关于磁悬浮电机应用现状与发展趋势

对于磁悬浮电机的应用现状与发展趋向之青柳念文创作李宇佳（北京交通大学，北京，100000)纲要：本文概括了磁悬浮电机的原理及长处，要点先容了磁悬浮风力发电机的布局和工作原理.并简述了磁悬浮电机目前的应用范围.最后本文展望了磁悬浮电机将来的发展方向.要点词：磁悬浮电机；风力发电机DevelopingTrendsofMagneticallyLevitatedElectricMachinesandTheirApplicationsLiYujia(BeijingjiaotongUniversity,Beijing,100000)Abstract：Inthispaper,theprincipleandadvantagesoftheagneticallyLevitatedElectricMachinesaresummarized.Thestructureandworkingprincipleofthemagneticlevitationwindgeneratorareintroduced.ThecurrentapplicationfieldofagneticallyLevitatedElectricMachinesisbrieflyintroduced.Finally,thefuturedevelopmentdirectionoftagneticallyLevitatedElectricMachinesisprospected.Keyword:lagneticallyLevitatedElectric;Machineswindpowergenerator1前言传统的a电机是由定子和动子构成，定子与动子之间经过机械轴承联接或存在机械接触，所以动子运动过程中存在机械磨擦.机械磨擦不只增添动子的磨擦阻力，使运动零件磨损，发活力械振动和噪声，并且会造成零件发热，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，进而降低电机效能，最后缩短电机使用寿命.磁悬浮电机是操控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，同时发生推动力驱遣动子在悬浮状态下运动.所以，定子与动子之间不存在任何机械接触，能够发生较高的加快度和减速度，机械磨损小，机械与电气珍爱简单，保护、检修和改换方便，合用于恶劣环境、极其洁净无污染环境和特别需要的范围.磁悬浮电机的研究愈来愈遇到科技工作者的重视，其发展远景令人激励.2磁悬浮轴承电机为了投降传统旋转电机存在机械轴承和机械磨擦的缺少，今朝已研制出各样无接触式磁轴承，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构成，磁化方向相反.当两个磁化圆柱轴向重合、径向齐心时，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，因为圆柱之间气隙磁场极性同样发生不服衡排斥力使圆柱轴线趋于一致.这类径向磁轴承固然能做到径向自动稳固，但磁轴承轴向不稳固，并且当轴线偏转时，角向稳固性也不好，所以用途有限.2.2径向推力磁悬浮轴承径向推力磁悬浮轴承往常采纳两个轴向磁化，而磁化方向相反(也可采纳一个轴向磁化，而此外一个径向磁化的同轴空心圆

柱，但轴向错开必定地点，不只能坚持径向稳固性，并且提高了轴向和角向稳固性.2.3电磁悬浮轴承这类多自由度电磁力克制的磁悬浮轴承，转轴两端均有水平方向和垂直方向两个自由度电磁力克制系统，而轴向经过驱动部分克制.当转轴在水平方向或垂直方向发生偏离时，分别克制水平或垂直方向的差动励磁线圈电流，因为电磁力大小与励磁线圈随和隙大小相关，所以能够经过改变电磁力使转轴趋于均衡地点.这类磁轴承固然转子转动惯量不大，但因为克制线圈发生磁场使转轴遇到一个与转向相反的电磁转矩，并且该电磁转矩跟着转速增大而增大，所以对驱动系统转矩要求比较高，仅合用于低速大转矩的范围应用.磁悬浮轴承电机要办理的主要问题是轴承的支撑力，而驱动力仍旧依赖电机自己来办理.所以，磁悬浮轴承电机固然能够做到悬浮与驱动独立克制，但系统布局尺寸比较复杂，转动惯量大，系统动向响应比较迟缓，易于惹起系统振荡甚至不稳固运行.3磁悬浮电机的应用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，布局与传统风力发电机布局相像，比如，能够把本来的机械轴承所有换成主动磁悬浮轴承，径向有前后两个径向磁轴承支承，轴向采纳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、发电机布局、珍爱轴承、主动磁悬浮轴承等构成的.考虑到轴向推力盘重量比较大，所以将其放在靠近中间的位置，珍爱轴承位于发电机转轴双侧的最外端.图1磁悬浮风力发电机机构表示图磁悬浮风力发电机是一种风－机－电能量变换装置，其工作原理:发电机转子稳固悬浮于空间，经过风带动叶片转动，并传达到整个风力发电机的转轴，由发电机达成机械能向电能的变换，最后，操控电力电子变换器将其变换成负载所需的电能.2）要点技术剖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要点技术.要达到这两个要求，需要办理的要点问题有:风轮叶片技术、磁悬浮支承技术、发电机技术和储能技术，下边环绕磁悬浮风力发电机的四点要点技术停止剖析.由流体力学可知，风能计算表达式:T1Sv3(1)2式中:ρ是空气密度；S是叶片扫风面积；ν是风速.由贝茨实质能够获取叶片上所能获取的最大功率:PmaxCPT(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变换效率，能够经过增添叶片的扫风面积和叶片优化设计来实现.这需办理3个问题:①提高叶尖速比；②叶片资料的选择；③叶片布局的设计.叶尖速比是用来表述风电机特征的一个重要的参数，用λ来表示:V2Rn(3)v60v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.现代的风力发电机经常使用的是2枚到3枚叶片，志向状况下，由风机叶片数与λ的般配关系知，λ在5～8的范围变更.b依据风轮叶片资料的发展史，叶片能够分为木制叶片、铝合金等弦长叶片、钢制叶片、玻璃钢叶片.因为木制叶片不简单制造成扭曲状，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少叶片重量，随后，出现了钢梁玻璃纤维、铝合金和玻璃钢制成的叶片.在选择叶片资料时，往常采用叶片强度、刚度满足要求，又拥有较好的气动性能的玻璃钢复合资料.所以，资料的选择将直接影响着风轮叶片捕捉风能的才能.叶片布局设计主要包括剖面布局设计、铺层设计和根端设计三个方面的内容.当采纳玻璃钢资料来制造风轮叶片刻，资料的强度、弹性模量的差异以及工艺的多样性是重要的注意事项.比如，和空腹金属资料的叶片对比较，固然玻璃钢资料的弹性模量较低，但其强度比金属资料高，完整能够在不改变外形尺寸的状况下，取代金属资料.可是，玻璃钢资料的叶片却难以达到金属资料同样的刚度，而此时，自觉地增添叶片厚度，必然会影响到叶片的气动性能.综上所述，采用玻璃钢资料制作叶片刻，老是希望制作较厚的叶型，并采纳空腹的布局.铺层设计主假如确立纤维量和纤维方向.合理地安插铺层的方向、角度和比率，能够担保叶片气动载荷和所受向心力的满足要求；根端设计主要考虑到叶根是叶片和轮毂的慎密毗邻处，并且叶片的断裂也常常发生在叶根上.叶根依据各叶片的使用状况、风力机布局、尺寸及功率来设计，其安全系数要比叶片自己要大一些，一般大1．5～2倍.其他，能够借助三维建模软件Pro/E对叶片停止三维实体建模，并操控Ansys仿真软件对叶片停止动力学剖析.跟着科技的不断行进与发展，磁悬浮轴承性能在不断地提高，同时受电子元件的集成化也促进其成本逐年降低.固然国表里颠末多年的探究，磁悬浮产品在好多范围成功地应用，可是该项技术范围仍旧存在好多困难，如克制系统的优化设计以及资料转子轴系动力特征问题等.为了更有效地改良克制方法和战略需要在深人研究克制系统的同时，侧重研究转子系统的动力学特征，进而达到对复杂转子的志向克制.今朝空调风机多采纳机械轴承，风机主轴与轴承之间会发活力械磨擦，而电机一定投降这部分磨擦才华驱动风叶旋转，同时造成电机发热发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良.假如采纳磁悬浮轴承，定、转子之间没有机械磨擦，磁悬浮轴承运行阻力为零不会发热，进而省去了冷却系统和润滑系统，减少了体积重量，提高了靠得住性和寿命悬浮运行大大减少了机械噪声，同时也大大减少了机械振动，振动幅度远远小于一般风机，提高了整个空调稳固性.从今朝内的磁悬浮轴承技术水平来看，固然已经拥有了应用在常温设施上的条件，可是仍旧存在双方面的问题：一方面因为较难实现磁悬浮轴承转子的高精度克制，因此造成系统靠得住性差以及故障率高；此外一方面，短缺尺度化的产品工艺.4磁悬浮电机的应用范围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，对传递硅片的机器人拥有苛刻的要求:既不克不及用润滑油，也不克不及发生尘粒随和体，所以采纳磁悬浮电机直接克制机器人及其把持手臂成为志向的选择.其他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化工范围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停止核废料办理，能够办理机械轴承磨损与按期维修的困难.4.3柔性制造、加工和传递系统工件的悬浮坚持与传递.如鉴于同高速通信网络互联的散布式磁悬浮直线感觉电机群、各样功率变换和克制器构成的高速、高加减速度资料运输系统.鉴于磁悬浮技术的石油和煤炭输送系统，能够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，在多山地域，磁悬浮煤炭输送系统不只办理铁路运输的困难，并且合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

安稳安全运输，极大地提高运输效率，高温超导磁悬浮机车是将来列车发展的趋向.4.5生命迷信范围心脏是人生射中的永动机，一旦发生故障难以修复.操控人工心脏部分或所有代替心脏功能成为心脏病患者生命持续的要点.过去操控机械轴承人工心脏血泵会发生磨擦和发热，使血细胞损坏，惹起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命.此刻外国研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵，采纳无机械接触式磁悬浮布局不只效率高，并且能够防备血细胞损坏，惹起溶血、凝血和血栓等问题.磁悬浮血泵的研究不只为除去心血管病患者的疾苦，提高患者生活质量，并且为人类持续生命拥有深远意义.磁悬浮电机的发展趋向5.1新资料应用(1)稀土永磁资料，如钕铁硼NdFeB，拥有磁能积高和功耗低的特色，并且我国稀土储藏量丰富，开拓研究潜力弘大.(2)高温超导资料，如YBaCuO，操控超导资料的抗磁特征或磁链守恒特征发生宏大的电磁力，能够预示高温超导资料在磁悬浮克制中将获取宽泛应用，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动系统.(3)稀土高温超导REBa2Cu3O7-x和光稀土高温超导LREBa2Cu3O7-在x77K温度下拥有极高的电流密度，能够发生极强的磁场，这些新资料的研制成功将为高速磁悬浮机车的应用供给又一新的设计方案.超声波传感技术和激光传感技术在高速磁悬浮运动定位克制中的应用，提高了定位速度和精度；可编程逻辑克制技术在复杂磁悬浮系统中实现自动时序克制；高性能逆变器设计和智能化非线性电机克制技术应用；操控以计算机技术和网络通信技术为基础的全世界定位系统GPS为磁悬浮系统供给快捷的宏观监测、克制和服务.磁悬浮电机不只在电气等工业范围获取宽泛应用，并且在生命迷信范围也