主動(dòng)磁懸浮軸承在余熱發(fā)電機(jī)的應(yīng)用分析

董如昊　魏志韜　鄧艷

摘 要：隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，可再生能源發(fā)電技術(shù)逐漸發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。余熱發(fā)電技術(shù)是利用工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的熱量和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽，經(jīng)鍋爐轉(zhuǎn)換后得到穩(wěn)定可靠的蒸汽，再經(jīng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。在余熱發(fā)電系統(tǒng)中，有相當(dāng)一部分設(shè)備采用了磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是一種不依靠任何傳統(tǒng)機(jī)械連接的新型智能軸承，它沒有傳統(tǒng)軸承固有的摩擦、磨損、發(fā)熱等問題，可在更寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。利用磁懸浮技術(shù)可以有效地消除機(jī)械磨損和機(jī)械摩擦，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。隨著社會(huì)對(duì)能源需求的增加和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)能源效率提出了更高的要求，磁懸浮軸承系統(tǒng)由于具有顯著的節(jié)能效果和較高的安全性而成為研究熱點(diǎn)之一。本文通過對(duì)主動(dòng)磁懸浮軸承工作原理與特點(diǎn)的介紹，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用分析了主動(dòng)磁懸浮軸承在余熱發(fā)電中應(yīng)用所面臨的問題和解決措施，以期為以后工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：余熱發(fā)電機(jī) 主動(dòng)磁懸浮軸承 研究分析

余熱發(fā)電機(jī)是一種將工業(yè)生產(chǎn)中的高溫氣體、液體等進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)化成電能的裝置。利用余熱發(fā)電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，降低單位產(chǎn)品能耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。而轉(zhuǎn)子是余熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量與穩(wěn)定性直接影響著余熱發(fā)電系統(tǒng)的工作性能和安全運(yùn)行。 磁懸浮軸承具有無接觸、高精度、自潤(rùn)滑、高速和節(jié)能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速交通工具等領(lǐng)域。利用磁懸浮軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，可將轉(zhuǎn)子所受的徑向力轉(zhuǎn)化為軸向力，從而簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；同時(shí)，磁懸浮軸承具有無接觸的特性，能夠消除機(jī)械磨損和渦動(dòng)，有效降低了摩擦損耗。

1 磁懸浮軸承工作原理與特點(diǎn)

磁懸浮軸承是一種基于電磁原理的新型機(jī)械軸承，它利用電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，無需傳統(tǒng)的機(jī)械接觸，消除了傳統(tǒng)軸承的摩擦、磨損、發(fā)熱等問題。與傳統(tǒng)軸承相比，主動(dòng)磁懸浮軸承具有以下優(yōu)點(diǎn)：①無機(jī)械接觸；②無磨損；③無噪聲；④低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高精度；⑤不需潤(rùn)滑和冷卻。磁懸浮軸承的工作原理是：通過磁懸浮裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子之間的無接觸懸浮，通過改變電磁力大小使轉(zhuǎn)子懸浮在定子周圍，同時(shí)利用磁極間的相互作用力將轉(zhuǎn)子從定子中“吸”出來。由于磁場(chǎng)被隔離在轉(zhuǎn)子與定子之間，因此轉(zhuǎn)子不會(huì)發(fā)生機(jī)械磨損和磨損。此外，磁懸浮軸承不需要潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)，這就大大減少了能量消耗。在工作過程中，磁懸浮軸承一般都工作在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其工作轉(zhuǎn)速為零。例如：在低速汽輪機(jī)中一般采用主動(dòng)磁懸浮軸承，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于500r/min時(shí)，可采用被動(dòng)式磁懸浮軸承；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于500r/min時(shí)，可采用主動(dòng)式磁懸浮軸承。雖然主動(dòng)磁懸浮軸承具有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于其自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高以及對(duì)環(huán)境有一定的污染等問題的存在，使得它在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題。目前的主動(dòng)磁懸浮軸承主要是通過磁力控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮和高速旋轉(zhuǎn)。采用主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)可大大提高電機(jī)的效率、功率密度以及運(yùn)行可靠性，同時(shí)還可以降低系統(tǒng)噪聲和振動(dòng)。此外，與傳統(tǒng)的機(jī)械軸承相比，主動(dòng)磁懸浮軸承具有承載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、無摩擦、無磨損和無油污染等優(yōu)點(diǎn)。主動(dòng)磁懸浮軸承采用磁軸承控制系統(tǒng)，磁懸浮軸承控制系統(tǒng)包括兩部分：控制器和控制系統(tǒng)?？刂破魇菍?shí)現(xiàn)主動(dòng)磁懸浮軸承控制的核心，它的設(shè)計(jì)是否合理直接影響到系統(tǒng)的性能；控制系統(tǒng)是對(duì)控制器的控制特性進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子位置和速度等參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。 在實(shí)際運(yùn)行中，需要通過實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置和速度等參數(shù)，然后由控制器計(jì)算出轉(zhuǎn)子所需的最優(yōu)電流、位置和速度，并將其反饋給控制器，使轉(zhuǎn)子按照設(shè)定好的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。通過這種方式，主動(dòng)磁懸浮軸承可以有效地將轉(zhuǎn)子的位移控制在設(shè)定值附近。

2 余熱發(fā)電系統(tǒng)組成

余熱發(fā)電系統(tǒng)主要由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)組成。鍋爐是余熱發(fā)電系統(tǒng)中最主要的設(shè)備，其作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝┢啓C(jī)做功。通常，余熱發(fā)電系統(tǒng)采用的鍋爐類型有三種：過熱蒸汽鍋爐、過熱蒸汽與飽和蒸汽鍋爐、飽和蒸汽與過熱蒸汽混合鍋爐。由于不同類型的余熱發(fā)電系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)，因此余熱發(fā)電系統(tǒng)通常采用兩種方案。第一種是將過熱蒸汽鍋爐與過熱蒸汽與飽和蒸汽鍋爐合二為一，這樣既可以利用過熱蒸汽鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽提高汽輪機(jī)效率，又可以利用飽和蒸汽鍋爐產(chǎn)生的飽和汽提高汽輪機(jī)效率。對(duì)于余熱發(fā)電系統(tǒng)而言，汽輪機(jī)是余熱發(fā)電系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一。在余熱發(fā)電系統(tǒng)中，通過將熱量轉(zhuǎn)化為電力可以實(shí)現(xiàn)余熱發(fā)電的目的，因此汽輪機(jī)是余熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一。對(duì)于余熱發(fā)電系統(tǒng)而言，汽輪機(jī)可分為單缸和雙缸兩種類型。單缸類型主要用于單級(jí)中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，雙缸類型主要用于多級(jí)中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。單缸余熱發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和定子鐵心組成。轉(zhuǎn)子由主軸、平衡盤、偏心盤和固定盤組成。定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心通過定子繞組連接，轉(zhuǎn)子固定在轉(zhuǎn)子軸上，并由軸承支承在定子上。單缸余熱發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量較輕，并且具有較大的工作轉(zhuǎn)速范圍（從5000～30000r/min），因此單缸余熱發(fā)電機(jī)在機(jī)組中應(yīng)用較為廣泛。雙缸余熱發(fā)電機(jī)通常采用雙級(jí)汽輪機(jī)，其特點(diǎn)是將兩臺(tái)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子組成一個(gè)整體共同工作。這種結(jié)構(gòu)既能充分利用兩臺(tái)汽輪機(jī)的性能特點(diǎn)，又可以簡(jiǎn)化汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，降低機(jī)組的成本。雙缸余熱發(fā)電機(jī)主要用于大型核電站、火力發(fā)電廠、熱電廠等對(duì)電能質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。

3 應(yīng)用分析

某公司采用了一臺(tái)國(guó)產(chǎn)2MW的余熱發(fā)電機(jī)，其主要由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、主動(dòng)磁懸浮軸承和變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。汽輪機(jī)部分由汽輪機(jī)本體和輔助設(shè)備組成。其中，主動(dòng)磁懸浮軸承安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，作為轉(zhuǎn)子的支承。采用磁懸浮軸承后，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低運(yùn)行成本。在實(shí)際應(yīng)用中，由于磁懸浮軸承的質(zhì)量大，因此需要在結(jié)構(gòu)上采取一定的措施來確保其穩(wěn)定性。主要有以下幾種措施：（1）將轉(zhuǎn)子采用無源的方式懸浮于定子上，這樣可以有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；（2）利用主動(dòng)磁懸浮軸承的電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行主動(dòng)控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)地糾正偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而消除轉(zhuǎn)子與定子之間的相對(duì)位移，使系統(tǒng)回到原始穩(wěn)定狀態(tài)；（3）對(duì)電機(jī)進(jìn)行減振降噪處理，使軸承在運(yùn)行時(shí)盡量減少振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響；（4）安裝溫度傳感器對(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和控制。此外，還可以采取以下措施來提高主動(dòng)磁懸浮軸承的性能：①加強(qiáng)對(duì)磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝等方面的研究。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理時(shí)可以大大降低其制造成本。制造工藝不合理時(shí)會(huì)導(dǎo)致其工作性能差或不穩(wěn)定。②采用先進(jìn)的控制算法，提高系統(tǒng)控制性能。例如采用自適應(yīng)算法、模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。③采用智能控制系統(tǒng)。通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析來進(jìn)行磁懸浮軸承參數(shù)調(diào)節(jié)。④選擇合適的材料。由于磁懸浮軸承是一種強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，因此對(duì)材料的要求較高，在設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格控制材料質(zhì)量和熱處理工藝等。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

磁懸浮軸承的懸浮特性主要取決于轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)和磁懸浮軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)。磁懸浮軸承的支承剛度和阻尼直接影響其懸浮特性，而磁懸浮軸承的控制精度則直接決定其工作性能。為提高磁軸承的控制精度，本文利用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的磁軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究。 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由支撐結(jié)構(gòu)、磁懸浮軸承、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由6個(gè)單自由度懸臂轉(zhuǎn)子構(gòu)成，每個(gè)轉(zhuǎn)子分別懸掛有一個(gè)磁懸浮軸承。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用了一臺(tái)功率為90W的主動(dòng)磁懸浮軸承，使用兩個(gè)位移傳感器分別對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量位移信號(hào)的大小和方向，并對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過調(diào)節(jié)主動(dòng)磁懸浮軸承的電流大小和轉(zhuǎn)速，可得到轉(zhuǎn)子在不同狀態(tài)下的受力情況。主動(dòng)磁懸浮軸承對(duì)轉(zhuǎn)子具有較強(qiáng)的支撐能力，能夠承受轉(zhuǎn)子所受的徑向力；當(dāng)電流在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，轉(zhuǎn)子能保持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。當(dāng)電流過大時(shí)，可能會(huì)引起轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦動(dòng)；電流過小時(shí)，轉(zhuǎn)子也無法穩(wěn)定懸浮。因此，應(yīng)通過調(diào)節(jié)主動(dòng)磁懸浮軸承的電流大小來控制轉(zhuǎn)子懸浮高度。在余熱發(fā)電機(jī)中使用主動(dòng)磁懸浮軸承也面臨著一些問題。首先，由于余熱發(fā)電機(jī)內(nèi)部工作環(huán)境惡劣，溫度高、濕度大，因此對(duì)軸承的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。其次，由于磁懸浮軸承需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要有較高的維護(hù)成本。最后，由于磁懸浮軸承需要使用稀土材料進(jìn)行制造和加工，因此對(duì)材料性能和加工工藝提出了更高的要求。 為了解決這些問題，可以采取以下措施：選擇合適的材料和制造工藝。在選擇磁懸浮軸承時(shí)，要考慮到材料性能、制造工藝和維護(hù)成本等因素，以保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。采用先進(jìn)的控制算法。采用先進(jìn)的控制算法可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也可以降低系統(tǒng)的維護(hù)成本。優(yōu)化磁懸浮軸承設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)磁懸浮軸承時(shí)要考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、可維護(hù)性等因素，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)。選擇合適的安裝方式。例如可以采用固定安裝、滑動(dòng)安裝或者轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)安裝等方式進(jìn)行安裝。在使用磁懸浮軸承期間要定期進(jìn)行維護(hù)和檢查，以保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 發(fā)展與展望

隨著科技的發(fā)展，主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。它具有高轉(zhuǎn)速、低噪音、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，其中余熱發(fā)電機(jī)就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。 余熱發(fā)電機(jī)是一種用于回收和利用工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫余熱的設(shè)備，它可以將工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能。由于余熱發(fā)電機(jī)通常需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，因此其軸承系統(tǒng)需要具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)正是為了滿足這一要求而出現(xiàn)的。 主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)是指利用磁軸承技術(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。磁軸承技術(shù)是一種新型的軸承技術(shù)，它可以在不影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮和旋轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的軸承相比，主動(dòng)磁懸浮軸承具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 首先，主動(dòng)磁懸浮軸承可以提供更高的轉(zhuǎn)速和更低的噪音。由于磁軸承技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮和旋轉(zhuǎn)，因此它可以提供更高的轉(zhuǎn)速和更低的噪音。此外，由于磁軸承技術(shù)可以使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在空中，因此它還可以減少對(duì)設(shè)備的磨損和維護(hù)費(fèi)用。 其次，主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，由于磁軸承技術(shù)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，因此它還可以減少故障發(fā)生的概率，提高設(shè)備的使用壽命。 最后，主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)可以降低系統(tǒng)成本。此外，由于磁軸承技術(shù)可以減少對(duì)設(shè)備損壞和維護(hù)費(fèi)用，因此它還可以提高設(shè)備的使用壽命和可靠性。 綜上所述，主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)是一種非常有前景的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)技術(shù)。它具有高轉(zhuǎn)速、低噪音、低磨損、低維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，在余熱發(fā)電機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮到主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和維護(hù)等方面因素，以保證設(shè)備性能和安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié)語

綜上所述，磁懸浮軸承是一種新型的智能軸承，它不僅能消除機(jī)械磨損，還能消除機(jī)械摩擦，并具有可調(diào)節(jié)、無接觸、高轉(zhuǎn)速、低功耗等特點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，因而在航空航天、高速列車、風(fēng)電等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)很多，例如無需潤(rùn)滑與冷卻，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，摩擦系數(shù)低，因而在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備中有著良好的應(yīng)用前景；同時(shí)它具有無接觸的特點(diǎn)，能保證高速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子與軸承不產(chǎn)生相對(duì)位移，從而降低了機(jī)械磨損，提高了可靠性；由于軸承內(nèi)部沒有摩擦和磨損等因素的影響，因而具有無噪聲和低振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。將主動(dòng)磁懸浮軸承應(yīng)用于余熱發(fā)電中可以提高發(fā)電效率、降低能耗。然而由于磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、控制算法實(shí)現(xiàn)難度大等原因，其在余熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用還需要克服許多問題。目前已有一些公司生產(chǎn)了一些磁懸浮軸承原型產(chǎn)品并投入了工程應(yīng)用。但是這些產(chǎn)品與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有一定差距。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，磁懸浮軸承技術(shù)必將得到進(jìn)一步發(fā)展和完善，將會(huì)有更多的科研成果被應(yīng)用到實(shí)際工程中。

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