新型垂直軸磁懸浮風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)構(gòu)建及其控制策略分析

　　摘 要：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、制造和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有較廣闊的市場(chǎng)前景，但傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)由于啟動(dòng)性能較差、風(fēng)能利用率較低因而沒有得到廣泛應(yīng)用，而現(xiàn)有的磁懸浮垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于其較高的損耗率和較高的成本也沒有得到普及。文章構(gòu)建了一種新型的垂直軸磁懸浮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，并根據(jù)風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作狀況提出了基于最大風(fēng)能跟蹤的自適應(yīng)智能控制策略，保證風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的同時(shí)降低損耗，為垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)展提供了一條新的思路。

　　關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī);磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng);自適應(yīng)智能控制

　　1 概述

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的一種設(shè)備，可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩種[1]，水平軸風(fēng)機(jī)的技術(shù)相對(duì)成熟但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)[2]，且大型化基本已經(jīng)達(dá)到了極限，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為其中重要的一支，具有啟動(dòng)風(fēng)速低、噪聲低、制造和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有較廣闊的市場(chǎng)前景，一些國內(nèi)外專家和研究人員將研究的目光重新投向了垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[3-4]。隨著磁懸浮技術(shù)和電氣控制技術(shù)的發(fā)展，近年來很多研究者將磁懸浮技術(shù)成功應(yīng)用于中小型垂直軸風(fēng)機(jī)上，取得了很多新的技術(shù)突破，大大提高了風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率及其使用范圍[5]。但目前大多數(shù)垂直軸磁懸浮發(fā)電機(jī)技術(shù)主要采用單一的主動(dòng)磁懸浮軸承或被動(dòng)磁懸浮結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力，特別是在低風(fēng)速區(qū)，由于垂直軸磁懸浮發(fā)電機(jī)長時(shí)間處于待發(fā)電區(qū)和發(fā)電區(qū)之間，主動(dòng)磁懸浮發(fā)電機(jī)的電磁損耗比較大[6]。因此，如果垂直軸磁懸浮風(fēng)機(jī)具有多種工作模式，可以在低風(fēng)速區(qū)、中風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)自動(dòng)選擇最佳的工作模式，在不降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速同時(shí)減少電磁損耗，再通過風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)來優(yōu)化整個(gè)垂直軸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，那么將大大提高其實(shí)用性，并擴(kuò)大其使用范圍。

　　2 多模式磁懸浮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)構(gòu)建

　　如圖1所示，設(shè)計(jì)的多模態(tài)磁懸浮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)磁主軸承、轉(zhuǎn)子體、定子線圈、陶瓷滾珠、軸向懸浮磁鋼、懸浮定位磁鋼、定位平面線圈、電源、傳感器、發(fā)電機(jī)箱體和垂直軸風(fēng)機(jī)主軸等。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)最中間部分是軸向電磁軸承，通電后可以使轉(zhuǎn)子體懸浮;電磁軸承的頂部是陶瓷滾珠軸承，在靜態(tài)和低速時(shí)滾珠軸承支撐著轉(zhuǎn)子體運(yùn)動(dòng);轉(zhuǎn)子體周邊放置著至少三個(gè)懸浮定位執(zhí)行線圈，保證轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的安全穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可以說是整個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件，發(fā)電時(shí)將磁轉(zhuǎn)子系統(tǒng)豎直放置在垂直軸風(fēng)機(jī)底部的發(fā)電機(jī)箱體中，結(jié)合垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際工作情況，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有三種工作模式。

　　(1)在風(fēng)速較低時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在摩擦阻力很小的陶瓷頂珠軸承帶動(dòng)下低速轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼處于低速平衡狀態(tài)時(shí)，其加速度為零，即所受合力為零，轉(zhuǎn)子磁鋼的重力就等于陶瓷滾珠軸對(duì)其向上的支持力。此時(shí)，電機(jī)近似等效于一個(gè)永磁異步電動(dòng)機(jī)。

　　(2)當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向力線圈磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子體浮起，轉(zhuǎn)子體無硬摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)高效發(fā)電，此時(shí)磁懸浮發(fā)電機(jī)中有兩套線圈繞組同時(shí)工作，一套用于產(chǎn)生電磁力和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子線圈繞組，另一套是使磁懸浮發(fā)電機(jī)產(chǎn)生可控懸浮力的軸向力線圈組。

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