小型飞轮储能系统高温超导磁悬浮轴承

邱傅杰 徐克西 盛培龙

（上海大学超导及应用技术研究中心 上海 200444）

1 引言

以氧化物超导体钇钡铜氧（YBCO）单畴块材为核心技术发展起来的超导磁悬浮轴承技术以其结构简单、无控制、无润滑、无噪声、低功耗、高转速、重载荷、长寿命等特点而受到世界各国的广泛关注。在一些特殊应用场合下，该项技术将发挥独特的重要作用[1-6]。目前先进发达国家如美国、德国、日本等都在大力开发这一先进轴承技术。美国航天局（NASA）联合波音飞机公司从1999年起就立项开始进行基于高温超导体YBCO块材的磁悬浮轴承系统研究，并将该技术用于航天飞行器的飞轮电力储存和姿控两用装置中。至2011年 NASA已经连续投入研发经费，先后开发了三代以超导磁悬浮轴承为核心技术的飞轮储能系统，计划将来用该技术取代目前航天器上使用的化学储能电池，与太阳能电池一起组成永久性供电系统。据美国波音公司相关研究小组给出的有关数据，以YBCO准单畴块材为核心技术的磁悬浮轴承系统已实现 1 900Hz的运行转速[4]。德国ATZ公司已成功研发出以高温超导块材为核心技术的径向结构超导磁悬浮轴承[7]，轴承同时具有径向约束和轴向约束功能，其轴向载荷为1 000kg、径向载荷为450kg。日本国际超导技术中心（ISTEC）也已经成功研发出用于10kW·h飞轮储能系统用高温超导磁悬浮轴承[8]。

相对来说国内有关高温超导磁悬浮轴承技术研究无论在深度还是广度都有待于加强。中科院电工所首先对超导（HTS）/永磁（PM）混合磁悬浮轴承系统进行研究，实现了9 600r/min的运行结果[9]。另外，华中科技大学[10]、北京交通大学[11]、西南交通大学[12]、北京航天航空大学[13]等也都在超导磁悬浮轴承方面进行了有益的尝试。然而，目前国内已报道的有关高温超导磁悬浮轴承样机系统与实际应用型样机系统之间仍然存在一定差距。

本文借鉴了国内外各研究小组的相关研究经验，在自行研发YBCO准单畴超导块材的基础上，设计和制作了直立式全超导磁悬浮轴承样机系统，并进行了实验室层面上的试运行。为了提高转子高速运行的稳定性，系统采用了上、下结构的双径向约束支撑，同时增加了轴向约束支撑以保证提供足够的支撑刚度。运行结果显示，由双径向约束和单轴向约束组成的超导/永磁支撑系统可以保证约 25kg重的转子系统高速稳定运行。采用 220V/0.5kW三相异步感应电机驱动，转子最高试验转速达到 15 000r/min。由于对电机驱动系统结构设计缺乏经验，三相异步电机额定功率选型（220V，0.5kW）偏小，造成加速过程中因转子惯性负荷过大而导致电机绕组发热烧毁，以至系统最高试验转速止步于15 000r/min。鉴于更换大功率电机将面临整个轴承系统结构的重新设计加工难题，故本文暂且将该系统的第一阶段研究结果进行报道。

2 系统结构描述

2.1 系统总体结构

图1a给出的系统总体结构框图，其中转子系统由转轴（1）、轴向约束磁体组合（2）、径向约束磁体组合（3，4）和飞轮（5）共同组成，其总重量为24.5kg。定子系统由准单畴YBCO超导体构成的径向约束定子（6，7）、平面六边形准单畴 YBCO超导块材构成的轴向约束定子（8）以及冷却器（9，10）共同组成。径向约束磁体组合（3，4）分别与准单畴YBCO超导体构成的定子结构（6，7）共同组成径向磁约束系统；轴向约束磁体组合（2）与位于其正下方的平面型超导体定子结构（8）相互作用，构成轴向磁约束支撑系统。冷却器（9，10）采用连续流液氮蓄冷方式向超导体定子提供冷量，实验结果证明这一热交换方式能够保证超导体定子进入超导工作状态。

转子系统由调频三相异步感应电机驱动。为了尽量减少外部磁场对超导定子工作状态的干扰，电机转子（11）定位于转轴中间部位，与电机绕组线圈（12）一起组成驱动系统。为了便于转子系统的起动与落地，设计了保护轴承（13，14）。整个系统置于封闭铝合金罩壳（15）中，能够在一定真空度环境下运行。图1b为其实物图。

图1 超导磁悬浮轴承系统总体结构图示和实物图Fig.1 Sketch of the superconducting magnetic bearing system and its photograph

2.2 超导/永磁磁悬浮支撑结构

径向约束定子结构分成上、下两部分，上部由12块27mm×30mm×8mm瓦状型YBCO准单畴块拼接形成内径54mm、高60mm的管状结构，下部由6块同样超导材料组成的内径 54mm、高 30mm管状结构。轴向约束定子结构由6块对边距为52mm、厚度为8mm的平面正六边形YBCO准单畴块材拼接组成。径向约束永磁体组合部件由多块轴向磁化的环状钕铁硼磁钢沿轴向叠加形成，采用多层叠加结构是为了在超导定子材料内部获得更高的磁通密度和磁场梯度。轴向约束永磁体组合部件的构成也是基于同样的考虑。超导定子构件和转子系统结构示意与实体照片如图2和图3所示。

图2 超导/永磁磁悬浮支撑结构示意Fig.2 Schematic illustration of a superconductor/magnet support structure

图3 定子/转子系统实体照片Fig.3 Photograph of a stator/rotor system

2.3 超导/永磁相互作用机制

用于超导轴承定子的准单畴YBCO块材属于第二类非理想超导体，材料内部存在大量的非超导相结构。 该类超导材料在外磁场中的行为与初始条件有关，分为磁场下冷却（FC）和零磁场冷却（ZFC）两种情况，在超导磁悬浮轴承中一般采用FC方式。设外磁场满足（Hc2＞H＞Hc1），其中Hc2和Hc1分别为超导材料的上、下临界磁场。当温度高于临界温度Tc(H)时超导材料处于正常态，此时外磁场能够全部穿透材料（见图4a）。随着温度降至Tc(H)以下时，材料进入超导状态，此时一部分外场磁力线被排出超导体，另一部分则被“冻结”在超导体内部（见图4b），不随外磁场撤消而消失。在此状态下超导体表现出“抗磁性”和“磁通钉扎”双重特性；其中“抗磁性”体现在超导体内出现“屏蔽电流”（对外表现为抗磁磁矩–M），该抗磁磁矩与永磁体相互作用形成排斥力。而“磁通钉扎”则表现为一旦超导体/永磁体系统发生相对运动，则立刻产生相互吸引力，阻止这种相对运动的发生。正是这种排斥力、吸引力共同作用结果，使得超导/永磁系统处于相对能量最低的力平衡状态，任何破坏系统平衡的外界干扰（在系统可承受极限内）都将被自动抑制而无需人工控制。超导/永磁相互作用系统的这种自动“纠偏”能力主要取决于超导材料的“磁通钉扎”性能以及磁场分布特性。尽可能采用高性能超导单畴材料、结合高场强、大梯度永磁体结构设计，对于提高超导/永磁相互作用刚度十分关键。

超导磁悬浮轴承的永磁转子通常采用多片磁体叠层结构，这是为了尽可能获得有效磁场分量和大梯度分布。永磁体层间距 d(=s+b)（见图2a）的设计值需考虑到永磁体到超导体表面的距离 g（见图2a），两者之间存在一定比例关系。永磁体之间的铁磁介质主要用于提高表面磁场强度和空间磁场不均匀性。

图4 场冷（FC）过程中磁通线分布示意Fig.4 Schematic illustration of flux distribution in field-cooled(FC) process

目前常见的超导磁悬浮轴承定子材料大都采用熔融织构定向凝固工艺生长的准单畴高温超导块状材，其主要化学组分表示为 ReBa2Cu3O7-x+Re2BaCuO5，其中Re＝Gd、Y。本文使用课题组自主研发的27mm×30mm瓦状型，以及对边距52mm的平面正六边形熔融织构YBCO准单畴块材，超导单畴块材的最大零场冷磁悬浮力≥12 N/cm2（0.5T，77K），图5中给出了瓦状形和平面六边形超导块材形貌及其零场冷（ZFC）和场冷（FC）条件下的磁悬浮力测试结果。从测量结果看，在 0.5T和 77K场冷（FC）条件下磁约束刚度约为25N/mm/块，折合成每平方厘米面积超导材料可以提供约为3.5N/mm支撑刚度。尽管这一数据显示的支撑刚度相比主动电磁磁悬浮支撑技术及其他机械轴承支撑刚度要低许多，但对于超导/永磁相互作用系统来说可以通过增加作用面积来提高总磁悬浮力，也可以通过提高外场和降低超导材料温度来增强支撑刚度。

图5 熔融织构YBCO单畴块材及其磁悬浮力结果Fig.5 Photographs of melt textured YBCO single domains and results of their magnetic levitation force

3 轴承驱动与运行结果

3.1 驱动电机

考虑到超导/永磁支撑系统的支撑刚度较低，转子转轴与定子之间必须留有充分间距，以防止运行中两者发生机械接触。为此，通常的市售电机无法直接用于超导/永磁磁悬浮轴承系统，必须进行改装后才能使用。本文采用了市售三相感应电机，型号：GSB—0.5—18A12，其主要参数如下：额定电压为220V，额定功率为0.5kW，基准频率为300Hz，同步转速为18 000r/min，最高转速为18 000r/min，额定电流为2.16A，额定转矩为0.265N·m。并对其的转子部件进行了改装，重新调整了转子与定子间隙。改装后的电机实际有效驱动功率小于原标称功率，配合通用型变频器（VEICH 型号：AC60—S2—2R2G，输出功率为 2.2kW，频率控制范围为 0～400Hz），共同组成调频驱动系统（实验证明所选电机功率严重不足）。重量为 24.5kg的转子系统转动惯量约为0.12kg·m2，当加速至15 000r/min时因惯性负荷过大而导致电机发热烧毁。因此，本文仅介绍极限转速为12 000r/min以下的运行结果。

3.2 转子径向摆动

根据转子动力学理论，在临界转速附近转轴中部的弯曲度最大。为了简化系统结构，在设计加工过程中仅采用了相互垂直安装的一对涡流传感器用于检测飞轮径向振动情况。图6a～6e给出了几个实时测量结果，图6f给出了转子系统的振动幅频特性。

从实测结果可以发现，转子系统的共振模态出现在 1 500r/min（25Hz）附近，此时径向摆动约为±150μm。随着转速提高，振幅随转动频率呈周期性变化，在35Hz、120Hz附近呈极小值，在80Hz、195Hz附近呈极大值，径向振动幅度维持在±25～±50μm范围。实验结果显示，该转子系统在超临界转速区运行状态稳定，并未观察到系统自激振动现象。另外，转子共振频率在25Hz附近意味着超导/永磁磁悬浮支撑系统具有低刚度约束特征，这些结果与波音公司研究小组给出的数据基本一致[4]。

图6 径向摆动测量结果Fig.6 Measuring results of radial vibration

3.3 转动损失

从实际应用角度来看，尤其在飞轮储能领域，超导磁悬浮轴承的转动损耗特性极为重要。基于超导块材的磁悬浮轴承转动损耗主要来自于两方面；磁滞损耗和涡流损耗。两种损耗产生的物理机制不同；这里的磁滞损耗主要是指发生在高温超导体内特有的一种损耗行为，它是由超导体内的磁通涡旋线在一定温度下和一定外磁场下产生的定向运动所致[14]。这一类损耗对转速不敏感，而涡流损耗发生在转子系统、源于磁场不均匀诱发的焦耳损耗、随转速线性增加。图7给出了本轴承系统在超临界转速区域的转动损失测量曲线；曲线对纵轴的截距对应于系统的磁滞损耗、线性递增部分对应于转子系统的焦耳损耗。

图7 转动损失测量结果Fig.7 Measuring results of rotational loss

从实验测量结果来看，本轴承系统的转动损失与国际先进水平（美国波音公司小组和德国ATZ公司）之间还存在较大差距。上述两家研究小组都曾对超导磁悬浮轴承的转动损耗进行过深入研究，发现转子磁场分布的不均匀性是造成转动损耗的主要原因之一[15,16]。德国ATZ研究组的实验结果显示，当永磁转子的磁场分布相对不均匀度从 0.5%增加至2%时，转子的转动损失增加了近300%，进一步增加至 5%时，转动损耗继续以相同倍率增加[16]。为此，对轴向约束磁性转子的磁场分布进行了二维扫描检测，结果显示磁场相对不均匀度在 5%左右（见图8）。据此推测，本系统永磁转子的磁场不均匀性可能是造成转动损耗较大的主要原因。除了磁场分布特性对转动损耗会产生影响之外，温度因素也会对损耗产生影响。第二类非理想氧化物高温超导体临界温度Tc较高，体内被钉扎的磁通线容易受到温度影响而被热激发，从而形成磁流阻。随着温度降低，磁通线热激发几率下降，磁流阻引起的能量损失也随之减少。因此，对于超导/永磁磁悬浮轴承系统来说，工作温度越低、其工作特性就越好，国外相关研究小组的实验结果已经证实了这一点。

图8 轴向约束永磁体磁场分布Fig.8 Field distribution of axial constraint permanent magnet

4 结论

实际运行结果显示，基于熔融织构YBCO超导单畴块材的超导/永磁磁悬浮支撑结构用于超导磁悬浮轴承具有如下特点：

（1）由于超导/永磁相互作用呈低刚度约束特征，转子共振频率在 25Hz附近、且径向振动幅度在±170μm。

（2）在超临界运行状态下（35～200Hz）转子系统运行状态稳定，最大径向摆动限于±50μm范围。

（3）永磁转子的磁场均匀度和超导材料的磁通钉扎性能等是影响超导磁悬浮轴承转动能量损失程度的主要因素。

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