| 故本文采用轴承型高温超导轴承。
高温超导轴承采用七块高温超导块作为定子，每块高温超导块的尺寸是D20mmX12mm。七个超导块布置在一个D80mm的铜块基座上，铜座固定于液氮容器中制冷，制冷温度在78K-72K之间。高温超导块采用YBaCuO材料制作，其临界转变温度是92K，在液氮环境下完全可以进入超导状态。超导磁悬浮转子固定在飞轮本体上,由于轴向超导磁悬浮轴承的径向刚度较小，其转子结构设计成由两个N、S相间的环组成，采用这种结构可以提高超导磁悬浮轴承的径向刚度，提高飞轮旋转的稳定性。
高温超导块有两种冷却方式场冷和零场冷。零场冷是指在超导进入超导态时外部作用的磁场很小。场冷是指超导在较大的磁场作用下进入超导态。零场冷能产生较大的悬浮力，但是径向刚度较小，稳定性不如场冷。为了能使飞轮稳定悬浮，我们采用场冷的方式，场冷高度选择5mm，即进入超导态时超导磁悬浮定子和转子间隙为5mm。
3飞轮系统性能测试
通过整体设计，飞轮系统结构整体如图所示，整体参数如表1，飞轮转子无源的悬浮在超导块和平面电机之间，平面电机定子和转子之间的间隙为1mm，超导块和飞轮转子之间的间隙为5mm，在输入电压为14.4V和电流为0.36A的情况下飞轮的最高转速可达到15000r/min。
 
图8飞轮整体系统以及电机控制机构
表1微飞轮系统主要参数
 电机定子转子间隙d1=1mm
转子6对NS相间磁极
飞轮半径r=55mm
质量m=181g
转动惯量J=7.7X10kgm
轴承定子YBaCuO高温超导7块
转子NdFeB两块，NS相间
场冷高度d2=5mm
为了比较机械轴承和采用超导磁悬浮轴承后的飞轮系统性能，分别测试了真空下机械轴承、空气下机械轴承和超导轴承三种情况下飞轮的自由旋转降速曲线。
图9机械轴承和超导轴承飞轮的自由降速曲线
从上图可以看出机械轴承的飞轮在空气中从15000rpm降为零为40s，而超导轴承飞轮在空气中降速时间为1200s，远远长于机械轴承。超导轴承和机械的摩擦力矩可以根据降速曲线，由公式（1）可以求得。
 (1)
式中：T为摩擦阻力矩，Jz为转动惯量，w为飞轮转子转速。
在空气中试验，对于超导磁悬浮飞轮系统，摩擦阻力包括空气阻力、超导磁悬浮轴承的摩擦等；在空气中测得机械轴承飞轮系统的摩擦阻力主要为空气阻力和机械轴承的摩擦;在真空中测得飞轮系统的摩擦阻力主要是机械轴承的摩擦。利用matlab对降速曲线进行拟合求导，即可求出超导磁悬浮轴承和机械轴承的摩擦阻力矩。如图10所示
图10机械轴承和超导轴承摩擦矩
从上图我们可以得出在转速2000-9000rpm区间，超导磁悬浮轴承的摩擦力矩远远小于机械轴承，可以得到采用超导磁悬浮轴承后飞轮整体损耗将减少。
等效摩擦系数u是超导磁悬浮轴承的一个很重要的参数，其定义如公式
 （2）
其中
 （3）
式中F为等效摩擦阻力，m为飞轮本体质量，r为飞轮转子半径。
通过公式（2）（3）可以求得超导磁悬浮的在不同转速下的等效摩擦系数，如图11所示。
图11不同转速下超导轴承等效摩擦系数
从上图可以看出随着转速的增加，超导磁悬浮轴承的摩擦系数也随着增加。原因是超导磁悬浮轴承的摩擦损耗主要来自在超导体上产生的磁滞损耗和磁场在定子上产生的涡流损失。随着速度的增加，磁场变化随度也越快，涡流损耗和磁滞损耗也变大，超导磁悬浮轴承的损耗也随着增大。造成这种损耗的主要原因是磁场分布的不均匀性和超导轴承的不对称性。
4结论
本文设计一种采用超导磁悬浮轴承作为支撑系统的微飞轮储能系统，该飞轮采用了平面无刷电机作为驱动装置，飞轮整体系统采用了无轴结构设计。飞轮系统在空气的最高转速可达到15000r/min，摩擦力远远小于机械轴承，飞轮整体性能得到极大的提高，最后求得超导磁悬浮轴承的在不同转速下的等效摩擦系数,分析了高温超导轴承损耗的主要原因。
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