关于磁悬浮电机的应用现状与发展趋势

关于磁悬浮电机的应用现状与发展趋势李宇佳（北京交通大学，北京，100000)摘要：本文概述了磁悬浮电机的原理及优点，重点介绍了磁悬浮风力发电机的结构和工作原理。并简述了磁悬浮电机当前的应用领域。最后本文展望了磁悬浮电机未来的发展方向。关键词：磁悬浮电机；风力发电机DevelopingTrendsofMagneticallyLevitatedElectricMachinesandTheirApplicationsLiYujia(BeijingjiaotongUniversity,Beijing,100000)Abstract：Inthispaper,theprincipleandadvantagesoftheagneticallyLevitatedElectricMachinesaresummarized.Thestructureandworkingprincipleofthemagneticlevitationwindgeneratorareintroduced.ThecurrentapplicationfieldofagneticallyLevitatedElectricMachinesisbrieflyintroduced.Finally,thefuturedevelopmentdirectionoftagneticallyLevitatedElectricMachinesisprospected.Keyword:lagneticallyLevitatedElectric;Machineswindpowergenerator1引言传统的a电机是由定子和动子组成，定子与动子之间通过机械轴承联接或存在机械接触，因此动子运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机械振动和噪声，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机是利用定子和动子励磁磁场之间“同性相斥，异性相吸”的原理使动子悬浮起来，同时产生推进力驱使动子在悬浮状态下运动。因此，定子与动子之间不存在任何机械接触，可以产生较高的加速度和减速度，机械磨损小，机械与电气保护容易，维护、检修和更换方便，适用于恶劣环境、极其洁净无污染环境和特殊需要的领域。磁悬浮电机的研究越来越受到科技工作者的重视，其发展前景令人鼓舞。2磁悬浮轴承电机为了克服传统旋转电机存在机械轴承和机械摩擦的不足，目前已研制出各种无接触式磁轴承，用来取代机械轴承。典型的磁悬浮轴承如径向磁轴承、径向推力磁轴承和轴向磁悬浮轴承，以及径向自由度可控的电磁悬浮轴承。2.1径向磁悬浮轴承径向磁悬浮轴承是由两个径向磁化同轴空心圆柱组成，磁化方向相反。当两个磁化圆柱轴向重合、径向同心时，圆柱所受径向磁场推力为零。而当两个磁化圆柱发生轴线偏移时，由于圆柱之间气隙磁场极性相同产生不平衡排斥力使圆柱轴线趋于一致。这种径向磁轴承虽然能做到径向自动稳定，但磁轴承轴向不稳定，而且当轴线偏转时，角向稳定性也不好，因此用途有限。2.2径向推力磁悬浮轴承径向推力磁悬浮轴承通常采用两个轴向磁化，而磁化方向相反(也可采用一个轴向磁化，而另一个径向磁化的同轴空心圆柱，但轴向错开一定位置，不仅能保持径向稳定性，而且提高了轴向和角向稳定性。2.3电磁悬浮轴承这种多自由度电磁力控制的磁悬浮轴承，转轴两端均有水平方向和垂直方向两个自由度电磁力控制系统，而轴向通过驱动部分控制。当转轴在水平方向或垂直方向发生偏离时，分别控制水平或垂直方向的差动励磁线圈电流，由于电磁力大小与励磁线圈和气隙大小有关，因此可以通过改变电磁力使转轴趋于平衡位置。这种磁轴承虽然转子转动惯量不大，但由于控制线圈产生磁场使转轴受到一个与转向相反的电磁转矩，而且该电磁转矩随着转速增大而增大，因此对驱动系统转矩要求比较高，仅适用于低速大转矩的领域应用。磁悬浮轴承电机要解决的主要问题是轴承的支撑力，而驱动力仍然依靠电机本身来解决。因此，磁悬浮轴承电机虽然可以做到悬浮与驱动独立控制，但系统结构尺寸比较庞大，转动惯量大，系统动态响应比较缓慢，易于引起系统振荡甚至不稳定运行。3磁悬浮电机的应用3.1在风力发电机中的应用（1）工作原理直驱式磁悬浮风力发电机，其风轮和发电机直接耦合，结构与传统风力发电机结构相似，例如，可以把原来的机械轴承全部换成主动磁悬浮轴承，径向有前后两个径向磁轴承支承，轴向采用轴向推力磁轴承支承。如图1所示，一种水平轴磁悬浮风力发电机是由风轮叶片、发电机结构、保护轴承、主动磁悬浮轴承等构成的。考虑到轴向推力盘重量比较大，因此将其放在靠近中间的位置，保护轴承位于发电机转轴两侧的最外端。图1磁悬浮风力发电机机构示意图磁悬浮风力发电机是一种风－机－电能量转换装置，其工作原理:发电机转子稳定悬浮于空间，通过风带动叶片转动，并传递到整个风力发电机的转轴，由发电机完成机械能向电能的转换，最后，利用电力电子变换器将其转换成负载所需的电能。（2）关键技术分析对于风力发电机而言，降低其起动风速，提高风力发电质量是关键技术。要达到这两个要求，需要解决的关键问题有:风轮叶片技术、磁悬浮支承技术、发电机技术和储能技术，下面围绕磁悬浮风力发电机的四点关键技术进行分析。由流体力学可知，风能计算表达式:312TSv(1)式中:ρ是空气密度；S是叶片扫风面积；ν是风速。由贝茨理论可以得到叶片上所能获得的最大功率:maxPPCT(2)式中:Cp是贝茨功率系数，Cp=0．593。由式(1)和式(2)可见，为提高风能向机械能的转换效率，可以通过增加叶片的扫风面积和叶片优化设计来实现。这需解决3个问题:①提高叶尖速比；②叶片材料的选择；③叶片结构的设计。a叶尖速比是用来表述风电机特性的一个重要的参数，用λ来表示:260VRnvv(3)式中:V是叶片尖端线速度；ν是风速；n是风轮转速；Ｒ是风轮转动半径。由式(3)可知，同风速下的叶尖速比越大，叶片转速越快。现代的风力发电机常用的是2枚到3枚叶片，理想情况下，由风机叶片数与λ的匹配关系知，λ在5～8的范围变化。b根据风轮叶片材料的发展史，叶片可以分为木制叶片、铝合金等弦长叶片、钢制叶片、玻璃钢叶片。由于木制叶片不易制造成扭曲状，且存在木材强度低等诸多问题，限制了其在风力发电机中的应用和发展。为满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，随后，出现了钢梁玻璃纤维、铝合金和玻璃钢制成的叶片。在选择叶片材料时，通常选用叶片强度、刚度满足要求，又具备较好的气动性能的玻璃钢复合材料。因此，材料的选择将直接影响着风轮叶片捕获风能的能力。c叶片结构设计主要包括剖面结构设计、铺层设计和根端设计三个方面的内容。当采用玻璃钢材料来制造风轮叶片时，材料的强度、弹性模量的差异以及工艺的多样性是重要的注意事项。例如，和空腹金属材料的叶片相比较，虽然玻璃钢材料的弹性模量较低，但其强度比金属材料高，完全可以在不改变外形尺寸的情况下，代替金属材料。但是，玻璃钢材料的叶片却难以达到金属材料同等的刚度，而此时，盲目地增加叶片厚度，必然会影响到叶片的气动性能。综上所述，选用玻璃钢材料制作叶片时，总是希望制作较厚的叶型，并采用空腹的结构。铺层设计主要是确定纤维量和纤维方向。合理地安排铺层的方向、角度和比例，可以保证叶片气动载荷和所受离心力的满足要求；根端设计主要考虑到叶根是叶片和轮毂的紧密连接处，并且叶片的断裂也往往发生在叶根上。叶根根据各叶片的使用情况、风力机结构、尺寸及功率来设计，其安全系数要比叶片本身要大一些，一般大1．5～2倍。此外，可以借助三维建模软件Pro/E对叶片进行三维实体建模，并利用Ansys仿真软件对叶片进行动力学分析。3.2在空调中的应用随着科技的不断进步与发展，磁悬浮轴承性能在不断地提升，同时受电子元件的集成化也促使其成本逐年降低。虽然国内外经过多年的探索，磁悬浮产品在不少领域成功地应用，但是该项技术领域仍然存在很多难题，如控制系统的优化设计以及材料转子轴系动力特性问题等。为了更有效地改进控制方法和策略需要在深人研究控制系统的同时，着重研究转子系统的动力学特性，从而达到对复杂转子的理想控制。目前空调风机多采用机械轴承，风机主轴与轴承之间会产生机械摩擦，而电机必需克服这部分摩擦才能驱动风叶旋转，同时造成电机发热产生较大幅度的振动使得风机寿命降低。要想实现风机长时间的运行还需轴承润滑系统和冷却系统的改进。如果采用磁悬浮轴承，定、转子之间没有机械摩擦，磁悬浮轴承运转阻力为零不会发热，从而省去了冷却系统和润滑系统，减少了体积重量，提高了可靠性和寿命悬浮运转大大减少了机械噪声，同时也大大减少了机械振动，振动幅度远远小于普通风机，提高了整个空调稳定性。从目前内的磁悬浮轴承技术水平来看，虽然已经具备了应用在常温设备上的条件，但是仍然存在两方面的问题：一方面由于较难实现磁悬浮轴承转子的高精度控制，因而造成系统可靠性差以及故障率高；另一方面，欠缺标准化的产品工艺。4磁悬浮电机的应用领域4.1电子工业超大规模集成电路的发展要求半导体硅片在超真空、无杂质密封室内加工，对传送硅片的机器人具有苛刻的要求:既不能用润滑油，也不能产生尘粒和气体，因此采用磁悬浮电机直接控制机器人及其操纵手臂成为理想的选择。另外在集成电路制版过程中磁悬浮将会取代气垫悬浮芯片布焊。4.2化工领域环境污染严重的放射性环境或高温辐射环境，如用磁悬浮轴承驱动调速离心泵进行核废料处理，可以解决机械轴承磨损与定期维修的难题。4.3柔性制造、加工和传送系统工件的悬浮保持与传送。如基于同高速通讯网络互联的分布式磁悬浮直线感应电机群、各种功率转换和控制器组成的高速、高加减速度材料运输系统。基于磁悬浮技术的石油和煤炭输送系统，可以减小原油与输油管之间的接触粘滞力，极大地提高输油速度，在多山地区，磁悬浮煤炭输送系统不仅解决铁路运输的难题，而且适用于爬坡和全天候工作。4.4轨道交通超导磁悬浮机车能实现超高速、大容量平稳安全运输，极大地提高运输效率，高温超导磁悬浮机车是未来列车发展的趋势。4.5生命科学领域心脏是人生命中的永动机，一旦发生故障难以修复。利用人工心脏部分或全部替代心脏功能成为心脏病患者生命延续的关键。过去利用机械轴承人工心脏血泵会产生摩擦和发热，使血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。现在国外研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵，采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高，而且可以防止血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅为解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活质量，而且为人类延续生命具有深远意义。5磁悬浮电机的发展趋势5.1新材料应用(1)稀土永磁材料，如钕铁硼NdFeB，具有磁能积高和功耗低的特点，而且我国稀土蕴藏量丰富，开发研究潜力巨大。(2)高温超导材料，如YBaCuO，利用超导材料的抗磁特性或磁链守恒特性产生巨大的电磁力，可以预见高温超导材料在磁悬浮控制中将得到广泛应用，如超导磁轴承用于电力系统大惯量飞轮储能，直线电机超导磁场梯度悬浮推进系统。(3)稀土高温超导REBa2Cu3O7-x和光稀土高温超导LREBa2Cu3O7-x在77K温度下具有极高的电流密度，可以产生极强的磁场，这些新材料的研制成功将为高速磁悬浮机车的应用提供又一新的设计方案。5.2新技术应用超声波传感技术和激光传感技术在高速磁悬浮运动定位控制中的应用，提高了定位速度和精度；可编程逻辑控制技术在复杂磁悬浮系统中实现自动时序控制；高性能逆变器设计和智能化非线性电机控制技术应用；利用以计算机技术和网络通信技术为基础的全球定位系统GPS为磁悬浮系统提供快捷的宏观监测、控制和服务。5.3新领域应用磁悬浮电机不仅在电气等工业领域得到广泛应用，而且在生命科学领域也开始得到应用，充分显示了磁悬浮电机在国民经济发展和人们生活质量提高。6总结本文介绍了磁悬浮电机，具有无摩擦和磨损，无润滑油污染，寿命长等一系列优点。随着市场需求的改变以及用户体验的认可，未来磁浮轴承被应用的数量将会不断的增长以及型号也会不断的改变，由此也可