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25 kWh/100 kW储能飞轮轴向磁轴承设计与分析

更新时间:2009-03-28

储能飞轮系统依靠其转子高速旋转进行能量储存,其支承系统性能良好与否是飞轮系统高速、稳定状态下正常工作的关键因素之一。机械轴承因旋转损耗及发热过大,很难满足其高速重载、摩擦损耗低、高可靠性及长寿命等要求[1-3]。适用于高速和超高速工况的空气轴承,因支承刚度低,亦不适合要求承载能力高的飞轮系统。随后出现了无源、无机械磨损、高转速、长寿命等特点超导磁悬浮轴承,但需低温液氮来维持其超导特性,且结构复杂及成本昂贵,因此得不到很好的应用[4]

本实验对蓖麻PIP5K基因家族的生物信息学分析及荧光定量PCR及对应的蛋白进行了整理,并进行了生物信息学的预测和分析,以及对蓖麻PIP5K的荧光定量PCR数据统计,结果表明PIP5Ks在蓖麻中对花序轴性状可能有一定的影响,PIP5K在花序轴上的差异含量与花序发育具有一定的规律性,PIP5K参与开花,这似乎是压力诱导。对蓖麻PIP5K基因家族的生物信息学分析可为后期PIP5K基因家族及PIP5K蛋白氨基酸的序列、结构、功能域,蛋白质空间结构、性质及PIP5K在植物中的相对表达等方面提供一定的理论依据,但是PIP5K基因家族6个基因如何参与花序轴发育,相关调控机制尚不清楚,有待进一步验证。

随着稀土工业和控制技术的发展,具有大承载能力、适用于飞轮系统的无机械接触磁轴承的研究和应用受到越来越多关注。采用反馈控制技术,可精密定位磁轴承径向及轴向的位移,极大提高飞轮系统的稳定性和可操控性[5]

现有磁轴承中的永磁环横截面一般是矩形结构,但该结构将对磁力造成一定的阻碍,造成系统功耗高、承载能力小。针对上述不足,设计一永磁环横截面为梯形、功耗低、承载大的轴向混合磁轴承[6-7]。该轴承采用永磁偏置+电磁控制,永磁、电磁共享磁路,且电磁磁路几乎不通过永磁体,在实现大承载的同时还降低了电磁线圈的控制损耗,提高整个磁轴承的效率,且结构简单,便于加工、装配。

1 轴向混合磁轴承结构设计

1.1 轴向混合磁轴承结构

设计一25 kWh/100 kW大型储能飞轮系统的大承载永磁混合磁轴承结构,包括磁轴承定子与转子。其定子由定子腔、电磁绕组线圈、树脂、永磁环和导磁环构成;电磁绕组线圈由树脂内侧包围,永磁环采用轴向充磁内嵌于定子腔中,在系统平衡时,磁轴承定子与转子之间形成2.5 mm的轴向气隙。轴向混合磁轴承横截面结构示意图如图1所示。

1.2 轴向磁轴承中永磁环梯形截面斜面倾角设计

  

1-定子腔;2-电磁绕组线圈;3-树脂;4-永磁环;5-导磁环;6-磁轴承定子;7-轴向气隙;8-转子。图1 磁轴承横截面示意图

为了减小磁悬浮轴承的体积和控制难度,磁悬浮轴承定子采用永磁环与电励磁混合结构,电励磁磁路与永磁磁路共有相同的磁路[8-9]。对于永磁磁路来说,加入电励磁部分,对其单独作用影响很小;但当电励磁磁路单独作用时,会导致气缝隙过大(永磁环厚度较大),需要较大的励磁电流,导致功耗非常大。因此需设计特殊结构的定子,减少电励磁磁路的气隙,但同时对永磁磁路不能有较大影响[10]。经过多次反复设计,最终采用梯形永磁环结构形式,设梯形的腰与垂直方向的夹角为α

图5、图6分别为永磁环单独作用使飞轮系统处于平衡位置时,两种结构的气隙磁密波形图。

 

1 不同工作条件下各倾角所对应的磁密

  

倾斜角度/°磁密/T永磁体单独作用永磁与电磁共同作用磁密差/T50.78180.78240.0006100.66800.66870.0007150.63170.63250.0008200.59260.59340.0008250.56280.56350.0007

  

图2 随倾斜角度变化的相对磁密趋势

从表1、图2可知,磁密随倾角α的增加而减小;但相对磁密从5°到15°是相对增加的,从15°到20°是持平状态,从20°到25°相对减小。考虑永磁体加自身的工艺及初设磁密、最终磁密等因素,选取倾角α为20°为宜。

营改增目前实施刚刚两年多,相关政策文件还处于运行试验阶段,很多规定还非常笼统,不够具体明确。例如:财会[2016]22号文件仅规定差额计税应抵减的销项税额计入成本费用类科目,并未提及费用类科目。但在融资租赁及融资性售后回租业务中,发生的利息支出计入财务费用,在冲减应纳税额时应该对冲财务费用科目。建议有关部门尽快对相关政策文件进行梳理,对不完整、不完善之处尽快修订。

若需产生相同的电磁力,两种结构需要的电流将会相差很大。图9为系统在平衡位置时,矩形槽定子结构产生的电磁力随电流变化的曲线。

  

图3 磁轴承磁力线分布图

由图3可知永磁环两端磁阻较小、磁密较高;电磁磁路形成回路但几乎不通过永磁环本身;在同等控制力作用下,与矩形截面永磁环的磁轴承相比,其控制线圈电流小、线圈损耗和发热小、效率高、承载力大,且当采用永磁偏置和电磁控制配合使用时,永磁、电磁共享磁路,能同时满足飞轮系统的轴向卸载及振动调节等要求。

2 两种永磁环的磁轴承性能对比分析

永磁环横截面为梯形和矩形的两种磁轴承横截面如图4所示。

  

(a)梯形截面永磁环的磁轴承 (b)矩形截面永磁环的磁轴承图4 永磁环横截面为梯形和矩形的磁轴承截面

进一步研究永磁体梯形截面的斜面倾角α的取值,找出规律,寻求最优值,可得到效果更佳的磁轴承结构。假设通以10 A电流,分别取α为5°、10°、15°、20°、25°进行分析,磁密和相对磁密变化趋势见表1、图2。图2中磁密差为永磁单独作用与永磁和电磁共同作用的磁密差。

库区入渗除查找出逸点是重要工作之外,逆向验证水流通道寻找入渗点不容忽视。本项目试验再次证明,绕坝渗流监测布置应包含全部坝体与岩体衔接的部分,此举对于判定坝肩水体来源意义重大。

当通以10 A的电流,电励磁部分单独作用使飞轮系统处于平衡位置时,两种结构的气隙磁密波形如图7、图8所示。

其中,对于j类公共服务,jt为全国人均水平。如该数值大于1,则说明该地区的基本公共服务水平在全国之上,越大则水平越高。该指标不仅表示公共服务水平与全国水平的差异,也强调该地区的基本公共服务水平是否能够达到相对的全国“均等化”水平。

  

图5 定子梯形槽气隙磁密波形(永磁环单独作用)

  

图6 定子矩形槽气隙磁密波形(永磁环单独作用)

电磁力与气隙磁密的平方成正比,永磁环单独作用使系统处于平衡位置时,计算得到两种结构所需电磁力分别约为12200 N及20881 N。

由图7、图8可知,两波形变化趋势基本相同,平均气隙磁密分别约为0.159 T及0.086 T,这是由于梯形槽永磁环两侧削角部分磁阻减小,相同的激磁电流产生的磁密增加所导致。

唯一可以安慰的是,并非所有濒危物种都前景黯淡。一些繁殖周期短、种群还足够大的濒危生物,如果栖息地得到及时保护,有效杜绝过度捕杀,它们还有机会快速恢复。否则,北白犀的悲剧将不断重演。显然,这个故事不应仅仅作为一个悲剧而被记住。

由图5、图6可知,两波形变化趋势基本相同,平均气隙磁密分别约为0.5865 T及0.7584 T。这是由于梯形槽永磁环两侧削角后,表面积减小,两侧漏磁增加所导致的。

  

图7 定子梯形槽气隙磁密波形(电励磁单独作用)

  

图8 定子矩形槽气隙磁密波形(电励磁单独作用)

综上可知,采用梯形槽结构,永磁环产生的气隙磁密降低、电磁力下降,将导致系统整体性能下降约40%左右,生产成本增加,但是对效率影响不大。

当电励磁部分单独作用使系统处于平衡位置时,计算两种结构所需电磁力,分别约为1277 N及461 N。

图3为采用“梯形”横截面永磁环的磁轴承磁力线分布图。

  

图9 电磁力电流曲线(矩形槽)

定子梯形槽结构通过10 A电流时,产生的电磁力约为1277 N。由图9可以看出,定子矩形槽结构通过电流16.5 A时,产生的电磁约为1268 N。可见,在同等工况下产生相同的电磁力,定子梯形槽结构需要的电流约为定子矩形槽的0.606倍,产生的热约为定子矩形槽的 0.37倍。

 

2 定子梯形槽结构与定子矩形槽结构主要性能对比

  

截面结构矩形梯形比例气隙磁密0.7584T0.5865T1∶0.773电磁力(永磁体单独作用)20881N12200N1∶0.58电磁力(10A电流作用)461N1277N1∶2.77电流16.5A10A1∶0.606热量272.5W100W1∶0.37

注:电流和热量均为产生1200 N左右电磁力的值。

由表2两种结构磁轴承的性能对比可知,梯形截面结构需要的永磁体用量大于矩形槽结构,但是若需产生相同的力,需要的电流小于矩形槽结构,产生的热量约为方形槽结构的三分之一。因此梯形槽结构非常适合于飞轮储能系统这类效率要求高、散热条件差的场合。

3 结论

(1)为25 kWh/100 kW大型储能飞轮磁轴承进行结构设计,用横截面为梯形的永磁环取代传统的矩形结构。对永磁环取不同倾角时,分析其磁密和相对磁密变化趋势,最终选取该倾角为20°。

不同地区生长的仙草,其仙草胶含量和凝胶性能有差异[7]。冯涛等[7]对生长在福建、江西两省的仙草提取的仙草胶的比较研究发现,福建产仙草胶的凝胶性能较好。仙草多糖是仙草胶的主要化学成分。仙草不同部位的仙草多糖含量不同,其中仙草叶的多糖最高,仙草根其次,而仙草茎的多糖含量最低[8]。仙草多糖具有清除自由基、抗脂质过氧化、增强人体免疫力等功效[9,10]。与生育酚(维生素E)、二丁基羟基甲苯(BHT)相比,仙草多糖有较强的清除超氧阴离子自由基和螯合Fe2+能力[10]。

(2)对两种截面永磁环的磁轴承性能对比分析可知,梯形截面结构的磁轴承的永磁体用量多于矩形槽结构,但产生相同的力,需要的电流小于矩形槽结构,产生的热量约为矩形槽结构的三分之一。因此该结构的磁轴承非常适合于诸如飞轮储能系统这类在真空状态下运行的场合。

参考文献

[1]朱熀秋,汤延祺.飞轮储能关键技术及应用发展趋势[J].机械设计与制造, 2017(1):265-268.

[2]张秀华,李光喜,王琬.高速储能飞轮转子的分析与设计[J].煤矿机械,2012,33(6):57-59.

[3]张秀华. 大型储能飞轮支承结构及动力学研究[D].贵阳:贵州大学,2014.

[4]虞烈. 可控磁悬浮转子系统[M]. 北京:科学出版社,2003.

[5]TANG Jiqiang, SUN Jinji, FANG Jiancheng. Low eddy loss axial hybrid magnetic bearing with gimballing control ability for momentum flywheel [J]. Journal of Magnetism and magnetic materials, 2013(329):153-164.

[6]李光喜.大容量高储能飞轮系统设计分析与研究[D].贵阳:贵州大学,2013.

[7]刘 强,房建成,武登云. 磁悬浮飞轮转子优化设计与实验[J].机械设计与制造,2015(2):111-114.

[8]孙津济. 磁悬浮飞轮用新型永磁偏置主动磁轴承结构与设计方法研究[D].北京:北京航空航天大学:2010,6.

[9]MCMULLEN P T, HUYNH C S, HAYES R J. Combination radial-axial magnetic bearing[C]//Proc 7th Int Symp Magnetic bearings, Switzerland: ETH Zurich, 2000:473-478.

[10]李俊龙. 储能飞轮混合支撑系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

 
张秀华,白强,姚宏,苏亚峰,溥江
《贵州大学学报(自然科学版)》2018年第02期文献

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