APP下载

直驱风力发电机径向—轴向混合磁轴承设计及研究

2018-10-21张彦国

中国化工贸易·中旬刊 2018年6期
关键词:径向

张彦国

摘 要:目前对新能源的使用程度不断加大,为提高对于风能的利用效率,需要解决直驱风力发电机系统的机械摩擦问题。在传统的发电机基础上进行改进得到了径向-轴向混合磁轴承。针对该轴承可以采用等效磁路法进行相关模型的建立,对参数进行分析,不断改进来实现轴承的稳定悬浮。

关键词:直驱风力发电机;径向-轴向混合磁轴承;进行轴承设计和研究

1 新型发电机性能的决定因素以及混合磁轴的优势

1.1 直驱风力发电机效率的决定因素

人类经济水平不断发展,地球上的煤炭、石油和天然气等一系列不可再生的资源被不断消耗。为应对好资源危机需要各个国家找到探索新能源的方法。在多种资源利用中最为常见的就是对风能的利用,根据研究表明风力发电总量占到全球发电总量的20%。

根据多次的实验结果可以知道直驱风力发电机性能的好坏主要是由启动时的风速来决定的。输出同样电能时启动风速越低,可覆盖范围越大,这样发电的时间也就越长。传统的风机转子主要采用的是滚动轴承,这样的轴承会使各系统之间的摩擦频率升高,使风速增高,导致对风能的使用效率降低[1]。

1.2 径向-轴向混合磁轴承的优势

使用径向-轴向混合磁轴承时可以极大地提高对风能的使用效率,转子主要是依靠磁场力来悬浮的,此时定子和转子之间是没有接触的这样就有助于降低风速,这是该轴承的优势之一。在成本方面由于没有接触也就降低了润滑剂的使用成本,不仅减少了对环境的污染,而且还免除了维护和维修的费用;传统的轴承精度会受到多方面的影响,但是如果想要提高磁轴承的精度只需要提高位移传感器的精度,这样就使提高精度的过程变的比较简单。磁轴承的变刚度以及阻尼系数都是由相关的系统进行控制的,因此在一定的范围内可以进行调节,这样会使轴承的性能得到提升。与传统的轴承相比较,径向-轴向混合磁轴承的优势明显[2]。

2 径向-轴向混合磁轴承设计过程

一般的磁轴承都是实现转子在多个方位上的部分支撑,无法在全方位上都采用磁轴的支撑,这样会导致启动风速降低程度较小。因此需要设计一种新的磁轴承来实现转子在全方位上的支撑,这就出现了径向-轴向混合磁轴承。这种转子系统在径向上采用磁力轴承进行支撑,在轴向上主要依靠机械力进行约束。在进行设计时采用的方法是有限元的方法,进行磁路分析以及轴承结构的研究时,需要对磁轴承的磁环高度和可叠加的磁环数进行记录。

直驱风力发电机系统主要包括了发电机、风叶、转轴、机械轴承以及磁轴承等。在进行新型轴承的设计时需要根据直驱发电机的结构图来进行。根据新型轴承的三维结构图可以看出此轴承是由轴向定子、轴向控制线圈以及磁极上的径向定子、径向控制线圈和径向充磁体等组件构成。在进行设计时需要保證轴承工作时控制线圈可以对轴向的任何位置都进行控制。线圈可以通过产生交流电流来使转子产生位移。径向定子铁芯由硅钢片制成,永久磁体采用了硼材料。

在径向和轴向都稳定悬浮的情况下,转子一般在永磁场当中的位置都是悬浮的中间位置,这是由于存在静态偏置磁场力。轴向定子、轴向气隙与转子之间构成回路,径向控制磁通在径向定子、径向气隙和转子之间也构成了回路。根据研究可知轴向控制磁通和径向控制磁通之间互不干扰,也不存在磁路耦合现象。气隙磁通是由静态偏置磁通和控制磁通这两个部分进行叠加得到的。在完成研究设计之后,发现转子无论受到向右还是向左的外环境干扰,轴向控制器都会控制线圈中的电流,磁通的合成是由左右气隙决定的,不断调节气隙的大小就可以保持转子一直都在平衡位置[3]。

3 对磁轴数学模型的研究

在进行轴承的设计时为简化相关的数学运算可以使用数学模型。假设只考虑永磁体内外两面漏磁,将整个磁路系统看成是漏磁磁阻和有效磁阻并联的形式,忽略铁芯磁阻、转子磁阻以及涡流损耗等因素可以得到径向-轴向混合磁轴的磁路等效图。根据基尔霍夫的磁路定律可以利用数学模型计算出各个气隙之间的磁导,其中真空磁导率用u表示,分别研究施加控制磁通之前和之后的合成磁通大小,发现在数值上与磁极控制的线圈匝数有关。利用数学模型进行径向-轴向混合磁轴承的设计和研究可以简化计算过程,利用数据比较结果找出磁轴在应用过程中可能存在的问题并不断改进,这样有助于新型混合磁轴的发展[4]。

4 总结

直驱风力发电机内部使用径向-轴向混合磁轴承可以降低风机的启动速度。上述内容针对该轴承的设计过程从工作原理,磁场分析以及试验的角度进行了研究改进,验证了样机磁轴承理论建模以及进行数字控制的合理性。在新型轴承设计的过程中提出的控制方法对磁悬浮风力发电机和可进行高速旋转的轴承的深入研究都有着一定的参考价值。

参考文献:

[1]刘邦鹏.铁路信号计算机联锁控制系统的容错技术探讨[J].工程技术研究,2018(03):51-52.

[2]李孟豪.探讨铁路信号计算机联锁控制系统容错技术[J].电子测试,2016(08):91-92.

[3]朱熀秋,朱利东,吴晓军.直驱风力发电机径向-轴向混合磁轴承设计及分析[J].机械设计与制造工程,2013,42 (11):1-5.

[4]李佳蔚.铁路信号计算机联锁技术介绍[J].铁路通信信号工程技术,2011,8(05):20-23.

猜你喜欢

径向
千分尺轴向窜动和径向摆动检定装置的研制
径向滤镜
航空发动机典型径向预旋喷嘴流量特性试验研究
考虑径向波动效应的黏弹性支承桩纵向振动阻抗研究
十字轴万向节用滚针轴承承载问题研究
往复压缩机支承环设计
车轴径向超声波探伤缺陷的基本讨论分析
制丝筒体喷嘴角度调节装置的设计与应用
包含转速的航空发动机转子与轴承孔径向非接触动刚度及试验验证
读《宋彩霞作品集》