飞轮储能系统用超导电磁混合磁悬浮轴承设计
中国科学院电工研究所、中国科学院大学、中国科学院应用超导重点实验室、西安西电电气研究院有限责任公司的研究人员李万杰、张国民、王新文、邱清泉，在2020年《电工技术学报》增刊1上撰文，提出一种将径向超导磁轴承和轴向电磁轴承集成于一体的混合磁悬浮轴承结构设计，用于超导飞轮储能系统中支撑飞轮转子。
测量结果表明，利用超导轴承的自稳定性可减小混合轴承悬浮力合力随气隙增大而减小的速率，降低电磁轴承控制器的响应速率，将液氮作为冷却介质可有效解决电磁轴承线圈的发热问题，集成结构设计可提高磁悬浮轴承的悬浮力体积比，验证了其有效性。
磁悬浮轴承具有无摩擦、无需润滑、噪声小、寿命长等优点，在学术界和工业界倍受关注。电磁轴承作为一种有源磁悬浮轴承，可通过控制系统调节其推力刚度、阻尼，对转子振动进行主动抑制及不平衡补偿，有利于提高转子的动态稳定性，被广泛应用于高速电机、飞轮储能等发电及电能转换领域，真正实现高速高效。
然而电磁轴承工作时需要位置传感器实时监测转子系统偏离平衡的位移并通过控制器调整线圈电流以控制推力大小。这对传感器的分辨率及控制器的响应速率提出严格要求，且转速越高要求越高，相应的设计成本也越高。此外，电磁轴承在工作过程中会产生热损耗和涡流损耗，将引起部件温升进而影响电磁轴承的工作性能，在飞轮储能系统真空运行环境下该问题更为突出。
超导磁悬浮轴承（Superconducting Magnetic Bearing, SMB）具有无源自稳定性、无需控制、结构简单、可靠性高、摩擦系数较电磁轴承小等优点，近年来成为国内外学者广泛研究的热点。国外有美国、德国、日本、韩国等研究机构，研究主要集中于太空飞船姿态调整、磁悬浮列车、高速轴承、飞轮储能等应用方面。国内有中科院电工所从事超导飞轮储能系统研究，西南交大从事磁悬浮轨道列车研究。
然而，超导材料由于价格昂贵造成超导磁悬浮轴承成本过高。超导磁轴承悬浮力、刚度与永磁或电磁轴承相比较低，难以实现支撑较大飞轮载荷，需要与电磁轴承、永磁轴承配合使用。此外，超导磁轴承悬浮力具有弛豫，将影响转子系统的动态稳定性。
中国科学院电工研究所、中国科学院大学等单位的研究人员，在原有超导径向磁轴承结构的基础上提出了一种将其和轴向电磁轴承（Active Electromagnetic Bearing, AMB）集成于一体的混合磁悬浮轴承（Hybrid Magnetic Bearing, HMB）结构，应用于基于磁驱动的高温超导飞轮储能样机系统。
图1 径向超导磁轴承
图2 超导电磁混合轴承结构
在已知电磁轴承定子内环内径、外环外径的条件下利用有限元分析软件对结构参数进行了优化设计，分析了二者之间关键性能参数的相互影响。试制了原理样机，通过悬浮力测量实验并分析验证了可行性。
图3 混合轴承样机及悬浮力测量装置
研究结果表明：
1）与原径向超导轴承相比，混合轴承增大了悬浮力及其刚度，提高了悬浮力体积比。
2）利用液氮作为冷却介质可有效解决电磁轴承线圈的发热问题，尤其适用于飞轮储能真空应用环境。
3）超导轴承具有的自稳定性有助于降低电磁轴承控制器的响应速率，混合轴承能够实现对飞轮转子的稳定悬浮。下一步将尝试采用超导线圈代替传统铜线圈的全超导混合轴承设计。