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飛輪系統之徑向磁浮軸承設計概述

摘要"

飛輪系統與一般的儲能系統相比具有高能量密度、高使用壽命、充放電快速、不受放電深度影響,同時也不易造成環境汙染,可視為一種綠色能源。然而傳統的飛輪系統受到相關技術的限制,鮮少有相關產品;近年隨著技術上的突破,磁浮軸承的發展也逐漸成熟,其可大幅改善傳統的飛輪系統速度限制,實現真正的零磨耗,進而提升能量密度,因此也越來越多內含磁浮軸承的高速飛輪系統逐漸問世[1]。磁浮軸承系統是藉由電磁力使轉子進行磁懸浮,於磁浮軸承操作過程中,馬達的轉子與定子不會觸碰,因此具有零摩擦力、無須潤滑液與無須維護等特點,適合應用於高轉速以及無法頻繁維護的機構上。本文將著重於飛輪系統的關鍵零組件之一,徑向磁浮軸承進行設計概述說明。

關鍵詞:飛輪系統、磁浮軸承、磁浮軸承設計

飛輪系統與磁浮軸承

飛輪系統之關鍵零組件包含:主動式磁浮軸承系統、高速馬達系統、飛輪結構、儲能裝置。磁浮軸承系統主要用於減少摩擦力造成的能量損耗。此外高速飛輪系統內部通常採用密閉式的真空設計,其可確保馬達於高轉速運作之下,不會因空氣阻力而降低工作效率。相關研究理論得知,高速飛輪系統搭配磁浮軸承並操作於真空環境下,其最高儲能效率可達90%以上。
飛輪系統主要工作原理為:當系統進行儲能時,由高速馬達帶動飛輪結構旋轉儲存動能;當有電力需求時,則由飛輪結構帶動高速馬達轉換為發電機模式,將動能轉為電能提供使用。搭配磁浮軸承的高速飛輪系統,其能量密度相較於低速飛輪系統而言高,且有更強的瞬間供電能力以及更長的儲電時間,因此磁浮軸承搭配飛輪系統的應用為未來的發展重點。
然而磁浮高速飛輪系統與傳統飛輪系統相比,磁浮高速飛輪系統需要更精密的技術結構,其關鍵技術包含:高承載力之全磁浮軸承系統、高轉速下之磁浮系統動態控制、高轉速電機與驅動系統、高強度飛輪製作與高效率能量轉換電路等。圖1為飛輪電池結構示意圖[2]。

主動式磁浮軸承系統

主動式磁浮軸承系統是一種高性能軸承,是一種藉由磁場懸浮力使轉子進行懸浮的運作模式。相較於傳統的滾珠軸承、滑動軸承與油膜軸承,磁浮軸承不存在機械接觸,因此轉子可以達到很高的運轉速度,具有機械磨耗小、能耗低、噪音小、壽命長、無須潤滑液等優點,特別適用於高轉速以及無法頻繁維護的環境[3]。
磁浮軸承根據其控制方式、磁能來源、結構形式可進行區分。此外還可以按磁場類型劃分為永久型、電磁鐵型和永久磁鐵加上電磁鐵混合型。也可依照軸承懸浮力類型劃分為吸力型和斥力型[3]。本文所介紹的為電磁鐵型式的磁浮軸承系統。
磁浮軸承的開迴路架構為一個不穩定的系統,主要為磁浮軸承的特性含有負剛性。為了使磁浮軸承系統達到穩定控制,必須加入控制器進行設計,使其成為一個閉迴路穩定的控制架構[4]。閉迴路的磁浮軸承控制架構如圖2所示。磁浮系統整體架構包含軸承定子、軸承轉子、位置感測器、磁浮控制器與功率放大器。軸承定子包含線圈,其工作原理為電磁鐵概念,藉由電磁鐵產生的磁場懸浮力使磁浮軸承轉子進行磁懸浮,而於軸承電磁鐵安裝一個或多個位置感測器,用以量測轉子與軸承定子間的氣隙位移,並藉由感測器的量測訊號將其回授至磁浮軸承控制器計算獲得相關的控制力,進而透過功率放大器產生可校正轉子位移量的控制電流,使得定子之電磁鐵產生磁浮力讓轉子維持穩定性且達到理想的精度。此外磁浮軸承系統的剛性、阻尼及穩定度,皆是由所設計的磁浮軸承與磁浮控制器決定[5]。
   
徑向磁浮軸承設計

磁浮軸承由5個自由度所構成,5個自由度包含軸向磁浮軸承與徑向磁浮軸承:通常軸向磁浮軸承為1個自由度;徑向磁浮軸承為4個自由度。其可定義為:軸向磁浮軸承控制Z方向;徑向磁浮軸承控制X、Y與X’、Y’方向。一般而言,徑向磁浮軸承主要裝置於高速馬達的前、後兩端,因此X、Y與X’、Y’分別由兩組徑向磁浮軸承進行搭配控制;軸向磁浮軸承則可選擇裝置於前、中、後的其中一端。
本文將針對單一徑向磁浮軸承的初步設計概述說明,通常設計徑向磁浮軸承會先考慮空間限制與所需出力,以達到高速馬達運作時的穩定需求,同時也需一併考量磁浮軸承的矽鋼片磁飽和、線圈允許繞線空間、電磁線圈的散熱能力、磁浮軸承可安置空間等種種限制條件[4]。圖3為徑向磁浮軸承結構示意圖。
磁浮軸承結構的設計與分析,詳細內容可參考”磁力軸承的基礎理論與應用”,設計方式包含磁浮力方程式、佔槽率、電流密度與體積大小等,如圖4所示。磁浮軸承的設計方法大致上可分為兩種:一種為出力大小決定磁浮軸承體積;一種為體積大小決定出力[8]。
接著決定磁浮軸承的極數,圖5為磁浮軸承極數與磁浮乘載力解析。當磁浮軸承的結構參數不變的狀態下,最大的磁浮出力會與極數成反比,極數越少磁浮軸承的乘載力越大。然而徑向磁浮軸承包含X與Y兩個自由度,以差分繞線的型式驅動的話,至少需要4極,因此4極的磁浮軸承的乘載力為最大。然而4極的結構中,X與Y這兩個自由度之間的磁場迴路存在著極大的磁場耦合效應,容易導致控制系統的設計困難。若選擇8極結構則可以減少磁場耦合效應,8極的結構中每兩個磁極構成一個迴路,且不與鄰近的磁極間構成耦合,故採用8極結構的設計方式下,磁浮軸承的乘載力和磁場耦合的綜合考量為最佳的選擇[8]。

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