飞轮电池轴承技术简介

轴承技术是储能飞轮研究的关键技术。由于储能飞轮的质量、转动惯量相对较大，转速很高，其陀螺效应十分明显，并存在过临界问题，因此对支承轴承提出了较高的要求。

机械轴承主要有滚动轴承、滑动轴承、陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承等，其中滚动轴承和滑动轴承常用作飞轮系统的保护轴承，陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承在特定的飞轮系统中获得应用。

飞轮的先进支承方式主要有超导磁悬浮、永磁悬浮、电磁悬浮。

1.超导磁悬浮轴承

超导磁悬浮轴承由永磁体与超导体组成。超导体多采用高温超导体，例如钇钡铜氧（YBCO）超导体。

当超导体处于超导态时，具有抗磁性和磁通钉扎性。超导磁悬浮轴承利用抗磁性提供静态磁悬浮力，利用钉扎性提供稳定力，从而实现稳定悬浮。为大功率、短期应用而设计的飞轮系统，通过物体绕轴旋转将动能存储起来，就如同一个动能电池，因而可取代铅蓄电池。配备非接触式磁悬浮轴承的高速永磁电机/发电机，运转中100%悬浮使得转子轮毂在转动时脱离所有金属接触，排除了轴承磨损，无须轴承润滑油或润滑脂，也无须维护。因此，在整个飞轮使用期间都无须更换轴承。与传统电池组不同，飞轮在其20年使用周期中，即使进行无数次高速充放电也不会造成损耗。

处于超导态的超导体有迈斯纳效应，迈斯纳效应是指超导体在磁场中呈现抗磁性。抗磁性指当永磁体接近超导体时，超导体内部产生感应电流。感应电流产生的磁场与外磁场方向相反，由此产生超导体和永磁体间的斥力，使超导体或永磁体稳定在悬浮状态。(www.xing528.com)

超导体的磁化强度取决于超导材料的微观晶体结构。有明显磁通钉扎性的氧YBCO超导体所产生的磁悬浮力有黏滞行为，它一方面表现为刚度，另一方面也带来阻尼。由于磁场的不均匀性，转子自转时，定子和转子之间的磁性相互作用会产生摩擦阻力。超导磁悬浮轴承的能量损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和风损。由于无机械接触，超导磁悬浮轴承的总能耗很小，当然低温液氮的获取和维持需要消耗一定的能量。超导体是由钡钇铜合金制成，并用液氮冷却至77 K，飞轮腔抽至-8～10 Torr的真空度（托为真空度单位，1 Torr（托）＝133.332 Pa）。由于旋转体为永磁材料，受强度限制，转速不能太高，一般不超过30 000 r/min。由于具有自稳定性、能耗小、高承载力等优点，超导磁悬浮轴承可以用作储能飞轮系统的支承，提高系统的稳定性和储能效率。

2.永磁悬浮轴承

永磁悬浮轴承通常由一对或多个磁环做径向或轴向排列而成，其中也可以加入软磁材料。设计不同排列，利用磁环间吸力或斥力，可作径向轴承，也可用作抵消转子重力的卸载轴承。随着永磁材料的快速发展，永磁悬浮轴承的承载力迅速增加。但是只用永磁轴承不可能实现稳定悬浮，需要至少在一个方向上引入外力（如电磁力、机械力等），对汽车在加速、上下坡及减速时的飞轮轴相对轴承的位置进行校正。永磁体要实现高速旋转，需要减小径向尺寸或者以导磁钢环代替永磁环。

3.电磁悬浮轴承

电磁悬浮轴承采用反馈控制技术，根据转子的位置调节电磁铁的励磁电流，以调节对转子的电磁吸力，从而将转子控制在合适的位置上。电磁轴承能在径向和轴向对主轴进行定位，使飞轮运转的稳定性和安全性得到一定的提高，电磁轴承的突出优点是可超高速运行，30 000～60 000 r/min是电磁轴承通常的运行范围。

机械轴承、超导磁悬浮轴承、永磁悬浮轴承、电磁悬浮轴承支承方式各有优缺点，因此在实际应用中常将几种支承方式组合使用。