直驅(qū)風力發(fā)電機徑向－軸向混合磁軸承設(shè)計及分析

朱熀秋，朱利東，吳曉軍

(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

(2.東南大學(xué) 后勤中心，江蘇南京 210018)

直驅(qū)風力發(fā)電機徑向－軸向混合磁軸承設(shè)計及分析

朱熀秋1，朱利東1，吳曉軍2

(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

(2.東南大學(xué) 后勤中心，江蘇南京 210018)

為解決或降低傳統(tǒng)直驅(qū)風力發(fā)電機系統(tǒng)的機械摩擦問題，以有效提高風能利用率，提出直驅(qū)風力發(fā)電機采用機械軸承和磁懸浮軸承集成支承技術(shù)，即采用機械軸承和徑向－軸向三自由度混合磁軸承實現(xiàn)直驅(qū)風力發(fā)電機的集成支承。針對徑向－軸向三自由度混合磁軸承，采用等效磁路法進行數(shù)學(xué)建模，并利用有限元分析軟件對其進行參數(shù)設(shè)計與機理分析。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了徑向－軸向三自由度磁軸承試驗平臺，試驗結(jié)果證明設(shè)計的徑向－軸向三自由度磁軸承能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

風力發(fā)電機;磁懸浮軸承;有限元分析;數(shù)學(xué)模型

1 徑向－軸向三自由度混合磁軸承設(shè)計

1.1 徑向－軸向三自由度混合磁軸承結(jié)構(gòu)

本文采用1個機械軸承和1個徑向－軸向三自由度混合磁軸承支承風力發(fā)電機，其直驅(qū)風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。徑向－軸向三自由度混合磁軸承三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示［10］，其各組件如圖2(b)所示，由軸向定子、軸向控制線圈、帶3個磁極的徑向定子、徑向控制線圈、轉(zhuǎn)子、徑向充磁永磁體等構(gòu)成。工作時軸向?qū)χ玫膬蓚€控制線圈對軸向自由度位置進行控制;沿圓周120°均勻分布的A，B和C 3個徑向控制線圈通以三相交流電產(chǎn)生可旋轉(zhuǎn)的合成磁通來控制徑向二個自由度轉(zhuǎn)子位移。徑向定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成，永久磁體采用稀土材料釹鐵硼制成。當徑向、軸向都穩(wěn)定懸浮時，轉(zhuǎn)子在永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場吸力下處于懸浮的中間位置，徑向和軸向氣隙取為0.5mm。

圖1 直驅(qū)風力發(fā)電機機械和磁軸承集成支承結(jié)構(gòu)

圖2 徑向－軸向三自由度混合磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2(c)是徑向－軸向三自由度混合磁軸承磁路示意圖。圖中帶箭頭(控制磁通箭頭方向由控制電流方向按右手定則確定)的實線表示永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通，它從永磁體的N極出發(fā)，經(jīng)過軸向定子、軸向氣隙、轉(zhuǎn)子、徑向氣隙、徑向定子，最后回到永磁體的S極;帶箭頭的虛線表示的是控制磁通，軸向控制磁通在軸向定子、軸向氣隙與轉(zhuǎn)子內(nèi)構(gòu)成回路;徑向控制磁通在徑向定子、徑向氣隙與轉(zhuǎn)子間形成回路。由圖2可看出，軸向控制磁

如果轉(zhuǎn)子受到一個向左的外擾力，也可以得出類似的結(jié)論。因此無論轉(zhuǎn)子受到向右或向左的外擾動，帶位置負反饋的軸向磁軸承控制系統(tǒng)，通過軸向控制器控制軸向線圈中的電流，調(diào)節(jié)左右氣隙處合成磁通的大小，就能保持轉(zhuǎn)子在軸向的平衡位置。

1.2 磁軸承數(shù)學(xué)模型

為簡化計算，對磁軸承做如下假設(shè):只考慮永磁體內(nèi)外兩環(huán)面漏磁，將整個磁路系統(tǒng)看作由一個漏磁磁阻與有效磁路系統(tǒng)構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng);只考慮工作氣隙的磁阻，忽略鐵芯磁阻、轉(zhuǎn)子磁阻及渦流損耗等。這樣可得到如圖3所示的磁軸承永磁體磁路等效圖。通與徑向控制磁通互不干擾，不存在磁路耦合，各氣隙磁通由各處的靜態(tài)偏置磁通和控制磁通兩部分疊加合成。

轉(zhuǎn)子在軸向平衡位置時，永磁體在轉(zhuǎn)子軸向兩端氣隙z1和z2處產(chǎn)生的磁通是相等的。如轉(zhuǎn)子受到向右的軸向外力而產(chǎn)生軸向向右位置偏移時，z1處氣隙減小，永磁體產(chǎn)生的軸向磁通φpz1增大，磁力亦增大;z2處氣隙增大，軸向磁通φpz2減小，磁力亦減小。此時只要軸向產(chǎn)生的控制磁通φcz滿足式(1)，即轉(zhuǎn)子在軸向氣隙z2處受到的磁力大于軸向氣隙z1處的磁力，就能使轉(zhuǎn)子回到原來的平衡位置。

圖3 永磁體磁通分布等效磁路圖

圖3中，F(xiàn)m是永磁體對外提供的磁動勢，φm是永磁體發(fā)出的總磁通，φ1是總的漏磁通，漏磁導(dǎo)是G1，右邊軸向氣隙和左邊軸向氣隙的磁導(dǎo)分別是 Gz1和Gz2，徑向3個氣隙磁導(dǎo)分別是GA，GB，GC。Sa，Sr分別為軸向、徑向磁極面積;δa，δr分別為軸向、徑向氣隙?，F(xiàn)假設(shè)轉(zhuǎn)子軸向正方向偏移z，徑向正方向各偏移x，y，則各氣隙處的磁導(dǎo)為:發(fā)電機中轉(zhuǎn)軸一端的三自由度懸浮支承，設(shè)計要求和主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 徑向－軸向三自由度磁軸承參數(shù)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的參數(shù)采用有限元分析軟件ANSOFT建立徑向－軸向三自由度混合磁軸承三維實體模型進行仿真分析用。采用磁標勢法求解，分析了以下幾種靜態(tài)磁場:圖4(a)、4(c)是徑向－軸向三自由度混合磁軸承永磁偏磁磁密在磁軸承的徑向和軸向分布圖，可以看出整個磁軸承的磁極磁密分布均勻;圖4(b)、4(d)是施加控制電流時的磁感應(yīng)強度分布圖，從圖上可以看出，施加徑向控制電流時，產(chǎn)生控制磁密，由于永磁偏磁磁密與控制磁密疊加或抵消，使得徑向一個磁極的磁密增大和另外兩個磁極的磁密減小;軸向施加控制電流時，從磁密云圖4(d)上可以看出，軸向上端磁極磁密增大，下端磁極磁密減小。從而驗證了該磁軸承的運行機理。

圖4 徑向－軸向三自由度混合磁軸承磁感應(yīng)強度分布

2 樣機實驗結(jié)果

依據(jù)上述兩種磁軸承的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了直驅(qū)風力發(fā)電機磁軸承支承控制系統(tǒng)，構(gòu)建了磁軸承數(shù)控實驗平臺，磁軸承樣機參數(shù)見表1。該磁懸浮風力發(fā)電機一端的徑向－軸承三自由度混合磁軸承采用3個位置控制器進行控制，位置控制器采用分散PID進行控制，通過調(diào)整PID參數(shù)，實現(xiàn)磁軸承的穩(wěn)定懸浮。實驗波形如圖5所示，圖5(a)是轉(zhuǎn)子靜態(tài)懸浮時x和y方向的位移曲線，圖5(b)為轉(zhuǎn)子從起始位置起浮時x和y方向的位移曲線，轉(zhuǎn)子起浮前靜止在(－0.15mm，0.20mm)位置處，在控制電流作用下，轉(zhuǎn)子迅速回到平衡位置(0mm，0mm)處，并實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，表明系統(tǒng)具有較好的起浮性能。

圖5 轉(zhuǎn)子靜態(tài)起浮x和y方向的位移曲線

3 結(jié)束語

采用磁軸承支承風力發(fā)電機，有利于降低風機啟動風速，提高風力發(fā)電機的效率。本文針對徑向－軸向三自由度混合磁軸承，從工作原理、數(shù)學(xué)建模、磁場分析、數(shù)字控制及試驗等角度進行了研究。采用有限元對磁軸承磁場進行了分析，驗證了樣機參數(shù)設(shè)計的合理性，懸浮實驗驗證磁軸承理論建模和數(shù)字控制的正確性。雖然受限于試驗條件，未能進行高速旋轉(zhuǎn)工況下的動態(tài)性能試驗以及對控制算法做進一步優(yōu)化，但文中提出的磁軸承建模、有限元分析和控制等方法，對磁懸浮風力發(fā)電機及其它高速旋轉(zhuǎn)支承的磁軸承的深入研究和應(yīng)用具有參考價值。

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Design and Analysis of Radial and Axial Magnetic Bearing for Direct Drive Wind Generator

ZHU Huangqiu1，ZHU Lidong1，WU Xiaojun2
(1.Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang，212013，China)
(2.Southeast University，Jiangsu Nanjing，210018，China)

To decrease the mechanical friction of the conventional direct drive wind generator and raise the utilization rate of wind energy，it presents the integrated support technology using mechanical bearing and magnetic bearing for direct drive wind generator，applies a mechanical bearing and a radial－ axial three degrees of freedom hybrid magnetic bearing to support a wind generator.Focused on the radial－axial three degrees hybrid magnetic bearing，it builds the mathematical model with the equivalent magnetic circuit scheme，designs and analyzes the magnetic bearing parameters based on finite element analysis software.On this basis，it establishes the numerical control experiment platform of the magnetic bearing system，the test results prove that the designed magnetic bearing can make the rotor suspend steadily.

Wind Generator;Magnetic Bearing;Finite Element Analysis;Mathematical Model

TM614

A

2095－509X(2013)11－0001－05

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.001

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，地球上的煤炭、石油、天然氣等能源正被迅速消耗。為了應(yīng)對遲早出現(xiàn)的能源危機，世界各國紛紛探索新型清潔能源的出路。風能作為一種可再生的清潔能源，受到了世界各國的廣泛關(guān)注。根據(jù)世界風能協(xié)會的統(tǒng)計，預(yù)計到2030年，世界風力發(fā)電總量將占全球發(fā)電總量的20%［1］。

決定風力發(fā)電機(簡稱風機)性能的一個重要指標是其啟動風速，特指風機有效輸出電能時的最低風速，啟動風速越低，可利用的風速范圍越廣，風機的年發(fā)電時間也越長。傳統(tǒng)風機轉(zhuǎn)子采用滾動軸承支承，機械摩擦和磨損嚴重，導(dǎo)致風機的啟動風速較高，一般在3～4m/s，年均有效發(fā)電小時數(shù)小于2 200h，風能利用率較低。磁懸浮軸承(簡稱磁軸承)具有無摩擦、無需潤滑等優(yōu)點，近年來在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用［2－4］。將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用在風力發(fā)電機上，既可以改善風力機的啟動性能，大大提高其風能轉(zhuǎn)化效率，同時可以實現(xiàn)微噪聲，甚至可以達到靜音的效果［5－9］。采用磁懸浮軸承來支承風力發(fā)電機，其優(yōu)勢在于:(1)磁懸浮風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子是靠磁場力懸浮的，定、轉(zhuǎn)子運動表面之間沒有接觸、無摩擦，降低了起動風速，起動風速可降至1.5m/s。(2)由于沒有接觸，所以不需潤滑，可省去管道、過濾器和密封元件。相應(yīng)地不存在潤滑劑對環(huán)境的污染，進而可免除高額的維護和保養(yǎng)的費用，大大降低成本。(3)功耗相對較低，減小了損耗。由于磁力支承僅由磁滯和渦流引起很小磁損，所以效率較高，在10 000r/min的時候，磁支承的功耗大約只有流體動壓潤滑支承的6%，滾動支承的17%，這對于節(jié)能有著重大意義。(4)可以在小行程內(nèi)產(chǎn)生大的驅(qū)動力。(5)在位移傳感器的精度足夠高時，磁軸承的控制精度也較高。(6)變剛度、變阻尼。磁軸承的剛度、阻尼系數(shù)由控制系統(tǒng)決定，一定范圍內(nèi)可以隨意設(shè)計，且在運行的過程中可控可調(diào)節(jié)，動態(tài)性能良好。(7)平均發(fā)電天數(shù)可由原來的90天/年提高到210天/年，發(fā)電效率也提高15%以上，從而有效地提高發(fā)電量。此外，磁懸浮軸承對極端氣候具有很好的適應(yīng)性。

磁懸浮軸承支承的風力發(fā)電機具有很多優(yōu)點，但目前研究的采用磁懸浮軸承支承的風力發(fā)電機系統(tǒng)中的磁軸承大多數(shù)僅是實現(xiàn)部分支承，即轉(zhuǎn)子在5個自由度方向上沒有全部采用磁軸承支承，風機中轉(zhuǎn)動部分與非轉(zhuǎn)動部分之間的機械摩擦并未徹底消除，但仍然大大降低了風機的啟動風速，提高了發(fā)電效率。武漢理工大學(xué)設(shè)計的一種小型磁懸浮風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)［5－6］，徑向采用磁力軸承支承，軸向靠機械力約束，其設(shè)計時采用有限元方法，對磁力軸承的結(jié)構(gòu)和磁路進行了分析與設(shè)計，對磁力軸承的磁環(huán)高度和疊加磁環(huán)個數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。本文研究的是直驅(qū)風力發(fā)電機的機械以及徑向－軸向三自由度磁軸承集成支承方案，風力發(fā)電機系統(tǒng)由發(fā)電機、風葉、轉(zhuǎn)軸、機械軸承、徑向－軸向三自由度混合磁軸承組成。下面針對徑向－軸向三自由度磁軸承開展理論和試驗研究。

2013－07－08

國家自然科學(xué)基金資助項目(50575099);江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK2012707);江蘇省“六大人才高峰”項目(2011－ZBZZ026);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項目(CXZZ13_0682)

朱熀秋(1964—)，男，江蘇靖江人，江蘇大學(xué)教授，博士，主要研究方向為磁懸浮高速傳動技術(shù)、無軸承高速電機精密驅(qū)動及控制等。