直驅風力發電機徑向—軸向混合磁軸承設計及研究

張彥國

摘 要：目前對新能源的使用程度不斷加大，為提高對于風能的利用效率，需要解決直驅風力發電機系統的機械摩擦問題。在傳統的發電機基礎上進行改進得到了徑向-軸向混合磁軸承。針對該軸承可以采用等效磁路法進行相關模型的建立，對參數進行分析，不斷改進來實現軸承的穩定懸浮。

關鍵詞：直驅風力發電機；徑向-軸向混合磁軸承；進行軸承設計和研究

1 新型發電機性能的決定因素以及混合磁軸的優勢

1.1 直驅風力發電機效率的決定因素

人類經濟水平不斷發展，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。為應對好資源危機需要各個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風能的利用，根據研究表明風力發電總量占到全球發電總量的20%。

根據多次的實驗結果可以知道直驅風力發電機性能的好壞主要是由啟動時的風速來決定的。輸出同樣電能時啟動風速越低，可覆蓋范圍越大，這樣發電的時間也就越長。傳統的風機轉子主要采用的是滾動軸承，這樣的軸承會使各系統之間的摩擦頻率升高，使風速增高，導致對風能的使用效率降低[1]。

1.2 徑向-軸向混合磁軸承的優勢

使用徑向-軸向混合磁軸承時可以極大地提高對風能的使用效率，轉子主要是依靠磁場力來懸浮的，此時定子和轉子之間是沒有接觸的這樣就有助于降低風速，這是該軸承的優勢之一。在成本方面由于沒有接觸也就降低了潤滑劑的使用成本，不僅減少了對環境的污染，而且還免除了維護和維修的費用；傳統的軸承精度會受到多方面的影響，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都是由相關的系統進行控制的，因此在一定的范圍內可以進行調節，這樣會使軸承的性能得到提升。與傳統的軸承相比較，徑向-軸向混合磁軸承的優勢明顯[2]。

2 徑向-軸向混合磁軸承設計過程

一般的磁軸承都是實現轉子在多個方位上的部分支撐，無法在全方位上都采用磁軸的支撐，這樣會導致啟動風速降低程度較小。因此需要設計一種新的磁軸承來實現轉子在全方位上的支撐，這就出現了徑向-軸向混合磁軸承。這種轉子系統在徑向上采用磁力軸承進行支撐，在軸向上主要依靠機械力進行約束。在進行設計時采用的方法是有限元的方法，進行磁路分析以及軸承結構的研究時，需要對磁軸承的磁環高度和可疊加的磁環數進行記錄。

直驅風力發電機系統主要包括了發電機、風葉、轉軸、機械軸承以及磁軸承等。在進行新型軸承的設計時需要根據直驅發電機的結構圖來進行。根據新型軸承的三維結構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成。在進行設計時需要保證軸承工作時控制線圈可以對軸向的任何位置都進行控制。線圈可以通過產生交流電流來使轉子產生位移。徑向定子鐵芯由硅鋼片制成，永久磁體采用了硼材料。

在徑向和軸向都穩定懸浮的情況下，轉子一般在永磁場當中的位置都是懸浮的中間位置，這是由于存在靜態偏置磁場力。軸向定子、軸向氣隙與轉子之間構成回路，徑向控制磁通在徑向定子、徑向氣隙和轉子之間也構成了回路。根據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象。氣隙磁通是由靜態偏置磁通和控制磁通這兩個部分進行疊加得到的。在完成研究設計之后，發現轉子無論受到向右還是向左的外環境干擾，軸向控制器都會控制線圈中的電流，磁通的合成是由左右氣隙決定的，不斷調節氣隙的大小就可以保持轉子一直都在平衡位置[3]。

3 對磁軸數學模型的研究

在進行軸承的設計時為簡化相關的數學運算可以使用數學模型。假設只考慮永磁體內外兩面漏磁，將整個磁路系統看成是漏磁磁阻和有效磁阻并聯的形式，忽略鐵芯磁阻、轉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。根據基爾霍夫的磁路定律可以利用數學模型計算出各個氣隙之間的磁導，其中真空磁導率用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，發現在數值上與磁極控制的線圈匝數有關。利用數學模型進行徑向-軸向混合磁軸承的設計和研究可以簡化計算過程，利用數據比較結果找出磁軸在應用過程中可能存在的問題并不斷改進，這樣有助于新型混合磁軸的發展[4]。

4 總結

直驅風力發電機內部使用徑向-軸向混合磁軸承可以降低風機的啟動速度。上述內容針對該軸承的設計過程從工作原理，磁場分析以及試驗的角度進行了研究改進，驗證了樣機磁軸承理論建模以及進行數字控制的合理性。在新型軸承設計的過程中提出的控制方法對磁懸浮風力發電機和可進行高速旋轉的軸承的深入研究都有著一定的參考價值。

參考文獻：

[1]劉邦鵬.鐵路信號計算機聯鎖控制系統的容錯技術探討[J].工程技術研究，2018（03）：51-52.

[2]李孟豪.探討鐵路信號計算機聯鎖控制系統容錯技術[J].電子測試，2016（08）：91-92.

[3]朱熀秋，朱利東，吳曉軍.直驅風力發電機徑向-軸向混合磁軸承設計及分析[J].機械設計與制造工程，2013，42 （11）：1-5.

[4]李佳蔚.鐵路信號計算機聯鎖技術介紹[J].鐵路通信信號工程技術，2011，8（05）：20-23.