǎn)子振動進行主動抑制及不平衡補償，有利于提高轉(zhuǎn)子的動態(tài)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于高速電機、飛輪儲能等發(fā)電及電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，真正實現(xiàn)高速高效。

然而電磁軸承工作時需要位置傳感器實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子系統(tǒng)偏離平衡的位移并通過控制器調(diào)整線圈電流以控制推力大小。這對傳感器的分辨率及控制器的響應(yīng)速率提出嚴(yán)格要求，且轉(zhuǎn)速越高要求越高，相應(yīng)的設(shè)計成本也越高。此外，電磁軸承在工作過程中會產(chǎn)生熱損耗和渦流損耗，將引起部件溫升進而影響電磁軸承的工作性能，在飛輪儲能系統(tǒng)真空運行環(huán)境下該問題更為突出。

超導(dǎo)磁懸浮軸承（Superconducting Magnetic Bearing, SMB）具有無源自穩(wěn)定性、無需控制、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、摩擦系數(shù)較電磁軸承小等優(yōu)點，近年來成為國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的熱點。國外有美國、德國、日本、韓國等研究機構(gòu)，研究主要集中于太空飛船姿態(tài)調(diào)整、磁懸浮列車、高速軸承、飛輪儲能等應(yīng)用方面。國內(nèi)有中科院電工所從事超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)研究，西南交大從事磁懸浮軌道列車研究。

然而，超導(dǎo)材料由于價格昂貴造成超導(dǎo)磁懸浮軸承成本過高。超導(dǎo)磁軸承懸浮力、剛度與永磁或電磁軸承相比較低，難以實現(xiàn)支撐較大飛輪載荷，需要與電磁軸承、永磁軸承配合使用。此外，超導(dǎo)磁軸承懸浮力具有弛豫，將影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

中國科學(xué)院電工研究所、中國科學(xué)院大學(xué)等單位的研究人員，在原有超導(dǎo)徑向磁軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種將其和軸向電磁軸承（Active Electromagnetic Bearing, AMB）集成于一體的混合磁懸浮軸承（Hybrid Magnetic Bearing, HMB）結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于基于磁驅(qū)動的高溫超導(dǎo)飛輪儲能樣機系統(tǒng)。

圖1 徑向超導(dǎo)磁軸承

圖2 超導(dǎo)電磁混合軸承結(jié)構(gòu)

在已知電磁軸承定子內(nèi)環(huán)內(nèi)徑、外環(huán)外徑的條件下利用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，分析了二者之間關(guān)鍵性能參數(shù)的相互影響。試制了原理樣機，通過懸浮力測量實驗并分析驗證了可行性。

圖3 混合軸承樣機及懸浮力測量裝置

研究結(jié)果表明：

• 1）與原徑向超導(dǎo)軸承相比，混合軸承增大了懸浮力及其剛度，提高了懸浮力體積比。
• 2）利用液氮作為冷卻介質(zhì)可有效解決電磁軸承線圈的發(fā)熱問題，尤其適用于飛輪儲能真空應(yīng)用環(huán)境。
• 3）超導(dǎo)軸承具有的自穩(wěn)定性有助于降低電磁軸承控制器的響應(yīng)速率，混合軸承能夠?qū)崿F(xiàn)對飛輪轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。下一步將嘗試采用超導(dǎo)線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)銅線圈的全超導(dǎo)混合軸承設(shè)計。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊1，論文標(biāo)題為“飛輪儲能系統(tǒng)用超導(dǎo)電磁混合磁懸浮軸承設(shè)計”，作者為李萬杰、張國民、王新文、邱清泉。