沙征遠(yuǎn)，吳國(guó)慶，，孫后全，朱維南，張旭東

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226019;2.江蘇省風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)工程中心，江蘇南通226019)

0 前言

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)賴(lài)以生存的石油、天然氣、煤炭等不可再生能源被迅速消耗。為了解決在不久未來(lái)的能源危機(jī)，新能源的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。被稱(chēng)為“綠色能源”的風(fēng)能作為一種可再生能源，由于其無(wú)污染、可再生、蘊(yùn)藏量大、分布廣等特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)到2050年電量需求中將有33% 來(lái)自風(fēng)能，世界各能源大國(guó)都制定了相應(yīng)的政策［1］。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)力機(jī))分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式，其中水平軸風(fēng)力機(jī)應(yīng)用較為廣泛。傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)采用機(jī)械軸承支承，對(duì)啟動(dòng)風(fēng)速要求較高，一般為3.5 m/s，同時(shí)，機(jī)械接觸軸承中不可避免地摩擦降低了風(fēng)能利用率，磨損的加劇將進(jìn)一步導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)主軸轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)失衡，因此，磁懸浮風(fēng)力機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)相比，磁懸浮風(fēng)力機(jī)具有無(wú)摩擦、不需潤(rùn)滑、功耗低、噪聲小、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

本文作者介紹了磁懸浮風(fēng)力機(jī)的原理及其特點(diǎn)，并總結(jié)了應(yīng)用于磁懸浮風(fēng)力機(jī)的磁力軸承以及磁懸浮風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，提出了磁懸浮風(fēng)力機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

1 磁懸浮風(fēng)力機(jī)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 磁懸浮風(fēng)力機(jī)的原理

圖1 磁懸浮風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)相比，磁懸浮風(fēng)力機(jī)采用非接觸式磁懸浮支承代替了機(jī)械支承。一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。由主軸轉(zhuǎn)子、定子、風(fēng)輪等部分組成，定子內(nèi)部安裝有輔助支承、徑向軸向磁軸承、發(fā)電機(jī)定子、傳感器等，套裝在主軸轉(zhuǎn)子上。定子中布置的兩個(gè)徑向磁軸承、軸向磁軸承均對(duì)主軸產(chǎn)生電磁力作用，其中軸向磁軸承用于實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)主軸在軸向的穩(wěn)定懸浮，兩個(gè)徑向磁軸承用于實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)主軸在徑向的穩(wěn)定懸浮。主軸兩端裝有輔助支承，用于主軸系統(tǒng)失控或突然斷電時(shí)，起臨時(shí)支承旋轉(zhuǎn)的主軸的保護(hù)作用。主軸軸向和徑向的位置精度靠軸徑向傳感器保證，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的風(fēng)力機(jī)主軸在風(fēng)輪的帶動(dòng)下平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電轉(zhuǎn)換。

1.2 磁懸浮風(fēng)力機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

將磁懸浮支承技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電系統(tǒng)上，可以改善其啟動(dòng)性能，提高風(fēng)能利用率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)微噪聲，甚至可以達(dá)到靜音的效果。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在［2］:(1)磁懸浮風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子是靠磁場(chǎng)力懸浮的，定、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)表面之間沒(méi)有接觸、無(wú)摩擦，啟動(dòng)風(fēng)速可降至1.5 m/s，即擴(kuò)大了風(fēng)力資源的利用范圍;(2)由于沒(méi)有接觸，所以無(wú)需潤(rùn)滑軸承，相應(yīng)地也不存在潤(rùn)滑劑對(duì)環(huán)境的污染，無(wú)需維護(hù)和保養(yǎng)，降低了成本;(3)功耗相對(duì)較低，節(jié)能。在10 000 r/min 時(shí)，磁支承的功耗只有流體動(dòng)壓潤(rùn)滑支承的6%，滾動(dòng)支承的17%;(4)磁力支承的控制精度取決于位移傳感器的精度，容易得到保證;(5)磁支承的剛度、阻尼系數(shù)由控制系統(tǒng)而定，在運(yùn)行的過(guò)程中可控可調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)性能良好;(6)磁支承對(duì)極端氣候適應(yīng)性較強(qiáng)，每年平均發(fā)電天數(shù)可提高120%，發(fā)電效率也提高15%以上，因此發(fā)電量得到顯著提高。

其局限性主要有:磁懸浮支承技術(shù)是集機(jī)電磁于一體的綜合技術(shù)，理論知識(shí)復(fù)雜，難以被普遍接受;與機(jī)械軸承相比，磁支承體積、質(zhì)量較大，需要專(zhuān)門(mén)的控制器和外加電源，大都配備輔助支承，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占空間大，實(shí)現(xiàn)難度大;與機(jī)械軸承相比，磁支承剛度較小;磁支承的成本較高。

2 用于磁懸浮風(fēng)力機(jī)的磁軸承類(lèi)型

用于磁懸浮風(fēng)力機(jī)上的磁懸浮軸承按工作原理可分為被動(dòng)磁懸浮軸承、主動(dòng)磁懸浮軸承、混合磁懸浮軸承和超導(dǎo)磁懸浮支承方式。

2.1 被動(dòng)磁軸承(PMB)

被動(dòng)磁軸承(永磁軸承)利用磁環(huán)間產(chǎn)生的永磁力來(lái)懸浮轉(zhuǎn)子，它具有一定的穩(wěn)定特性，一般沒(méi)有控制系統(tǒng)。按承載方向的不同，永磁軸承可分為永磁向心(徑向)軸承(圖2)和永磁推力(止推)軸承(圖3);按磁環(huán)之間吸、斥力的不同，永磁軸承可分為吸力型永磁軸承和斥力型永磁軸承［3］。

圖2 永磁向心軸承的基本結(jié)構(gòu)

圖3 永磁推力軸承的基本結(jié)構(gòu)

磁懸浮風(fēng)力機(jī)主軸對(duì)磁支承的承載能力要求較高，而單對(duì)磁環(huán)承載能力有限，為了提高永磁軸承的懸浮力和剛度，可采用多對(duì)磁環(huán)疊加結(jié)構(gòu)，疊加方式有徑向疊加和軸向疊加兩種(圖4)。為了適應(yīng)使用環(huán)境及節(jié)省空間，可采用集多個(gè)方向支承于一體的永磁偏置徑向-軸向磁軸承(圖5)。圖中箭頭表示永磁體的磁化方向。

圖4 永磁軸承磁環(huán)的疊加

圖5 永磁偏置軸向-徑向磁軸承結(jié)構(gòu)圖

永磁體是永磁軸承的主體，因此永磁軸承的性能主要取決于永磁材料的性能，其性能常用3 個(gè)指標(biāo)來(lái)表示，即矯頑力(Hc)、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(Br)和最大磁能積(BH)max。目前，應(yīng)用在永磁懸浮風(fēng)力機(jī)上的永磁合金多為1983年問(wèn)世于日本的第三代稀土永磁合金號(hào)稱(chēng)磁王的釹鐵硼(NdFeB)系永磁合金，其(BH)max達(dá)到了302.5 kJ/m3。現(xiàn)代的NdFeB 系永磁合金(BH)max已高達(dá)460 kJ/m3。

2.2 主動(dòng)磁軸承(AMB)

主動(dòng)磁軸承通過(guò)主動(dòng)控制電流大小來(lái)調(diào)節(jié)電磁鐵產(chǎn)生的電磁力，將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在空間，使轉(zhuǎn)子與磁軸承之間沒(méi)有任何機(jī)械接觸，是一種高性能的機(jī)電一體化軸承。主動(dòng)磁懸浮軸承按照在磁懸浮風(fēng)力機(jī)上應(yīng)用形式的不同分為主動(dòng)徑向磁軸承(圖6)和主動(dòng)軸向磁軸承(圖7)。其中主動(dòng)徑向磁軸承結(jié)構(gòu)分為徑向和軸向兩種結(jié)構(gòu)。

圖6 主動(dòng)徑向磁軸承結(jié)構(gòu)

圖7 主動(dòng)軸向磁軸承結(jié)構(gòu)

2.3 混合磁軸承(HMB)

與前兩種相比，混合磁軸承的特點(diǎn)是［4-5］:(1)由永磁鐵提供偏置磁場(chǎng)，電磁鐵僅提供負(fù)載或者外界干擾的控制磁場(chǎng)，這就可以避免系統(tǒng)因?yàn)槠秒娏魉a(chǎn)生的功耗，降低繞組的發(fā)熱量;(2)其電磁鐵所需的安匝數(shù)相比主動(dòng)磁懸浮軸承要減少很多，這就有利于縮小軸承體積，節(jié)省材料;(3)混合磁軸承承載力取決于永磁體提供的內(nèi)部磁動(dòng)勢(shì)，磁動(dòng)勢(shì)越大，承載力就越大。所以混合式磁懸浮軸承具有質(zhì)量輕、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，通常適用于微型化、體積小的場(chǎng)合，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 混合磁軸承結(jié)構(gòu)

2.4 超導(dǎo)磁懸浮支承方式

超導(dǎo)磁懸浮是近年隨著科技發(fā)展而逐步興起的新型磁懸浮支承方式，它主要利用超導(dǎo)體的磁絕緣性(超導(dǎo)體是唯一的磁絕緣體)，采用永磁體和超導(dǎo)磁體的聯(lián)合懸浮。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的方向，超導(dǎo)磁懸浮軸承可分為立式和平式。在立式的軸承中，因超導(dǎo)體(SC)和永磁體(PM)的相互位置不同又可分為套筒式(圖9(a))和相對(duì)平放式(圖9(b))。

圖9 超導(dǎo)磁懸浮軸承

3 磁懸浮風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型

與磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的分類(lèi)類(lèi)似，磁懸浮風(fēng)力機(jī)按照磁懸浮類(lèi)型來(lái)分可分為永磁懸浮風(fēng)力機(jī)、電磁懸浮風(fēng)力機(jī)、混合磁懸浮風(fēng)力機(jī)。

3.1 永磁(被動(dòng))懸浮風(fēng)力機(jī)

我國(guó)對(duì)磁懸浮風(fēng)機(jī)的研究始于21世紀(jì)初，以MUCE 為研發(fā)主體，2002年即推出首臺(tái)采用永磁懸浮技術(shù)和自動(dòng)迎風(fēng)護(hù)罩式技術(shù)相結(jié)合的新型垂直軸風(fēng)機(jī)，并于2007年將功率擴(kuò)展至200 W 以上，處于世界領(lǐng)先。自2006年我國(guó)完成世界首臺(tái)全永磁懸浮風(fēng)力機(jī)以來(lái)，國(guó)內(nèi)部分高校開(kāi)始對(duì)磁懸浮支承技術(shù)在風(fēng)力機(jī)上的應(yīng)用展開(kāi)了研究。

永磁懸浮風(fēng)力機(jī)是被動(dòng)磁軸承在風(fēng)力機(jī)上應(yīng)用的體現(xiàn)形式。武漢理工大學(xué)［3］率先對(duì)永磁懸浮風(fēng)力機(jī)展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了小型水平軸永磁懸浮風(fēng)力機(jī)(圖10)，和傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)相比，用徑向磁軸承取代了滾動(dòng)軸承，軸向通過(guò)調(diào)節(jié)徑向磁軸承內(nèi)、外磁環(huán)的軸向偏移產(chǎn)生向后軸端的軸向力，通過(guò)主軸軸端的小鋼球進(jìn)行約束，是一種典型的水平軸被動(dòng)磁懸浮風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)。在被動(dòng)磁懸浮支承方面，北京航空航天大學(xué)［6］提出一種軸向磁軸承采用錐形被動(dòng)磁軸承的磁懸浮風(fēng)力機(jī)方案，在國(guó)外學(xué)者提出的錐形軸向被動(dòng)磁軸承結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了永磁偏置磁軸承徑向承載的主、被動(dòng)相結(jié)合的風(fēng)力機(jī)磁支承方案，并對(duì)錐形被動(dòng)磁軸承的力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。華南理工大學(xué)［7］提出了一種新型的雙轉(zhuǎn)子永磁同步風(fēng)力機(jī)，前后兩個(gè)螺旋槳，設(shè)計(jì)了集風(fēng)套桶，可以二次利用風(fēng)能，降低啟動(dòng)風(fēng)速，提高風(fēng)能利用率。華東理工大學(xué)［8］對(duì)垂直軸磁懸浮風(fēng)力機(jī)用永磁軸承及葉片進(jìn)行分析計(jì)算，為了使磁性材料充分發(fā)揮其磁性能，對(duì)給定的磁性材料本身特點(diǎn)進(jìn)行分析，挖掘出其最大積點(diǎn)，并推導(dǎo)出其最佳工作尺寸。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)［9］設(shè)計(jì)出大型低速永磁風(fēng)力機(jī)，分別從減少有效材料用量、降低成本，提高效率和容錯(cuò)性能，改善冷卻性能及減重幾個(gè)方面對(duì)永磁風(fēng)力機(jī)進(jìn)行性能優(yōu)化研究，并研制出大型低速永磁風(fēng)力機(jī)樣機(jī)。

圖10 永磁懸浮風(fēng)力機(jī)示意圖

目前，為了體現(xiàn)商業(yè)價(jià)值，國(guó)外對(duì)磁懸浮風(fēng)力機(jī)的研究方向主要為永磁風(fēng)力機(jī)。為提高效率，環(huán)球風(fēng)能科技有限公司(Global Wind Technology Inc.簡(jiǎn)稱(chēng)GWT)設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)可商業(yè)化的磁懸浮垂直風(fēng)力機(jī)［10］。商用的一般為小型軸向磁通永磁風(fēng)力機(jī)，比較具有代表性的是法國(guó)Jeumont 公司早在2004年開(kāi)發(fā)的750 kW 直驅(qū)式軸向磁通永磁風(fēng)力機(jī)。在大型磁懸浮風(fēng)力機(jī)上，荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)對(duì)MW 級(jí)橫向磁通永磁風(fēng)力機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較和設(shè)計(jì)［11］。并與英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)在2010年聯(lián)合提出一種新型磁懸浮軸承支承風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，大大減少了大型直驅(qū)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。對(duì)于一個(gè)5 MW 的風(fēng)力機(jī)，采用磁懸浮軸承支承比采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)支承的轉(zhuǎn)子質(zhì)量減少了45%［12］。

3.2 電磁(主動(dòng))懸浮風(fēng)力機(jī)

電磁懸浮風(fēng)力機(jī)是采用磁軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械支承。山東科技大學(xué)［13］研究的磁懸浮風(fēng)力機(jī)為水平軸電磁懸浮結(jié)構(gòu)，其風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)直接耦合，將傳統(tǒng)的機(jī)械接觸支承換為主動(dòng)磁軸承(圖11)，徑向采用前后兩個(gè)徑向磁軸承支承，軸向采用軸向推力磁軸承支承。其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由主軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、保護(hù)軸承、位移傳感器和主動(dòng)磁軸承等組成，是一種典型的水平軸主動(dòng)磁懸浮風(fēng)力機(jī)。

圖11 磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖

3.3 混合磁懸浮風(fēng)力機(jī)

混合磁懸浮風(fēng)力機(jī)綜合應(yīng)用了主動(dòng)、被動(dòng)磁支承的特點(diǎn)。江蘇大學(xué)［14］設(shè)計(jì)了一種可用于垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的徑向四自由度直流混合磁懸浮支承系統(tǒng)，運(yùn)用最優(yōu)控制原理，采用線性二次型方法設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的混合磁軸承支承系統(tǒng)由兩個(gè)二自由度直流混合磁軸承、轉(zhuǎn)子、傳感器、電機(jī)、輔助軸承、鋼珠等部分組成，是一個(gè)典型的垂直軸混合磁懸浮支承系統(tǒng)(圖12)，其特點(diǎn)是:兩個(gè)混合磁懸浮徑向軸承限制了主軸在徑向的4 個(gè)自由度，軸向通過(guò)小鋼球定位，由布置在主軸兩端的機(jī)械球軸承提供輔助支承，徑向精度由電控系統(tǒng)保證。燕山大學(xué)［15］對(duì)垂直軸磁懸浮風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子展開(kāi)了系統(tǒng)控制研究，設(shè)計(jì)了基于模糊算法的滑模控制器，魯棒性好，能有效地抑制外界干擾。此外，為了保持系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)性能，將以自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)為基礎(chǔ)的ANFIS-PID 控制器應(yīng)用于磁懸浮風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)的垂直軸磁懸浮風(fēng)力機(jī)通過(guò)永磁軸承限制了徑向的4 個(gè)自由度，利用主動(dòng)磁懸浮軸承限制軸向的自由度，從而實(shí)現(xiàn)主軸在5 個(gè)自由度的穩(wěn)定懸浮(圖13)。這種電磁軸承和永磁軸承相結(jié)合的混合磁懸浮方案，改善了風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能，大大提高了其風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微噪聲。此外，山東大學(xué)［16］研制出新型風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可調(diào)槳距及低速發(fā)電，研制的離網(wǎng)型小型磁懸浮軸承垂直軸自調(diào)槳距風(fēng)力機(jī)適用于山區(qū)、湖邊、漁船海上作業(yè)、高速公路等環(huán)境。香港理工大學(xué)［17］提出了一種新型磁懸浮軸承支承垂直軸風(fēng)力機(jī)，并通過(guò)有限元法(FEM)對(duì)樣機(jī)模型中磁軸承的低扭矩進(jìn)行分析，驗(yàn)證了其可行性。

圖12 混合磁支承結(jié)構(gòu)

圖13 磁懸浮風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)

4 發(fā)展趨勢(shì)與研究方向

磁懸浮風(fēng)力機(jī)的研究尚處于起步階段，隨著翼型優(yōu)化技術(shù)，多種能源互補(bǔ)技術(shù)，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，并網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到磁懸浮風(fēng)力機(jī)中，磁懸浮風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，風(fēng)能利用率將大大提高。

4.1 發(fā)展趨勢(shì)

磁懸浮風(fēng)力機(jī)主要呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì):

(1)風(fēng)力機(jī)用磁懸浮支承，將以永磁軸承為主導(dǎo)，電磁為輔;磁懸浮支承技術(shù)在風(fēng)力機(jī)上應(yīng)用的范圍將以小型垂直軸風(fēng)力機(jī)為主體;

(2)將磁懸浮風(fēng)力機(jī)主軸系統(tǒng)各功能部件(輔助支承、磁軸承、發(fā)電機(jī)、接線器)模塊化;

(3)注重相關(guān)技術(shù)的研究，如磁性材料性能、位移反饋技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)等，這些是提高磁懸浮支承性能的基礎(chǔ);

(4)磁支承技術(shù)在風(fēng)力機(jī)上的應(yīng)用形式將向多元化發(fā)展，例如，美國(guó)將磁懸浮支承技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)力機(jī)葉片上［18］;曲阜師范大學(xué)研究了將磁支承技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)(對(duì)風(fēng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))中。

4.2 研究方向

對(duì)風(fēng)力機(jī)用磁懸浮支承技術(shù)研究的目的是，減小損耗，提高風(fēng)能利用率，滿足應(yīng)用要求。磁支承的性能主要包括動(dòng)態(tài)性能以及剛度、阻尼和穩(wěn)定性、功耗、機(jī)械特性、熱特性等。磁懸浮支承系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電磁混合系統(tǒng)，為了提高其性能可從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制研究入手，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁懸浮風(fēng)力機(jī)包括葉輪、主軸轉(zhuǎn)子、定子(支撐)、磁軸承、傳感器、輔助支承等機(jī)械結(jié)構(gòu)。

(1)葉片設(shè)計(jì)

葉片是風(fēng)力機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，其高效接收風(fēng)能的翼型，合理的升阻比、尖速比和葉片扭角是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。因此，葉片的設(shè)計(jì)分析理論、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、葉片氣動(dòng)分析、翼型設(shè)計(jì)、材料選擇、制造工藝以及動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、防雷措施等成為風(fēng)力機(jī)研究的熱點(diǎn)［19］。此外，為了進(jìn)一步提高風(fēng)力機(jī)機(jī)械性能，將可變安裝角技術(shù)和葉片開(kāi)縫技術(shù)應(yīng)用到磁懸浮風(fēng)力機(jī)葉片上將大大提高其效率，是風(fēng)力機(jī)葉片新的研究方向。

(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的面較廣，在此主要就兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。發(fā)電時(shí)的磁阻以及葉片、主軸、軸承、發(fā)電機(jī)鐵芯的自身質(zhì)量所產(chǎn)生的阻力矩是風(fēng)力機(jī)效率提高的主要障礙，要提高風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能，在提供相同大小電磁力的情況下，對(duì)磁軸承的質(zhì)量進(jìn)行最小優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及在滿足要求下對(duì)磁懸浮風(fēng)力機(jī)主軸優(yōu)化設(shè)計(jì)是開(kāi)發(fā)成熟的磁懸浮風(fēng)力機(jī)的必經(jīng)之路。其次，傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)對(duì)冷卻沒(méi)有特殊要求，因此磁懸浮風(fēng)力機(jī)的冷卻問(wèn)題容易被忽略。熱特性是磁支承的重要特性，設(shè)計(jì)合理的冷卻系統(tǒng)是保證磁支承提供穩(wěn)定電磁力的基礎(chǔ)，此外，運(yùn)用有限元分析理論，結(jié)合風(fēng)力機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)自動(dòng)風(fēng)冷結(jié)構(gòu)也是新的研究方向。

(3)磁軸承設(shè)計(jì)

磁軸承是磁懸浮風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件，磁軸承設(shè)計(jì)的任務(wù)是使磁支承的推力及穩(wěn)定性(推力波動(dòng))達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了多種磁軸承結(jié)構(gòu)形式，已從單一化的軸向、徑向結(jié)構(gòu)發(fā)展到軸向徑向一體化的三自由度軸承結(jié)構(gòu)和完整的五自由度磁軸承結(jié)構(gòu)。磁軸承類(lèi)型比較分析，磁性材料的特性研究，磁軸承的承載特性研究，低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單型磁軸承的研究，高精度、加工難度小、低漏磁的磁軸承研究，磁軸承的容錯(cuò)、冗余功能研究，以及磁軸承與無(wú)軸承電機(jī)的一體化研究將成為磁懸浮風(fēng)力機(jī)用磁軸承的研究方向。另外，磁懸浮風(fēng)力機(jī)是一個(gè)典型的機(jī)電磁一體化系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)將減小磁場(chǎng)間的耦合作用納入磁軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化的范疇［20-21］。

4.2.2 控制研究

控制技術(shù)研究是磁懸浮風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的另一重點(diǎn)和難點(diǎn)。磁懸浮風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)子，這樣外界風(fēng)速的變化就直接作用于主軸上;鳥(niǎo)類(lèi)撞擊、雨水沖擊、雪凍堆積等外界擾動(dòng)也未經(jīng)衰減就直接作用于風(fēng)力機(jī)主軸上;磁軸承參數(shù)的變化也直接影響著風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行。這些因素都給磁懸浮風(fēng)力機(jī)的控制帶來(lái)困難。控制算法中必須要對(duì)這些負(fù)載和擾動(dòng)予以抑制或補(bǔ)償，否則將造成系統(tǒng)失衡。因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小、自適應(yīng)性好、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高等要求。磁懸浮風(fēng)力機(jī)不同的結(jié)構(gòu)形式及不同的應(yīng)用場(chǎng)所對(duì)控制算法的要求不盡相同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取合理的控制方法。目前，磁懸浮風(fēng)力機(jī)采用的控制策略主要有傳統(tǒng)的模糊控制、滑?？刂?、PID 控制，現(xiàn)代的滑模變結(jié)構(gòu)控制、智能控制、模糊PID 控制、模糊滑?？刂啤⑸窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、H∞控制等［16］。

控制器的性能決定了磁懸浮風(fēng)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及剛度、阻尼和穩(wěn)定性。目前采用廣泛的模擬控制技術(shù)在一定程度上滿足了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但與數(shù)字控制技術(shù)相比，有在線調(diào)節(jié)性能差、難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制、互換性差、功耗大、體積大等局限性。因此，從提高磁懸浮風(fēng)電系統(tǒng)性能、可靠性、增強(qiáng)控制器柔性、減小體積和功耗和今后往智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展角度看，控制系統(tǒng)的數(shù)字化將成為磁懸浮風(fēng)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究方向。

4.2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

理論研究是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但要驗(yàn)證磁懸浮風(fēng)力機(jī)的性能，歸根到底要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的性能檢測(cè)技術(shù)已成熟，并趨于標(biāo)準(zhǔn)化，但磁懸浮風(fēng)力機(jī)的性能試驗(yàn)方法尚未統(tǒng)一。因此，為了進(jìn)一步促進(jìn)理論研究，研究高效準(zhǔn)確的磁懸浮風(fēng)力機(jī)性能試驗(yàn)方法也將成為一個(gè)重要的課題。準(zhǔn)確測(cè)量啟動(dòng)扭矩、轉(zhuǎn)速、主軸徑向偏移等參數(shù)是實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵，如有必要還需設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)臺(tái)。

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步制造出樣機(jī)，并通過(guò)樣機(jī)的性能試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性。一臺(tái)性能優(yōu)良的磁懸浮風(fēng)力機(jī)要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)驗(yàn)算、試驗(yàn)才能制造出來(lái)。

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