直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)徑向—軸向混合磁軸承設(shè)計(jì)及研究

張彥國

摘 要：目前對(duì)新能源的使用程度不斷加大，為提高對(duì)于風(fēng)能的利用效率，需要解決直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械摩擦問題。在傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)得到了徑向-軸向混合磁軸承。針對(duì)該軸承可以采用等效磁路法進(jìn)行相關(guān)模型的建立，對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析，不斷改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)軸承的穩(wěn)定懸浮。

關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；徑向-軸向混合磁軸承；進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)和研究

1 新型發(fā)電機(jī)性能的決定因素以及混合磁軸的優(yōu)勢

1.1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率的決定因素

人類經(jīng)濟(jì)水平不斷發(fā)展，地球上的煤炭、石油和天然氣等一系列不可再生的資源被不斷消耗。為應(yīng)對(duì)好資源危機(jī)需要各個(gè)國家找到探索新能源的方法。在多種資源利用中最為常見的就是對(duì)風(fēng)能的利用，根據(jù)研究表明風(fēng)力發(fā)電總量占到全球發(fā)電總量的20%。

根據(jù)多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以知道直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的好壞主要是由啟動(dòng)時(shí)的風(fēng)速來決定的。輸出同樣電能時(shí)啟動(dòng)風(fēng)速越低，可覆蓋范圍越大，這樣發(fā)電的時(shí)間也就越長。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子主要采用的是滾動(dòng)軸承，這樣的軸承會(huì)使各系統(tǒng)之間的摩擦頻率升高，使風(fēng)速增高，導(dǎo)致對(duì)風(fēng)能的使用效率降低[1]。

1.2 徑向-軸向混合磁軸承的優(yōu)勢

使用徑向-軸向混合磁軸承時(shí)可以極大地提高對(duì)風(fēng)能的使用效率，轉(zhuǎn)子主要是依靠磁場力來懸浮的，此時(shí)定子和轉(zhuǎn)子之間是沒有接觸的這樣就有助于降低風(fēng)速，這是該軸承的優(yōu)勢之一。在成本方面由于沒有接觸也就降低了潤滑劑的使用成本，不僅減少了對(duì)環(huán)境的污染，而且還免除了維護(hù)和維修的費(fèi)用；傳統(tǒng)的軸承精度會(huì)受到多方面的影響，但是如果想要提高磁軸承的精度只需要提高位移傳感器的精度，這樣就使提高精度的過程變的比較簡單。磁軸承的變剛度以及阻尼系數(shù)都是由相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行控制的，因此在一定的范圍內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣會(huì)使軸承的性能得到提升。與傳統(tǒng)的軸承相比較，徑向-軸向混合磁軸承的優(yōu)勢明顯[2]。

2 徑向-軸向混合磁軸承設(shè)計(jì)過程

一般的磁軸承都是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在多個(gè)方位上的部分支撐，無法在全方位上都采用磁軸的支撐，這樣會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)風(fēng)速降低程度較小。因此需要設(shè)計(jì)一種新的磁軸承來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在全方位上的支撐，這就出現(xiàn)了徑向-軸向混合磁軸承。這種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在徑向上采用磁力軸承進(jìn)行支撐，在軸向上主要依靠機(jī)械力進(jìn)行約束。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用的方法是有限元的方法，進(jìn)行磁路分析以及軸承結(jié)構(gòu)的研究時(shí)，需要對(duì)磁軸承的磁環(huán)高度和可疊加的磁環(huán)數(shù)進(jìn)行記錄。

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要包括了發(fā)電機(jī)、風(fēng)葉、轉(zhuǎn)軸、機(jī)械軸承以及磁軸承等。在進(jìn)行新型軸承的設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)直驅(qū)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖來進(jìn)行。根據(jù)新型軸承的三維結(jié)構(gòu)圖可以看出此軸承是由軸向定子、軸向控制線圈以及磁極上的徑向定子、徑向控制線圈和徑向充磁體等組件構(gòu)成。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要保證軸承工作時(shí)控制線圈可以對(duì)軸向的任何位置都進(jìn)行控制。線圈可以通過產(chǎn)生交流電流來使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生位移。徑向定子鐵芯由硅鋼片制成，永久磁體采用了硼材料。

在徑向和軸向都穩(wěn)定懸浮的情況下，轉(zhuǎn)子一般在永磁場當(dāng)中的位置都是懸浮的中間位置，這是由于存在靜態(tài)偏置磁場力。軸向定子、軸向氣隙與轉(zhuǎn)子之間構(gòu)成回路，徑向控制磁通在徑向定子、徑向氣隙和轉(zhuǎn)子之間也構(gòu)成了回路。根據(jù)研究可知軸向控制磁通和徑向控制磁通之間互不干擾，也不存在磁路耦合現(xiàn)象。氣隙磁通是由靜態(tài)偏置磁通和控制磁通這兩個(gè)部分進(jìn)行疊加得到的。在完成研究設(shè)計(jì)之后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子無論受到向右還是向左的外環(huán)境干擾，軸向控制器都會(huì)控制線圈中的電流，磁通的合成是由左右氣隙決定的，不斷調(diào)節(jié)氣隙的大小就可以保持轉(zhuǎn)子一直都在平衡位置[3]。

3 對(duì)磁軸數(shù)學(xué)模型的研究

在進(jìn)行軸承的設(shè)計(jì)時(shí)為簡化相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算可以使用數(shù)學(xué)模型。假設(shè)只考慮永磁體內(nèi)外兩面漏磁，將整個(gè)磁路系統(tǒng)看成是漏磁磁阻和有效磁阻并聯(lián)的形式，忽略鐵芯磁阻、轉(zhuǎn)子磁阻以及渦流損耗等因素可以得到徑向-軸向混合磁軸的磁路等效圖。根據(jù)基爾霍夫的磁路定律可以利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出各個(gè)氣隙之間的磁導(dǎo)，其中真空磁導(dǎo)率用u表示，分別研究施加控制磁通之前和之后的合成磁通大小，發(fā)現(xiàn)在數(shù)值上與磁極控制的線圈匝數(shù)有關(guān)。利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行徑向-軸向混合磁軸承的設(shè)計(jì)和研究可以簡化計(jì)算過程，利用數(shù)據(jù)比較結(jié)果找出磁軸在應(yīng)用過程中可能存在的問題并不斷改進(jìn)，這樣有助于新型混合磁軸的發(fā)展[4]。

4 總結(jié)

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部使用徑向-軸向混合磁軸承可以降低風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)速度。上述內(nèi)容針對(duì)該軸承的設(shè)計(jì)過程從工作原理，磁場分析以及試驗(yàn)的角度進(jìn)行了研究改進(jìn)，驗(yàn)證了樣機(jī)磁軸承理論建模以及進(jìn)行數(shù)字控制的合理性。在新型軸承設(shè)計(jì)的過程中提出的控制方法對(duì)磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)和可進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的軸承的深入研究都有著一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉邦鵬.鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)探討[J].工程技術(shù)研究，2018（03）：51-52.

[2]李孟豪.探討鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)[J].電子測試，2016（08）：91-92.

[3]朱熀秋，朱利東，吳曉軍.直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)徑向-軸向混合磁軸承設(shè)計(jì)及分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2013，42 （11）：1-5.

[4]李佳蔚.鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)介紹[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2011，8（05）：20-23.