直驱风力发电机径向－轴向混合磁轴承设计及分析

朱熀秋，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)

直驱风力发电机径向－轴向混合磁轴承设计及分析

朱熀秋1，朱利东1，吴晓军2

(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)

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－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－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－轴向三自由度磁轴承试验平台，试验结果证明设计的径向－轴向三自由度磁轴承能够实现稳定悬浮。

风力发电机;磁悬浮轴承;有限元分析;数学模型

1 径向－轴向三自由度混合磁轴承设计

1.1 径向－轴向三自由度混合磁轴承结构

本文采用1个机械轴承和1个径向－轴向三自由度混合磁轴承支承风力发电机，其直驱风力发电机基本结构如图1所示。径向－轴向三自由度混合磁轴承三维结构示意图如图2(a)所示［10］，其各组件如图2(b)所示，由轴向定子、轴向控制线圈、带3个磁极的径向定子、径向控制线圈、转子、径向充磁永磁体等构成。工作时轴向对置的两个控制线圈对轴向自由度位置进行控制;沿圆周120°均匀分布的A，B和C 3个径向控制线圈通以三相交流电产生可旋转的合成磁通来控制径向二个自由度转子位移。径向定子铁芯采用硅钢片叠压而成，永久磁体采用稀土材料钕铁硼制成。当径向、轴向都稳定悬浮时，转子在永磁体产生的静态偏置磁场吸力下处于悬浮的中间位置，径向和轴向气隙取为0.5mm。

图1 直驱风力发电机机械和磁轴承集成支承结构

图2 径向－轴向三自由度混合磁轴承结构示意图

图2(c)是径向－轴向三自由度混合磁轴承磁路示意图。图中带箭头(控制磁通箭头方向由控制电流方向按右手定则确定)的实线表示永磁体产生的静态偏置磁通，它从永磁体的N极出发，经过轴向定子、轴向气隙、转子、径向气隙、径向定子，最后回到永磁体的S极;带箭头的虚线表示的是控制磁通，轴向控制磁通在轴向定子、轴向气隙与转子内构成回路;径向控制磁通在径向定子、径向气隙与转子间形成回路。由图2可看出，轴向控制磁

如果转子受到一个向左的外扰力，也可以得出类似的结论。因此无论转子受到向右或向左的外扰动，带位置负反馈的轴向磁轴承控制系统，通过轴向控制器控制轴向线圈中的电流，调节左右气隙处合成磁通的大小，就能保持转子在轴向的平衡位置。

1.2 磁轴承数学模型

为简化计算，对磁轴承做如下假设:只考虑永磁体内外两环面漏磁，将整个磁路系统看作由一个漏磁磁阻与有效磁路系统构成的并联系统;只考虑工作气隙的磁阻，忽略铁芯磁阻、转子磁阻及涡流损耗等。这样可得到如图3所示的磁轴承永磁体磁路等效图。通与径向控制磁通互不干扰，不存在磁路耦合，各气隙磁通由各处的静态偏置磁通和控制磁通两部分叠加合成。

转子在轴向平衡位置时，永磁体在转子轴向两端气隙z1和z2处产生的磁通是相等的。如转子受到向右的轴向外力而产生轴向向右位置偏移时，z1处气隙减小，永磁体产生的轴向磁通φpz1增大，磁力亦增大;z2处气隙增大，轴向磁通φpz2减小，磁力亦减小。此时只要轴向产生的控制磁通φcz满足式(1)，即转子在轴向气隙z2处受到的磁力大于轴向气隙z1处的磁力，就能使转子回到原来的平衡位置。

图3 永磁体磁通分布等效磁路图

图3中，Fm是永磁体对外提供的磁动势，φm是永磁体发出的总磁通，φ1是总的漏磁通，漏磁导是G1，右边轴向气隙和左边轴向气隙的磁导分别是 Gz1和Gz2，径向3个气隙磁导分别是GA，GB，GC。Sa，Sr分别为轴向、径向磁极面积;δa，δr分别为轴向、径向气隙。现假设转子轴向正方向偏移z，径向正方向各偏移x，y，则各气隙处的磁导为:发电机中转轴一端的三自由度悬浮支承，设计要求和主要设计参数见表1。

表1 径向－轴向三自由度磁轴承参数设计

根据设计的参数采用有限元分析软件ANSOFT建立径向－轴向三自由度混合磁轴承三维实体模型进行仿真分析用。采用磁标势法求解，分析了以下几种静态磁场:图4(a)、4(c)是径向－轴向三自由度混合磁轴承永磁偏磁磁密在磁轴承的径向和轴向分布图，可以看出整个磁轴承的磁极磁密分布均匀;图4(b)、4(d)是施加控制电流时的磁感应强度分布图，从图上可以看出，施加径向控制电流时，产生控制磁密，由于永磁偏磁磁密与控制磁密叠加或抵消，使得径向一个磁极的磁密增大和另外两个磁极的磁密减小;轴向施加控制电流时，从磁密云图4(d)上可以看出，轴向上端磁极磁密增大，下端磁极磁密减小。从而验证了该磁轴承的运行机理。

图4 径向－轴向三自由度混合磁轴承磁感应强度分布

2 样机实验结果

依据上述两种磁轴承的数学模型，设计了直驱风力发电机磁轴承支承控制系统，构建了磁轴承数控实验平台，磁轴承样机参数见表1。该磁悬浮风力发电机一端的径向－轴承三自由度混合磁轴承采用3个位置控制器进行控制，位置控制器采用分散PID进行控制，通过调整PID参数，实现磁轴承的稳定悬浮。实验波形如图5所示，图5(a)是转子静态悬浮时x和y方向的位移曲线，图5(b)为转子从起始位置起浮时x和y方向的位移曲线，转子起浮前静止在(－0.15mm，0.20mm)位置处，在控制电流作用下，转子迅速回到平衡位置(0mm，0mm)处，并实现稳定悬浮，表明系统具有较好的起浮性能。

图5 转子静态起浮x和y方向的位移曲线

3 结束语

采用磁轴承支承风力发电机，有利于降低风机启动风速，提高风力发电机的效率。本文针对径向－轴向三自由度混合磁轴承，从工作原理、数学建模、磁场分析、数字控制及试验等角度进行了研究。采用有限元对磁轴承磁场进行了分析，验证了样机参数设计的合理性，悬浮实验验证磁轴承理论建模和数字控制的正确性。虽然受限于试验条件，未能进行高速旋转工况下的动态性能试验以及对控制算法做进一步优化，但文中提出的磁轴承建模、有限元分析和控制等方法，对磁悬浮风力发电机及其它高速旋转支承的磁轴承的深入研究和应用具有参考价值。

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Design and Analysis of Radial and Axial Magnetic Bearing for Direct Drive Wind Generator

ZHU Huangqiu1，ZHU Lidong1，WU Xiaojun2
(1.Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang，212013，China)
(2.Southeast University，Jiangsu Nanjing，210018，China)

To decrease the mechanical friction of the conventional direct drive wind generator and raise the utilization rate of wind energy，it presents the integrated support technology using mechanical bearing and magnetic bearing for direct drive wind generator，applies a mechanical bearing and a radial－ axial three degrees of freedom hybrid magnetic bearing to support a wind generator.Focused on the radial－axial three degrees hybrid magnetic bearing，it builds the mathematical model with the equivalent magnetic circuit scheme，designs and analyzes the magnetic bearing parameters based on finite element analysis software.On this basis，it establishes the numerical control experiment platform of the magnetic bearing system，the test results prove that the designed magnetic bearing can make the rotor suspend steadily.

Wind Generator;Magnetic Bearing;Finite Element Analysis;Mathematical Model

TM614

A

2095－509X(2013)11－0001－05

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.001

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%［1］。

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［2－4］。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［5－9］。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［5－6］，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－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－轴向三自由度混合磁轴承组成。下面针对径向－轴向三自由度磁轴承开展理论和试验研究。

2013－07－08

国家自然科学基金资助项目(50575099);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－ZBZZ026);江苏省研究生培养创新工程资助项目(CXZZ13_0682)

朱熀秋(1964—)，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。