２电工技术学报２００９年９月
室Ｈｕｌｌ小组ｆ２１做了大量全面系统的基础研究工作，涉及高温超导体．永磁体相互作用力、力弛豫、力漂移、低温特性、振动特性、磁刚度、阻尼、动态稳定性、磁阻力、旋转损耗、长期运行性能、高温超导体和永磁体材料及几何结构优化、轴承设计等。在大力的研究投入下，１９９０年便有了转速１２００００ｒ／ｍｉｎ的样机报道，两年后更是创造了５２００００ｒ／ｒａｉｎ的最高记录【３】。伴随着高温超导体（％。≈３．７Ｔ＠７７Ｋ）和永磁体材料（Ｎ５２）方面取得的进展，高温超导磁悬浮轴承技术已经变得日益成熟，２１世纪开始进入了全尺寸样机的研制和竞争阶段。目前美国、德国、日本和韩国均研制出面向不同应用背景的全尺寸样机，２００６年４月，德国Ｎｅｘａｎｓ超导体公司联合西门子公司宣布开发出第一个工业应用的ＳＭＢ，并应用到了４ＭＶＡ的超导发电机中【４】。
无摩擦高速ＳＭＢ的出现必将对机械工ｑｋ产生深远的影响，也将为现有机器设备性能的提高以及升级换代提供新的途径。随着ＳＭＢ商业化应用的不断扩大，这项技术将带来巨大经济效益。
２ＳＭＢ原理及特点
２．１ＳＭＢ原理
高温超导磁悬浮技术最典型的演示就是一块永磁体可以稳定地悬浮或者悬挂在对应的高温超导块材的上方或者下方，并且施加给永磁体一个初始的转矩后，它就会围绕和块材相互作用力的对称轴旋转起来，其基本原理是高温超导体和永磁体电磁相互作用的轴对称模型。液氮温度下，块材进入超导混合态后，由于钉扎中心的存在磁通线被其阻滞运动，即被超导体俘获，当超导体俘获了足够的磁通时，便使转子自由悬浮在某一位置上；同时块材特有的磁通钉扎能力阻止俘获磁通运动，保证侧向稳定性，从而实现了转子稳定的悬浮。
一个完整的ＳＭＢ样机主要包括定子、转子和低温装置三部分。由于高温超导体材料需要冷却，一般由高温超导体作定子，永磁体作转子，按照两者相互作用力的方向，又分为轴向和径向两种类型。轴向型ＳＭＢ中高温超导体定子和永磁体转子之间的悬浮力指向转轴方向并与之平行（如图１所示），其特点是结构简单、制作容易，尤以美国波音公司研制的轴向型ＳＭＢ样机性能最好且最具代表性；而径向型ＳＭＢ中高温超导体定子和永磁体转子之间的悬浮力指向转子半径方向，与转轴方向垂直，其特点是结构紧凑、负载灵活，不改变主轴大小即可以通过沿轴向增加定子中高温超导块材的数量来提高承载能力和悬浮刚度，容易实现大承载能力和强刚度１５１。研究结果表明径向型ＳＭＢ更贴近实际大尺寸应用，目前这种观点已被日本、德国和韩国小组接受并证实，第一个工业应用的ＳＭＢ也是径向型ＳＭＢ的代表。
图１稳定地悬浮在高温超导块材上方的永磁体
Ｆｉｇ．１Ｐｈｏｔｏｏｆａｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｔａｂｌｙｌｅｖｉｔａｔｅｄｏｖｅｒａｂｕｌｋｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
从轴承的广义定义来讲，高温超导磁悬浮车【６１也属于线性ＳＭＢ的范畴，且属于轴向型线性ＳＭＢ。本文中主要针对的是旋转式应用的ＳＭＢ。
２．２ＳＭＢ特点
基于岛温超导体材料的磁通钉扎特性，ＳＭＢ展现出许多优点：
（１）无源白稳定悬浮，无需额外控制环节。
（２）转速高，已实现５２００００ｒ／ｍｉｎ实验速度。
（３）损耗小，摩擦系数仅１０—１，比机械轴承（１０－３）和常导（电磁）磁悬浮轴承（１０－４）的摩擦系数低几个数量级Ｉ３１。
与现有的机械轴承和主动磁轴承相比，ＳＭＢ优越性主要体现在以上三点，见表１所示。除此以外，ＳＭＢ还具有磁悬浮技术带来的无噪声、无磨损、寿命长、无润滑、维护少和绿色环保等优点。
表ｌ机械轴承、主动磁轴承和ＳＭＢ性能比较
Ｔａｂ．１Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅａｒｉｎｇ，
ａｃｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇａｎｄ
ＳＭＢ
第２４卷第９期邓自刚等高温超导磁悬浮轴承研发现状３
３ＳＭＢ全尺寸样机研发现状
考虑到无源、高速和损耗小等杰出优点以及巨大的发展潜力，ＳＭＢ在美国、欧洲和日本等国都有近２０年的研究历史，并越来越趋于大规模商业应用的边缘，其他国家如韩国等在这方面的投资力度也在逐步增强。以下内容给出目前国际上极具代表性的ＳＭＢ全尺寸样机的研发现状。
３．１美国Ｂｏｅｉｎｇ公司【７１
源于对高品质电力电源的迫切需要，１９９７年开始，美国波音公司和Ａｒｇｏｎｎｅ国家实验室合作开发商用高温超导飞轮储能系统，其研制的轴向型ＳＭＢ主要用于提供飞轮主体的径向稳定。在Ａｒｇｏｎｎｅ实验室前期十几年的研究基础上，该样机无疑是迄今性能最好和最具代表性的轴向型ＳＭＢ样机代表，结构如图２所示。
（ａ）商温超导体定子（ｂ）永磁体转子
图２波音公司轴向型ＳＭＢ结构【７】
Ｆｉｇ．２Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆａｘｉａｌ
ＳＭＢｉｎＢｏｅｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ【７】超导体定子和永磁体转子外形均为平板状，ＳＭＢ定子为由正六边形单畴熔融织构ＹＢＣｏ块材（边长３６ｒａｍ，厚度４．５ｒａｍ）拼接而成的空心圆盘，直径约２２０ｍｍ：转子由３个不同半径的同心永磁环（径向充磁、多个圆弧段拼接）组成，为提高磁场的梯度，环与环之间为聚磁铁环，形成３个聚磁极，重量９ｋｇ。超导体定子采用液氮配合Ｇ—Ｍ制冷机的闭环冷却系统提供低温环境，可实现温度６５～７７Ｋ。样机应用时轴向间距设计为３．２ｒａｍ，液氮温度下，轴向刚度为１４４Ｎ／ｍｍ，径向刚度为６９Ｎ／ｍｍ，近似满足２：１的关系。除此以外该样机进行了大量高速运行测试，达到了０．１％／１１的低损耗指标（包括制冷在内的损耗），因此对于追求高效率的飞轮储能系统，ＳＭＢ具有巨大的吸引力。目前该ＳＭＢ已用于５ｋＷｈ／１００ｋＷ级别不问断电源（ＵＰＳ）用途的飞轮储能样机的开发测试中，速度达２２５００ｒ／ｍｉｎ，同时基于此ＳＭＢ样机的１０ｋＷｈ飞轮转子也正在制作中。下一步ＳＭＢ的优化方案是，一方面选用高磁能积的Ｎ５２钕铁硼永磁转子替换现有转子，同时拟采用
制冷机提供更低温度的低温环境，通过降低温度来进一步提高ＳＭＢ的性能，采用制冷机后可省掉液氮冷却设备，预计轴承损耗将降到０．０５％／ｈ。
３．２德国Ｎｅｘａｎｓ超导体公司１４１
德国Ｎｅｘａｎｓ超导体公司和德国不伦瑞克大学合作研制了直径约３００ｍｍ的径向型ＳＭＢ，并于２００６年４月成功应用到西门子公司４ＭＶＡ的发电机上，实现了第一个工业应用的ＳＭＢ，如图３所示。
（ａ）商温超导体定子（ｂ）永磁体转子
图３Ｎｅｘａｎｓ超导体公司径向型ＳＭＢ结构ｆ４１
Ｆｉｇ．３ＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｉａｌＳＭＢｉｎＮｅｘａｎｓ
ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓＧｍｂＨ［４Ｊ
样机按照高温超导体定子在外，永磁体转子在内的结构设计，简称为外定子内转子结构。定子和转子外形均为圆柱形结构，其中定子为空心圆柱结构以便装入永磁体转子，两者工作气隙仅ｌｍｍ。定子一共由２７０块，尺寸为３５ｍｍ×３５ｍｍ×ｌＯｍｍ的单畴顶端籽晶熔融织构法制备的正方形高温超导ＹＢＣＯ块材经过打磨加工之后拼接而成，形成９层叠加的超导体圆环，内腔尺寸为谚３２５ｍｍ×３０５ｍｍ。与定子匹配的转子则由１９个奶１９ｒａｍ的永磁环（轴向充磁）层叠而成，层与层之间为聚磁铁环，最终形成２０个磁极。该ＳＭＢ设计为水平摆放，采用制冷机进行冷却，并提出了一种新的带有偏移的运行场冷方法（专利技术），使其在工作温度为２８Ｋ及转轴处于中心无偏移时，径向承载能力达５０００Ｎ，对应悬浮刚度５．１ｋＮ／ｍｍ。最终应用到４ＭＶＡ的发电机上时，工作温度为６３Ｋ，径向载重６９０ｋｇ，运行速度３６００ｆｆｒａｉｎ。
３．３德国ＡＴＺ公司博１
德国ＡＴＺ公司从１９９２年成立起就一直致力于ＳＭＢ的应用研发，前期研制出了包括用于激光光束偏转扫描、离心机等在内的多台ＳＭＢ样机，并实现了１８００００ｒ／ｍｉｎ的ＳＭＢ高速旋转。其２００６年公布的最具代表性的径向ＳＭＢ样机源于德国联邦教育与研究部授予的１４０万美元的资助。研制的径向ＳＭＢ外形也是内转子外定子的结构。样机总重量
５５ｋｇ，其中ＹＢＣＯ块材重５ｋｇ，轴承直径约２００ｍｍ，
４电工技术学报２００９年９月高度１２０ｍｍ，样机如图４所示。
（ａ）样机照片（ｂ）原理不惹图
图４ＡＴＺ公司径向型ＳＭＢ【ｓｌ
Ｆｉｇ．４Ｒａｄｉａｌ
ＳＭＢｉｎＡＴＺＧｍｂＨＩＳ］
ＳＭＢ整体仍为外定子内转子的结构。定予共用了５５块方形的尺寸为６５ｍｍ×３５ｍｍ×１３ｍｍ多籽晶熔融织构ＹＢＣＯ块材拼接成环，再经打磨加工而成，外径２３０ｍｍ、内径２０５ｍｍ、高度１２０ｍｍ。对应的永磁转子外径２００ｍｍ、内径１５０ｍｍ、高度１２０ｍｍ。ＳＭＢ采用液氮进行冷却，玻璃纤维杜瓦壁厚ｌｍｍ，悬浮气隙１．５ｍｍ。实验结果表明在轴向位移３．３ｍｍ，温度７２．２Ｋ时，轴承的轴向最大承载重量达１０００ｋｇ，径向承载重量达４７０ｋｇ，轴向刚度４．５ｋＮ／ｍｍ，径向刚度１．８ｋＮ／ｍｍ。也就是说该ＳＭＢ用５ｋｇ的块材悬浮起了１０００ｋｇ的霞量，悬浮性能达到了ｌ：２００，这个数字也是目前高温超导体材料在液氮温区附近最高悬浮能力记录，对ＳＭＢ的发展具有里程碑式的意义。动态实验方面，进行了速度３２００ｆｆｍｉｎ内的运行测试，样机摩擦系数仅２．８×１０一。目前仅ＡＴＺ和Ｎｅｘａｎｓ公司公布了吨级载霞能力的ＳＭＢ，不同的是ＡＴＺ公司ＳＭＢ的运行温度更高，且应用领域不同。ＡＴＺ公司ＳＭＢ已经用在了５ｋＷｈ／２５０ｋＷ的飞轮样机中正并入电网进行运行试验，最终运行速度８０００～１００００ｆｆｍｉｎ，基于此ＳＭＢ技术１５ｋＷｈ，４００ｋｗ量级的飞轮储能系统也正在设计中。３．４日本ＩＳＴＥＣ［习
日本ＩＳＴＥＣ受日本新能源产业技术综合开发机构（ＮＥＤＯ）资助，从１９９５年开始研制飞轮储能用的ＳＭＢ。在深入分析了轴向和径向ＳＭＢ的特点之后，基于径向ＳＭＢ可以在不改变飞轮尺寸大小的情况下，沿轴向增加块材数量来提高ＳＭＢ的承载能力和刚度，从而让整个系统更加紧凑的观点，在他们的方案中选择了径向型ＳＭＢ。与德国径向ＳＭＢ样机不同的是，所设计的径向ＳＭＢ为内定子外转子的结构，如图５所示。
图５仅为１０ｋＷｈ／４００ｋＷ飞轮样机中ＳＭＢ（夕１８０ｍｍ×３００ｍｍ）的一个单元。定子由采用最终成形法制各的瓦片形ＹＢＣＯ块材直接拼接而成。
（ａ）两温超导体定予（ｂ）永磁体转子
图５日本ＩＳＴＥＣ径向型ＳＭＢ结构【５１
Ｆｉｇ．５Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｉａｌ
ＳＭＢｏｆＩＳＴＥＣｉｎＪａｐａｎ【５】８块块材拼接成一个外径１２３．２ｍｍ、内径９３．２ｍｍ、高度６０ｍｍ的超导环，即为一个定子单元。转子与前述径向ＳＭＢ样机类同，由４层沿轴向充磁的单块永磁体环和间隔的聚磁铁环组成，其外径１６０ｍｍ、内径１２６ｍｍ、高度６０ｍｍ，同理形成一个转子单元。定子采用液氮冷却，不锈钢杜瓦壁厚ｌｍｍ，最终定子和转子间仅有０．４ｍｍ的悬浮气隙。该ＳＭＢ应用到１０ｋＷｈ的高温超导飞轮储能系统中使用时，一共应用了５组ＳＭＢ单元，最终高度为３００ｍｍ，最大悬浮力约８７００Ｎ，用于支撑悬浮４２５ｋｇ的飞轮转子。在此基础上，日本ＩＳＴＥＣ又研制了面向１００ｋＷｈ飞轮储能用的径向ＳＭＢ单元，结构同上，不同的是尺寸增大，外形尺寸∞０８ｍｍｘ１３３ｍｍ。ＳＭＢ定子增大到外径２０７ｍｍ、内径１７７ｍｍ、高度１００ｍｍ，对应的永磁转子外径２６８．６ｍｍ、内径２０８．６ｍｍ、高度８９．３ｍｍ，悬浮气隙０．８ｍｍ。该样机在７７Ｋ时悬浮力密度达到１１Ｎ／ｃｍ２，在６０００ｆｆｍｉｎ的实验转速下，旋转损耗仅０．５５Ｗ／Ｎ。同时，针对高温超导体材料特有的磁通蠕动效应带来的悬浮力衰减的问题，提出了预载和过冷两种能有效抑制悬浮高度衰减的方法。
３．５韩国ＫＥＰＲｌｌ９１
韩国电力研究院（ＫＥＰＰＩ）从２０００年左右开始进行高温超导飞轮储能技术研究工作，在２００７年欧洲应用超导会议（ＥＵＣＡＳ２００７）上首次公布了开发１００ｋＷｈ高温飞轮储能系统的项目，并完成了配套的ＳＭＢ设计与制作，如图６所示。
（ａ）高温超导体定予（ｂ）永磁体转子
图６韩国ＫＥＰＲＩ径向型ＳＭＢ结构‘９１
Ｆｉｇ．６Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｉａｌ
ＳＭＢｏｆＫＥＰＲＩｉｎ
Ｋｏｒｅａ【９】
６电工技术学报２００９年９月
通过上置式ＳＭＢ和下置式ＳＭＢ同时上下悬浮支撑。上下ＳＭＢ定子均由７块直径３０ｍｍ的圆柱形ＹＢＣＯ块材组成。对应的转子为三块轴向磁化的圆柱形ＮｄＦｅＢ永磁体重叠而成，直径６３ｍｍ、高度２７ｍｍ。ＳＭＢ驱动电机安装在转轴的正中间，电机转速通过变压器调节输入电压大小来控制。该样机结构简单、直观，可用于高温超导磁悬浮原理、高温超导磁悬浮轴承以及高温超导飞轮储能技术原理演示。
（ａ）中科院电工所ｌｌ２Ｊ（ｂ）西南交通大学超导技术研究所
图７国内ＳＭＢ样机
Ｆｉｇ．７ＰｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆＳＭＢｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃ
４关键技术
４．１ＳＭＢ选型【”１
纵观国内外ＳＭＢ样机可以看出，ＳＭＢ设计的第一步便是选型，主要包括对轴向型和径向型的选择，当选择径向型时又包括对定子和转子位置的选择。表３对轴向和径向ＳＭＢ主要参数进行了比较。可以看出径向型ＳＭＢ技术含量相对较高，性能更好，研制难度也较大，研究力度多于轴向型，将成为未来ＳＭＢ大尺寸样机应用的主要发展方向。但是不排除轴向型ＳＭＢ因其结构简单也有其特殊的用途，如原理演示、卫星姿态控制等。
对于径向型ＳＭＢ中的外定子内转子、内定子外转子两种结构，都有研究结果。从永磁转子的磁场利用率来看，外定子内转子结构被认为较优。永磁圆环外侧和内侧半径的差别使得外侧磁场总是高于内侧，故可利用的磁场能量更多。反过来看，当利用永磁环外侧磁场时，与其匹配的ＳＭＢ定子尺寸较利用内侧磁场时大，所需要的块材数目也较多，导致系统成本增加。但对于处于研发的ＳＭＢ来说，更多的是考虑如何提高其承载性能，故外定子内转子结构更有优势。
表３轴向和径向型ＳＭＢ参数比较Ｔａｂ．３Ｐａｒａｍｅｔｅｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｘｉａｌａｎｄｒａｄｉａｌ
ＳＭＢ
４．２承载能力和刚度悼ｌ
尽管现有高温超导块材的悬浮能力已达到了１：２００，但与机械轴承、永磁悬浮轴承及电磁悬浮轴承相比，ＳＭＢ承载能力和刚度仍然相对较低。对于一些载重要求高的应用场合，如风力发电叶轮轴承等，承载能力和刚度仍有待进一步提高。通常可以从高温超导材料性能改善、高温超导定子励磁优化和永磁转子结构优化三方面来提高块材的承载能力和刚度。４．３旋转损耗１１６。１７１
基于表３的比较，径向ＳＭＢ对定子和转子的均匀性要求都较高，否则将带来以下三方面损耗，即永磁转子不均匀性导致块材的磁滞损耗、定子上导体部分（如不锈钢杜瓦）的涡流损耗和块材捕获磁通不均匀导致的转子中导体部分（如聚磁铁环）的涡流损耗。因此有必要对其进行深入研究，理想情况是使用整块的永磁体或块材构成转子或定子，目前暂时只能考虑利用某些特殊的焊接技术来实现永磁体（或块材）之间的互连。
４．４悬浮力衰减，转子下降Ｉｌ町
高温超导体材料固有的磁通蠕动运动带来了高温超导磁悬浮的力磁滞【ｌ９】（与运动过程有关且随运动往返工程逐渐减小）和力弛豫【ｌ８】（与悬浮时间有关且随时间近似成对数衰减并最终趋于稳定）行为，将导致块材提供的悬浮力变化，进而影响到转子的平衡位置，出现转子下降等现象。在实际的应用中需要加以避免。目前除了公认的过冷和预载两种方法外，合理选择轴承的工作位置和方式等均有助于抑制转子的下降。
４．５动态稳定性【２叫
现有的高温超导磁悬浮系统是一个公认的低阻
高温超导磁悬浮轴承研发现状
作者：邓自刚， 王家素， 王素玉， 郑珺， 林群煦， 张娅， Deng Zigang， Wang Jiasu，Wang Suyu， Zheng Jun， Lin Qunxu， Zhang Ya
作者单位：西南交通大学超导技术研究所,成都,610031
刊名：
电工技术学报
英文刊名：TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
年，卷(期)：2009，24(9)
被引用次数：1次
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1.会议论文邓自刚.林群煦.王家素.郑珺.张娅.王素玉高温超导磁悬浮轴承运行实验研究2008
在日益严峻的能源危机背景下，为了展示无源自稳定高温超导磁悬浮技术在能源储存领域的巨大应用前景，设计制作了一台全高温超导磁悬浮轴承形式的飞轮储能原理演示样机。本文重点给出了飞轮样机的核心部件：高温超导磁悬浮轴承的运行实验结果。通过由转速计和位移传感器搭建的动态测试平台研究了其旋转运动的自由衰减行为。一方面非接触的稳定旋转运行结果验证了静态磁悬浮实验结果（高温超导磁悬浮轴承提供的79.193N悬浮力和9.77N侧向恢复力，完全实现了2.4kg重转轴的稳定悬浮）；另一方面，在相同的实验条件下对比传统的机械轴承，高温超导磁悬浮轴承的摩擦系数小一个数量级以上。这些数据更加证明了无源无摩擦高速高温超导磁悬浮轴承的出现将使新一代飞轮储能系统具有控制简单、储能密度大、效率高、寿命长、维护低等杰出优点，并将达到工业应用水平。
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