风力发电机用同极型磁悬浮轴承的支承性能

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当前世界性的能源和环境 问题愈显突出，风力发电机作为-种清洁能源产生装置，有广泛的应用前景。与水平轴风力发 电机相 比，垂直轴风力发电机具有结构简单 ，无需调 向装置 ，塔架较低 ，安装维护方便，成本低，噪音小，寿命长，可安装在建筑物上等优点 ，正受到越来越多研究人员的关注 。

垂直轴风力发电机由风轮和发电机转子系统组成 ，发 电机转子系统包括发 电机定 子、发电机转子、支撑部件和刹车部件 4个部分l2]。支撑部件要求摩擦阻力孝寿命长，-般采用滚动轴承。刹车部件的作用是在风速过高时(如台风等)使转子停止旋转并止动，以保护发 电机 。

为了降低启动风速，提高风力发电机的效率和寿命，已有研究人员采用磁悬浮轴承作为发电机转子的支撑部件l3]。但是磁悬浮轴承本身需要消耗电能 ，当风速较低时，风力发电机产生的电能尚不能满足磁悬浮轴承本身运行 的需要，因此采用低损耗磁悬浮轴承技术是进-步提高系统效率的关键。另外 ，刹车部件是-个独立部件，增加了风力发电机 的体积和成本。

已有研究表明 ，与-般异极型结构相 比，同极型结构能有效降低径 向磁悬 浮轴承的损耗 ，只是制作过程略微复杂。美 国弗吉尼亚大学 Alaire P E教授课题组最早详细研究 了同极型磁悬浮轴承的损耗问题[4]。日本千叶大学 Nonami K教授课题组将 同极型磁悬浮轴承用 于车载飞轮 电池系统 ]。奥地利维也纳工业大学 Hofer M等在三极型径向磁悬浮轴承中采用同极型结构 ]。

本课题组在 国内首先采用数值计算 和试验方法 ，对比研究了同极型和异极型径向磁悬浮轴承的损耗 ]。在 已有 研 究基 础 上 ，本 文 研 制 了 实 际5 kW垂直型风力发电机用发电机转子系统 ，采用同极型径向磁悬浮轴 承结构 ，并利用轴向磁悬浮轴承承担刹车功能，采用试验模态分析方法研究磁悬浮轴承的支承性能。

1 试验装置图 1为垂直轴发电机转子系统的机械结构 图，发电机转子由 2个径 向磁悬浮轴承和 1个轴向磁悬浮轴承支承 ，图 1中标号名称：1为发 电机转子 ，上端可通过联轴器 和风轮联接，2为下径 向磁轴承 ，3为永磁电机 ，4为轴向磁悬浮轴承，5为上径向磁悬浮轴承，6为复合材料刹车片。

根据总体设计，风轮和发 电机转子的总重量G-4 100 N，极转动惯量 J -520 kg·m ，最高转速 -200 r/min，由风力载荷和离心力所引起 的最收稿 日期 ：2012-08-22；修订 日期 ：2012-10-18基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(51275238)；航空科学基金资助项 目(2011ZB52025)；江苏省高校优势学科建设 工程资助g -舱学E程工V动 m 振～1l4 振 动 工 程 学 报 第 26卷3 轴向磁悬浮轴承设计因为发 电机转 子在垂 直方 向所受到的总载荷(重力与风力载荷之和)始终朝下，所以轴向磁悬浮轴承采用单边 电磁铁结 构。另外 为了取 消刹车部件，减少系统的体积和成本，选择轴向磁悬浮轴承承担刹车功能。因此 ，轴 向磁悬 浮轴承的设计应满足以下两个要求 ：1)悬浮要求，即轴 向磁悬浮轴承能够克服风轮和发电机转子的总重量 ，将发电机转子 由轴向最低位置悬浮至轴向平衡位置，并克服垂直方 向的重力和风力载荷，使发电机转子在轴向平衡位置长期稳定工作 ；2)制动要求 ，即当发电机转子 的工作转速 达到 200 r/rain时，轴向磁悬浮轴承能够产生合适的恒定电磁力 ，使发 电机转子 与刹车片在恒定压力下贴紧，发电机转子转速在规定时间内匀速降低至零并止动 。

为了同时满足上述两种要求 ，确定机械结构方案如下：在发电机转子的上端和中间位置分别 固定有刹车盘和推力盘 ，轴向磁悬浮轴承通过推力盘对发电机转子施加轴向电磁力。在控制电流和偏置电流的共同作用下，轴向磁悬浮轴承能产生合适的电磁力，使发电机转子悬浮至轴向平衡位置。当发电机转子在轴向平衡位置工作时，若其工作转速 达到 200 r/min，电控系统向继电器发出控制信号，继电器切断轴向磁悬浮轴承的控制电流，在偏置电流产生的轴向电磁力作用下 ，发电机转子进-步向上移动并通过刹车盘与刹车片贴紧，在恒定摩擦力矩作用下发电机转子转速在规定时间内匀速降低至零。

3.1 刹车功能根据牛顿运动理论 ，刹车力矩 T，可表示为Ti-2nnJ /60t-363 N ·m刹车盘材料采用 20钢 ，刹车片为 自制专用复合材料环形刹车片，两种材料间摩擦系数 -厂为 0.2。

根据机械结构尺寸，设计刹车片 内径 156 mm，刹车片外径 316 mm，则刹 车片平均直径 d为 236 mm。

由上述参数可知 ，摩擦副材料间所需正压力为F -2Tj/( 厂)- 15 381 N3.2 轴向磁悬浮轴承结构参数轴向磁悬浮轴承和推力盘均采用 电工纯铁材图 4 刹车片照片Fig.4 Photo of the brake pad料。对于单边电磁铁结构 ，轴向磁悬浮轴承的电磁力可表示为[F A ㈦ 式中 。为空气磁导率 ，A 为轴 向磁路面积 ，N为线圈匝数，j 为线圈电流，C 为推力盘与轴 向磁悬浮轴承间的距离。

采用 J 表示线圈的偏置电流 ，根据机械结构和电控系统 ，设计 A 为 13 300 mm。， 为 2.7 A，发电机转子处于最低位置时推力盘与轴向磁悬浮轴承的距离 c 为 0.8 mm；发 电机转子处于平衡位置时推力盘与轴向磁悬浮轴承的距离 C 为 0.5 mm，此时刹车盘与刹车片的距离 C 为 0.25 mm。

由上述设计参数可知 ，当系统处于刹车状态时，刹车盘与刹车片贴紧，此时推力盘与轴向磁悬浮轴承的距离为C C 2- C 3- 0.25 Inm当轴 向磁悬 浮轴 承也采 用差 动控 制方式 时 ，I -21 为了保证发电机转子能够悬浮至轴 向平衡位置 ，要求 扣A >G ㈩另外 ，为了满足刹车功能 ，要求- 扣A >G- 扣A G联立式(4)和(5)，可推得 N -200。

4 控制参数的稳定区域整个系统试验装置照片如 图 5所示 ，图中包括机械系统和电控系统两部分 。

第 1期 谢振宇，等：风力发电机用同极型磁悬浮轴承的支承性能 115图 5 试 验装置照片Fig.5 Photo of the experimental setup控制器采用不完全微分 PID策略，其传递函数可表示为G (s)- k -4- 上 1 dS式中 k ，k ，k 和 丁 分别表示控制器比例系数、积分系数、微分系数和微分时间系数。

选择控制参数如表 2所示，启动电控系统，通过电涡流位移传感器的输出观测发电机转子轴向位置的变化，如图6所示。发电机转子在径向4个自由度 的位置变化与图 6类似。

表 2 系统控 制参数Tab.2 Control parameters of the system0 ；. . . ： ： ： ： ： ：0 0囊0矗 蠢 劳图 6 起浮时轴向位移传感器输出Fig.6 Output of the axial displacement sensor in theprocess of suspension由图 6可以看出，启动电控系统后 ，发电机转子在 500 ms内由轴向最低位置(0 V)稳定悬浮至轴向平衡位置(2.5 V)。

在某-组控制参数作用下，将发电机转子悬浮至平衡位置，并对其施加脉冲激励，根据发电机转子振动是否收敛 ，可判 断系统在该组控制参数下是否稳定 ，由此可获得控制参数的稳定区域 ，为系统实际运行时控制参数 的选择提供依据。

鉴于 k 和 T 对 系统动态性能影响较小，因此选取固定值，如表 2所示。径向和轴向磁悬浮轴承k 和k 的稳定区域分别如图 7和图 8所示。

长比例系数屯图 7 径向控制参数稳定区域Fig.7 Stability range of the radial control parameters糕1蹒长比例系数屯图 8 轴向控制参数稳定区域Fig.8 Stability range of the axial control parameters5 试验模态分析根据控制参数的稳定区域，选择控制参数仍如表 2所示。当发 电机转子稳定悬浮时 ，通过模态试验，可获取反映系统动态特性的模态频率和模态阻尼 ，预测系统的运行状况 。

在距发电机转子上端 10 mm 处布置压 电式加速度传感器 (型号 CA-YD-181，灵 敏度 0.988 mV/ms )，在压电式加速度传感器 的对面，通过模态力锤(型号为 CL-YD-303，灵敏度 3.40 pC/N)对发 电∞ ∞ ∞O O O O O O 振 动 工 程 学 报 第 26卷机转子进行激振，将压电式加速度传感器和模态力锤的输出接入 HP35670A动态信号分析仪即可获得系统的频率响应函数 ，如图 9所示 。

熹lSO 二二二 ]二二]0 50 100 1 50 200 250 300 350 40OHz图 9 系统 频率 响应 函数Fig.9 Frequency response function of the system数据分析采用南京航空航天大学动态测试与分析中心”开发 的 N-Modal模 态分析软件，可获得系统的前两阶模态频率和模态阻尼 ，如表 3所示 。

表 3 系统模态参数Tab.3 M odal parameters of the system由上述试验结果可以看出，第-阶临界转速远高于最大工作转速，系统在运行时不会出现共振。

6 刹车功能验证将 RXM2I B2BD继 电器 的输 出端接入控制 电流 回路 ，当发电机转子稳定悬浮时 ，在继电器控制端输入 24 VDC信号，根据轴向电涡流位移传感器的输出观测发 电机转子轴 向位置 的变化 ，如 图 10所示 。

由图 1O可 以看 出，当继 电器 控制 端输 入 24VDC信号时 ，继电器切断轴向磁悬浮轴承 的控制 电流，发电机转子 由轴向平衡位置 (2.5 V)向上运动至轴向最高位置(5.0 V)。这表明发 电机转 子已与刹车片贴紧，其间的正压力是由偏置电流产生的恒定电磁力 ，因此发电机转子转速在恒定摩擦力矩作用下将匀速降低至零。

切断继电器控制端输入信号(24 VDC)，根据轴向电涡流位移传感器的输出观测发电机转子轴向位置的变化 ，如图 11所示 。

由图 l1可以看出，切断继电器控制端输人信号后，发电机转子在 800 ms内由轴向最高位置(5.0V)重新稳定悬浮至轴向平衡位置(2.5 V)。

i ，- - 劬 港 ∥ 露 砌图 1O 刹车时轴 向位移传感器输 出Fig.1 0 Output of the axial displacement sensor in theprocess of brake：： ：/t- /。l ，髓暑 l ： 000帕 2爵。

图 11 重新悬浮时轴向位移传感器输出Fig.1 1 Output of the axial displacement sensor in theprocess of re-suspension7 结 论(1)同极型径向磁悬浮轴承可 以用于风力发 电机、储能飞轮等要求损耗较低的诚，其支承性能完全能够满足实际使用 的需要。

(2)本文所研制的发电机转子系统的第-阶临界转速远高于最大工作转速，系统在运行时不会 出现共振。

(3)轴向磁悬浮轴承除了承担轴向悬浮功能外，还可承担刹车功能，因此可 以取消-般垂直型风力发电机所需的刹车部件 ，有利于减少系统 的体积和成本。这-思想同样适用于水平轴磁悬浮风力发 电棚.。