直驱风力发电机径向-轴向混合磁轴承设计及分析.pdfVIP

2013年 11月 第42卷 第 11期 机械设计与制造工程 Machine Design and Manufacturing Engineering NOV．2013 V01．42 No．11 DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2013．II．001 直驱风力发电机径向 一轴向混合磁轴承设计及分析 朱烷秋 ，朱利东 ，吴晓军 (1．江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013) (2．东南大学 后勤中心，江苏 南京 210018) 摘要：为解决或降低传统直驱风力发电机 系统的机械摩擦问题，以有效提高风能利用率，提 出直 驱风力发电机采用机械轴承和磁悬浮轴承集成支承技术，即采用机械轴承和径向 一轴向三 自由 度混合磁轴承实现直驱风力发电机的集成支承。针对径向一轴向三自由度混合磁轴承，采用等 效磁路法进行数学建模，并利用有限元分析软件对其进行参数设计与机理分析。在此基础上，构 建了径向一轴向三 自由度磁轴承试验平台，试验结果证明设计的径向 一轴向三 自由度磁轴承能 够实现稳定悬浮。 关键词：风力发电机；磁悬浮轴承；有限元分析；数学模型 中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：2095—509X(2013)11—0001—05 随着经济快速发展，地球上的煤炭、石油、天然 气等能源正被迅速消耗。为了应对迟早出现的能 源危机，世界各国纷纷探索新型清洁能源的出路。 风能作为一种可再生的清洁能源，受到了世界各国 的广泛关注。根据世界风能协会的统计，预计到 2030年，世界风力发电总量将占全球发电总量的 20％ ⋯ 。 决定风力发电机(简称风机)性能的一个重要 指标是其启动风速，特指风机有效输出电能时的最 低风速，启动风速越低 ，可利用的风速范围越广，风 机的年发电时间也越长。传统风机转子采用滚动 轴承支承，机械摩擦和磨损严重，导致风机的启动 风速较高，一般在 3～4m／s，年均有效发电小时数 小于 2 200h，风能利用率较低。磁悬浮轴承(简称 磁轴承)具有无摩擦、无需润滑等优点，近年来在 诸多领域得到应用 j。将磁悬浮技术应用在风 力发电机上，既可以改善风力机的启动性能，大大 提高其风能转化效率，同时可以实现微噪声，甚至 可以达到静音的效果 J。采用磁悬浮轴承来支 承风力发电机，其优势在于：(1)磁悬浮风力发电 机的转子是靠磁场力悬浮的，定、转子运动表面之 间没有接触、无摩擦，降低了起动风速，起动风速可 降至 1．5m／s。(2)由于没有接触，所以不需润滑， 可省去管道、过滤器和密封元件。相应地不存在润 滑剂对环境的污染，进而可免除高额的维护和保养 的费用，大大降低成本。(3)功耗相对较低，减小 了损耗。由于磁力支承仅由磁滞和涡流引起很小 磁损，所以效率较高，在 10 000r／min的时候，磁支 承的功耗大约只有流体动压润滑支承的 6％，滚动 支承的 17％，这对于节能有着重大意义。(4)可以 在小行程内产生大的驱动力。(5)在位移传感器 的精度足够高时，磁轴承的控制精度也较高。(6) 变刚度、变阻尼。磁轴承的刚度、阻尼系数由控制 系统决定，一定范围内可以随意设计，且在运行的 过程中可控可调节，动态性能良好。(7)平均发电 天数可由原来的90天／年提高到 210天／年，发电 效率也提高 15％以上，从而有效地提高发电量。 此外，磁悬浮轴承对极端气候具有很好的适应性。 磁悬浮轴承支承的风力发电机具有很多优点， 但目前研究的采用磁悬浮轴承支承的风力发电机 系统中的磁轴承大多数仅是实现部分支承，即转子 在5个自由度方向上没有全部采用磁轴承支承，风 机中转动部分与非转动部分之间的机械摩擦并未 彻底消除，但仍然大大降低了风机的启动风速，提 收稿日期：2o13—07—08 基金项目：国家 自然科学基金资助项目；江苏省 自然科学基金资助项 目(BK2012707)；江苏省“六大人才高峰”项目(2011一 ZBZZ026)；江苏省研究生培养创新工程资助项 目(CXZZ13_0682) 作者简介：朱烷秋(1964一)，男，江苏靖江人，江苏大学教授，博士，主要研究方向为磁悬浮高速传动技术、无轴承高速电机精密驱动及控制 等。 · 1· 2013年第42卷 机械设计与制造工程 高了发电效率。武汉理工大学设计的一种小型磁 悬浮风力发电机的转子系统 ，径向采用磁力轴 承支承，轴向靠机械力约束，其设计时采用有限元 方法，对磁力轴承的结构和磁路进行了分析与设 计，对磁力轴承的磁环高度和叠加磁环个数进行了 优化设计。本文研究的是直驱风力发电机的机械 以及径向一轴向三自由度磁轴承集成支承方案，风 力发电机系统由发电机、风叶、转轴、机械轴承、径 向 一轴向三自由度混合磁轴承组成。下面针对径 向