磁懸浮支承技術(shù)在風力發(fā)電機中的應(yīng)用

沙征遠，吳國慶，，孫后全，朱維南，張旭東

(1.南通大學機械工程學院，江蘇南通226019;2.江蘇省風能應(yīng)用技術(shù)工程中心，江蘇南通226019)

0 前言

近年來，隨著世界各國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工業(yè)賴以生存的石油、天然氣、煤炭等不可再生能源被迅速消耗。為了解決在不久未來的能源危機，新能源的開發(fā)迫在眉睫。被稱為“綠色能源”的風能作為一種可再生能源，由于其無污染、可再生、蘊藏量大、分布廣等特點受到廣泛的關(guān)注。為了實現(xiàn)到2050年電量需求中將有33% 來自風能，世界各能源大國都制定了相應(yīng)的政策［1］。

風力發(fā)電機(以下簡稱風力機)分為水平軸風力機和垂直軸風力機兩種結(jié)構(gòu)形式，其中水平軸風力機應(yīng)用較為廣泛。傳統(tǒng)的風力機采用機械軸承支承，對啟動風速要求較高，一般為3.5 m/s，同時，機械接觸軸承中不可避免地摩擦降低了風能利用率，磨損的加劇將進一步導致風力機主軸轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)失衡，因此，磁懸浮風力機應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)的風力機相比，磁懸浮風力機具有無摩擦、不需潤滑、功耗低、噪聲小、效率高、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。

本文作者介紹了磁懸浮風力機的原理及其特點，并總結(jié)了應(yīng)用于磁懸浮風力機的磁力軸承以及磁懸浮風力機的結(jié)構(gòu)形式，提出了磁懸浮風力機的發(fā)展趨勢和研究方向。

1 磁懸浮風力機的原理和優(yōu)缺點

1.1 磁懸浮風力機的原理

圖1 磁懸浮風力機結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的風力機相比，磁懸浮風力機采用非接觸式磁懸浮支承代替了機械支承。一種垂直軸磁懸浮風力機結(jié)構(gòu)如圖1。由主軸轉(zhuǎn)子、定子、風輪等部分組成，定子內(nèi)部安裝有輔助支承、徑向軸向磁軸承、發(fā)電機定子、傳感器等，套裝在主軸轉(zhuǎn)子上。定子中布置的兩個徑向磁軸承、軸向磁軸承均對主軸產(chǎn)生電磁力作用，其中軸向磁軸承用于實現(xiàn)發(fā)電機主軸在軸向的穩(wěn)定懸浮，兩個徑向磁軸承用于實現(xiàn)發(fā)電機主軸在徑向的穩(wěn)定懸浮。主軸兩端裝有輔助支承，用于主軸系統(tǒng)失控或突然斷電時，起臨時支承旋轉(zhuǎn)的主軸的保護作用。主軸軸向和徑向的位置精度靠軸徑向傳感器保證，實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的風力機主軸在風輪的帶動下平穩(wěn)運行，實現(xiàn)風電轉(zhuǎn)換。

1.2 磁懸浮風力機的優(yōu)缺點

將磁懸浮支承技術(shù)應(yīng)用到風電系統(tǒng)上，可以改善其啟動性能，提高風能利用率，同時實現(xiàn)微噪聲，甚至可以達到靜音的效果。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在［2］:(1)磁懸浮風力機的轉(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，啟動風速可降至1.5 m/s，即擴大了風力資源的利用范圍;(2)由于沒有接觸，所以無需潤滑軸承，相應(yīng)地也不存在潤滑劑對環(huán)境的污染，無需維護和保養(yǎng)，降低了成本;(3)功耗相對較低，節(jié)能。在10 000 r/min 時，磁支承的功耗只有流體動壓潤滑支承的6%，滾動支承的17%;(4)磁力支承的控制精度取決于位移傳感器的精度，容易得到保證;(5)磁支承的剛度、阻尼系數(shù)由控制系統(tǒng)而定，在運行的過程中可控可調(diào)節(jié)，動態(tài)性能良好;(6)磁支承對極端氣候適應(yīng)性較強，每年平均發(fā)電天數(shù)可提高120%，發(fā)電效率也提高15%以上，因此發(fā)電量得到顯著提高。

其局限性主要有:磁懸浮支承技術(shù)是集機電磁于一體的綜合技術(shù)，理論知識復雜，難以被普遍接受;與機械軸承相比，磁支承體積、質(zhì)量較大，需要專門的控制器和外加電源，大都配備輔助支承，結(jié)構(gòu)復雜，占空間大，實現(xiàn)難度大;與機械軸承相比，磁支承剛度較小;磁支承的成本較高。

2 用于磁懸浮風力機的磁軸承類型

用于磁懸浮風力機上的磁懸浮軸承按工作原理可分為被動磁懸浮軸承、主動磁懸浮軸承、混合磁懸浮軸承和超導磁懸浮支承方式。

2.1 被動磁軸承(PMB)

被動磁軸承(永磁軸承)利用磁環(huán)間產(chǎn)生的永磁力來懸浮轉(zhuǎn)子，它具有一定的穩(wěn)定特性，一般沒有控制系統(tǒng)。按承載方向的不同，永磁軸承可分為永磁向心(徑向)軸承(圖2)和永磁推力(止推)軸承(圖3);按磁環(huán)之間吸、斥力的不同，永磁軸承可分為吸力型永磁軸承和斥力型永磁軸承［3］。

圖2 永磁向心軸承的基本結(jié)構(gòu)

圖3 永磁推力軸承的基本結(jié)構(gòu)

磁懸浮風力機主軸對磁支承的承載能力要求較高，而單對磁環(huán)承載能力有限，為了提高永磁軸承的懸浮力和剛度，可采用多對磁環(huán)疊加結(jié)構(gòu)，疊加方式有徑向疊加和軸向疊加兩種(圖4)。為了適應(yīng)使用環(huán)境及節(jié)省空間，可采用集多個方向支承于一體的永磁偏置徑向-軸向磁軸承(圖5)。圖中箭頭表示永磁體的磁化方向。

圖4 永磁軸承磁環(huán)的疊加

圖5 永磁偏置軸向-徑向磁軸承結(jié)構(gòu)圖

永磁體是永磁軸承的主體，因此永磁軸承的性能主要取決于永磁材料的性能，其性能常用3 個指標來表示，即矯頑力(Hc)、剩余磁感應(yīng)強度(Br)和最大磁能積(BH)max。目前，應(yīng)用在永磁懸浮風力機上的永磁合金多為1983年問世于日本的第三代稀土永磁合金號稱磁王的釹鐵硼(NdFeB)系永磁合金，其(BH)max達到了302.5 kJ/m3?，F(xiàn)代的NdFeB 系永磁合金(BH)max已高達460 kJ/m3。

2.2 主動磁軸承(AMB)

主動磁軸承通過主動控制電流大小來調(diào)節(jié)電磁鐵產(chǎn)生的電磁力，將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在空間，使轉(zhuǎn)子與磁軸承之間沒有任何機械接觸，是一種高性能的機電一體化軸承。主動磁懸浮軸承按照在磁懸浮風力機上應(yīng)用形式的不同分為主動徑向磁軸承(圖6)和主動軸向磁軸承(圖7)。其中主動徑向磁軸承結(jié)構(gòu)分為徑向和軸向兩種結(jié)構(gòu)。

圖6 主動徑向磁軸承結(jié)構(gòu)

圖7 主動軸向磁軸承結(jié)構(gòu)

2.3 混合磁軸承(HMB)

與前兩種相比，混合磁軸承的特點是［4-5］:(1)由永磁鐵提供偏置磁場，電磁鐵僅提供負載或者外界干擾的控制磁場，這就可以避免系統(tǒng)因為偏置電流所產(chǎn)生的功耗，降低繞組的發(fā)熱量;(2)其電磁鐵所需的安匝數(shù)相比主動磁懸浮軸承要減少很多，這就有利于縮小軸承體積，節(jié)省材料;(3)混合磁軸承承載力取決于永磁體提供的內(nèi)部磁動勢，磁動勢越大，承載力就越大。所以混合式磁懸浮軸承具有質(zhì)量輕、體積小、效率高等優(yōu)點，通常適用于微型化、體積小的場合，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 混合磁軸承結(jié)構(gòu)

2.4 超導磁懸浮支承方式

超導磁懸浮是近年隨著科技發(fā)展而逐步興起的新型磁懸浮支承方式，它主要利用超導體的磁絕緣性(超導體是唯一的磁絕緣體)，采用永磁體和超導磁體的聯(lián)合懸浮。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的方向，超導磁懸浮軸承可分為立式和平式。在立式的軸承中，因超導體(SC)和永磁體(PM)的相互位置不同又可分為套筒式(圖9(a))和相對平放式(圖9(b))。

圖9 超導磁懸浮軸承

3 磁懸浮風力機的結(jié)構(gòu)類型

與磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的分類類似，磁懸浮風力機按照磁懸浮類型來分可分為永磁懸浮風力機、電磁懸浮風力機、混合磁懸浮風力機。

3.1 永磁(被動)懸浮風力機

我國對磁懸浮風機的研究始于21世紀初，以MUCE 為研發(fā)主體，2002年即推出首臺采用永磁懸浮技術(shù)和自動迎風護罩式技術(shù)相結(jié)合的新型垂直軸風機，并于2007年將功率擴展至200 W 以上，處于世界領(lǐng)先。自2006年我國完成世界首臺全永磁懸浮風力機以來，國內(nèi)部分高校開始對磁懸浮支承技術(shù)在風力機上的應(yīng)用展開了研究。

永磁懸浮風力機是被動磁軸承在風力機上應(yīng)用的體現(xiàn)形式。武漢理工大學［3］率先對永磁懸浮風力機展開了系統(tǒng)的研究，設(shè)計了小型水平軸永磁懸浮風力機(圖10)，和傳統(tǒng)的風力機相比，用徑向磁軸承取代了滾動軸承，軸向通過調(diào)節(jié)徑向磁軸承內(nèi)、外磁環(huán)的軸向偏移產(chǎn)生向后軸端的軸向力，通過主軸軸端的小鋼球進行約束，是一種典型的水平軸被動磁懸浮風力機結(jié)構(gòu)。在被動磁懸浮支承方面，北京航空航天大學［6］提出一種軸向磁軸承采用錐形被動磁軸承的磁懸浮風力機方案，在國外學者提出的錐形軸向被動磁軸承結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了永磁偏置磁軸承徑向承載的主、被動相結(jié)合的風力機磁支承方案，并對錐形被動磁軸承的力學特性及結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。華南理工大學［7］提出了一種新型的雙轉(zhuǎn)子永磁同步風力機，前后兩個螺旋槳，設(shè)計了集風套桶，可以二次利用風能，降低啟動風速，提高風能利用率。華東理工大學［8］對垂直軸磁懸浮風力機用永磁軸承及葉片進行分析計算，為了使磁性材料充分發(fā)揮其磁性能，對給定的磁性材料本身特點進行分析，挖掘出其最大積點，并推導出其最佳工作尺寸。沈陽工業(yè)大學［9］設(shè)計出大型低速永磁風力機，分別從減少有效材料用量、降低成本，提高效率和容錯性能，改善冷卻性能及減重幾個方面對永磁風力機進行性能優(yōu)化研究，并研制出大型低速永磁風力機樣機。

圖10 永磁懸浮風力機示意圖

目前，為了體現(xiàn)商業(yè)價值，國外對磁懸浮風力機的研究方向主要為永磁風力機。為提高效率，環(huán)球風能科技有限公司(Global Wind Technology Inc.簡稱GWT)設(shè)計了世界上第一臺可商業(yè)化的磁懸浮垂直風力機［10］。商用的一般為小型軸向磁通永磁風力機，比較具有代表性的是法國Jeumont 公司早在2004年開發(fā)的750 kW 直驅(qū)式軸向磁通永磁風力機。在大型磁懸浮風力機上，荷蘭代爾夫特工業(yè)大學對MW 級橫向磁通永磁風力機的電磁結(jié)構(gòu)進行了比較和設(shè)計［11］。并與英國愛丁堡大學在2010年聯(lián)合提出一種新型磁懸浮軸承支承風力機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，大大減少了大型直驅(qū)風力機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。對于一個5 MW 的風力機，采用磁懸浮軸承支承比采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)支承的轉(zhuǎn)子質(zhì)量減少了45%［12］。

3.2 電磁(主動)懸浮風力機

電磁懸浮風力機是采用磁軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)風力機的機械支承。山東科技大學［13］研究的磁懸浮風力機為水平軸電磁懸浮結(jié)構(gòu)，其風輪和發(fā)電機直接耦合，將傳統(tǒng)的機械接觸支承換為主動磁軸承(圖11)，徑向采用前后兩個徑向磁軸承支承，軸向采用軸向推力磁軸承支承。其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由主軸、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、保護軸承、位移傳感器和主動磁軸承等組成，是一種典型的水平軸主動磁懸浮風力機。

圖11 磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖

3.3 混合磁懸浮風力機

混合磁懸浮風力機綜合應(yīng)用了主動、被動磁支承的特點。江蘇大學［14］設(shè)計了一種可用于垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的徑向四自由度直流混合磁懸浮支承系統(tǒng)，運用最優(yōu)控制原理，采用線性二次型方法設(shè)計了其控制系統(tǒng)。設(shè)計的混合磁軸承支承系統(tǒng)由兩個二自由度直流混合磁軸承、轉(zhuǎn)子、傳感器、電機、輔助軸承、鋼珠等部分組成，是一個典型的垂直軸混合磁懸浮支承系統(tǒng)(圖12)，其特點是:兩個混合磁懸浮徑向軸承限制了主軸在徑向的4 個自由度，軸向通過小鋼球定位，由布置在主軸兩端的機械球軸承提供輔助支承，徑向精度由電控系統(tǒng)保證。燕山大學［15］對垂直軸磁懸浮風力機轉(zhuǎn)子展開了系統(tǒng)控制研究，設(shè)計了基于模糊算法的滑模控制器，魯棒性好，能有效地抑制外界干擾。此外，為了保持系統(tǒng)良好的動態(tài)性能，將以自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)為基礎(chǔ)的ANFIS-PID 控制器應(yīng)用于磁懸浮風力機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中。設(shè)計的垂直軸磁懸浮風力機通過永磁軸承限制了徑向的4 個自由度，利用主動磁懸浮軸承限制軸向的自由度，從而實現(xiàn)主軸在5 個自由度的穩(wěn)定懸浮(圖13)。這種電磁軸承和永磁軸承相結(jié)合的混合磁懸浮方案，改善了風力機的啟動性能，大大提高了其風能轉(zhuǎn)化效率，同時實現(xiàn)了微噪聲。此外，山東大學［16］研制出新型風光互補路燈系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在可調(diào)槳距及低速發(fā)電，研制的離網(wǎng)型小型磁懸浮軸承垂直軸自調(diào)槳距風力機適用于山區(qū)、湖邊、漁船海上作業(yè)、高速公路等環(huán)境。香港理工大學［17］提出了一種新型磁懸浮軸承支承垂直軸風力機，并通過有限元法(FEM)對樣機模型中磁軸承的低扭矩進行分析，驗證了其可行性。

圖12 混合磁支承結(jié)構(gòu)

圖13 磁懸浮風力機系統(tǒng)

4 發(fā)展趨勢與研究方向

磁懸浮風力機的研究尚處于起步階段，隨著翼型優(yōu)化技術(shù)，多種能源互補技術(shù)，先進的計算機建模與仿真技術(shù)，并網(wǎng)技術(shù)等先進的技術(shù)應(yīng)用到磁懸浮風力機中，磁懸浮風力機的氣動性能，風能利用率將大大提高。

4.1 發(fā)展趨勢

磁懸浮風力機主要呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢:

(1)風力機用磁懸浮支承，將以永磁軸承為主導，電磁為輔;磁懸浮支承技術(shù)在風力機上應(yīng)用的范圍將以小型垂直軸風力機為主體;

(2)將磁懸浮風力機主軸系統(tǒng)各功能部件(輔助支承、磁軸承、發(fā)電機、接線器)模塊化;

(3)注重相關(guān)技術(shù)的研究，如磁性材料性能、位移反饋技術(shù)、先進控制技術(shù)等，這些是提高磁懸浮支承性能的基礎(chǔ);

(4)磁支承技術(shù)在風力機上的應(yīng)用形式將向多元化發(fā)展，例如，美國將磁懸浮支承技術(shù)應(yīng)用到風力機葉片上［18］;曲阜師范大學研究了將磁支承技術(shù)應(yīng)用到風力機偏航系統(tǒng)(對風調(diào)節(jié)機構(gòu))中。

4.2 研究方向

對風力機用磁懸浮支承技術(shù)研究的目的是，減小損耗，提高風能利用率，滿足應(yīng)用要求。磁支承的性能主要包括動態(tài)性能以及剛度、阻尼和穩(wěn)定性、功耗、機械特性、熱特性等。磁懸浮支承系統(tǒng)是一個復雜的機電磁混合系統(tǒng)，為了提高其性能可從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制研究入手，并通過試驗驗證。

4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁懸浮風力機包括葉輪、主軸轉(zhuǎn)子、定子(支撐)、磁軸承、傳感器、輔助支承等機械結(jié)構(gòu)。

(1)葉片設(shè)計

葉片是風力機中的關(guān)鍵部件之一，其高效接收風能的翼型，合理的升阻比、尖速比和葉片扭角是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。因此，葉片的設(shè)計分析理論、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、葉片氣動分析、翼型設(shè)計、材料選擇、制造工藝以及動力學設(shè)計、防雷措施等成為風力機研究的熱點［19］。此外，為了進一步提高風力機機械性能，將可變安裝角技術(shù)和葉片開縫技術(shù)應(yīng)用到磁懸浮風力機葉片上將大大提高其效率，是風力機葉片新的研究方向。

(2)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的面較廣，在此主要就兩個問題進行討論。發(fā)電時的磁阻以及葉片、主軸、軸承、發(fā)電機鐵芯的自身質(zhì)量所產(chǎn)生的阻力矩是風力機效率提高的主要障礙，要提高風力機的啟動性能，在提供相同大小電磁力的情況下，對磁軸承的質(zhì)量進行最小優(yōu)化設(shè)計，以及在滿足要求下對磁懸浮風力機主軸優(yōu)化設(shè)計是開發(fā)成熟的磁懸浮風力機的必經(jīng)之路。其次，傳統(tǒng)的風力機對冷卻沒有特殊要求，因此磁懸浮風力機的冷卻問題容易被忽略。熱特性是磁支承的重要特性，設(shè)計合理的冷卻系統(tǒng)是保證磁支承提供穩(wěn)定電磁力的基礎(chǔ)，此外，運用有限元分析理論，結(jié)合風力機的機械結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計自動風冷結(jié)構(gòu)也是新的研究方向。

(3)磁軸承設(shè)計

磁軸承是磁懸浮風力機的關(guān)鍵部件，磁軸承設(shè)計的任務(wù)是使磁支承的推力及穩(wěn)定性(推力波動)達到設(shè)計要求。目前，國內(nèi)外研究人員提出了多種磁軸承結(jié)構(gòu)形式，已從單一化的軸向、徑向結(jié)構(gòu)發(fā)展到軸向徑向一體化的三自由度軸承結(jié)構(gòu)和完整的五自由度磁軸承結(jié)構(gòu)。磁軸承類型比較分析，磁性材料的特性研究，磁軸承的承載特性研究，低功耗、結(jié)構(gòu)簡單型磁軸承的研究，高精度、加工難度小、低漏磁的磁軸承研究，磁軸承的容錯、冗余功能研究，以及磁軸承與無軸承電機的一體化研究將成為磁懸浮風力機用磁軸承的研究方向。另外，磁懸浮風力機是一個典型的機電磁一體化系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)將減小磁場間的耦合作用納入磁軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化的范疇［20-21］。

4.2.2 控制研究

控制技術(shù)研究是磁懸浮風力機設(shè)計的另一重點和難點。磁懸浮風電系統(tǒng)運行時由風輪直接驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)子，這樣外界風速的變化就直接作用于主軸上;鳥類撞擊、雨水沖擊、雪凍堆積等外界擾動也未經(jīng)衰減就直接作用于風力機主軸上;磁軸承參數(shù)的變化也直接影響著風力機的運行。這些因素都給磁懸浮風力機的控制帶來困難?？刂扑惴ㄖ斜仨氁獙@些負載和擾動予以抑制或補償，否則將造成系統(tǒng)失衡。因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)達到動態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小、自適應(yīng)性好、抗干擾能力強、魯棒性好、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高等要求。磁懸浮風力機不同的結(jié)構(gòu)形式及不同的應(yīng)用場所對控制算法的要求不盡相同，應(yīng)根據(jù)實際情況選取合理的控制方法。目前，磁懸浮風力機采用的控制策略主要有傳統(tǒng)的模糊控制、滑?？刂?、PID 控制，現(xiàn)代的滑模變結(jié)構(gòu)控制、智能控制、模糊PID 控制、模糊滑?？刂?、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、H∞控制等［16］。

控制器的性能決定了磁懸浮風電系統(tǒng)的動態(tài)性能及剛度、阻尼和穩(wěn)定性。目前采用廣泛的模擬控制技術(shù)在一定程度上滿足了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但與數(shù)字控制技術(shù)相比，有在線調(diào)節(jié)性能差、難實現(xiàn)復雜控制、互換性差、功耗大、體積大等局限性。因此，從提高磁懸浮風電系統(tǒng)性能、可靠性、增強控制器柔性、減小體積和功耗和今后往智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展角度看，控制系統(tǒng)的數(shù)字化將成為磁懸浮風電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究方向。

4.2.3 試驗驗證

理論研究是設(shè)計的基礎(chǔ)，但要驗證磁懸浮風力機的性能，歸根到底要通過試驗驗證。傳統(tǒng)風力機的性能檢測技術(shù)已成熟，并趨于標準化，但磁懸浮風力機的性能試驗方法尚未統(tǒng)一。因此，為了進一步促進理論研究，研究高效準確的磁懸浮風力機性能試驗方法也將成為一個重要的課題。準確測量啟動扭矩、轉(zhuǎn)速、主軸徑向偏移等參數(shù)是實驗研究的關(guān)鍵，如有必要還需設(shè)計專門的試驗臺。

在理論計算的基礎(chǔ)上對設(shè)計方案進行優(yōu)化，進一步制造出樣機，并通過樣機的性能試驗驗證方案的可行性。一臺性能優(yōu)良的磁懸浮風力機要經(jīng)過多次反復驗算、試驗才能制造出來。

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