新型垂直軸磁懸浮風機轉子系統構建及其控制策略分析

　　摘 要：垂直軸風力發電機具有結構簡單、噪聲低、制造和維護成本低等優點，在中小型風力發電機中具有較廣闊的市場前景，但傳統的垂直軸風力機由于啟動性能較差、風能利用率較低因而沒有得到廣泛應用，而現有的磁懸浮垂直軸風力發電機由于其較高的損耗率和較高的成本也沒有得到普及。文章構建了一種新型的垂直軸磁懸浮發電機轉子系統，并根據風機的實際工作狀況提出了基于最大風能跟蹤的自適應智能控制策略，保證風機風能利用率的同時降低損耗，為垂直軸風機的發展提供了一條新的思路。

　　關鍵詞：垂直軸風力發電機;磁懸浮轉子系統;自適應智能控制

　　1 概述

　　風力發電機是將風能轉化成電能的一種設備，可分為水平軸風力機和垂直軸風力機兩種[1]，水平軸風機的技術相對成熟但存在結構復雜、制造和維護成本高等缺點[2]，且大型化基本已經達到了極限，而垂直軸風力發電機作為其中重要的一支，具有啟動風速低、噪聲低、制造和維護成本低等優點，在中小型風力發電機中具有較廣闊的市場前景，一些國內外專家和研究人員將研究的目光重新投向了垂直軸風力發電系統[3-4]。隨著磁懸浮技術和電氣控制技術的發展，近年來很多研究者將磁懸浮技術成功應用于中小型垂直軸風機上，取得了很多新的技術突破，大大提高了風機的發電效率及其使用范圍[5]。但目前大多數垂直軸磁懸浮發電機技術主要采用單一的主動磁懸浮軸承或被動磁懸浮結構，缺乏對環境變化的適應能力，特別是在低風速區，由于垂直軸磁懸浮發電機長時間處于待發電區和發電區之間，主動磁懸浮發電機的電磁損耗比較大[6]。因此，如果垂直軸磁懸浮風機具有多種工作模式，可以在低風速區、中風速區和高風速區自動選擇最佳的工作模式，在不降低風力發電機啟動風速同時減少電磁損耗，再通過風機控制系統的智能調節來優化整個垂直軸浮風力發電機，從而提高風力發電機組的發電效率，那么將大大提高其實用性，并擴大其使用范圍。

　　2 多模式磁懸浮發電機轉子系統構建

　　如圖1所示，設計的多模態磁懸浮發電機轉子系統結構包括導磁主軸承、轉子體、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、發電機箱體和垂直軸風機主軸等。轉子系統最中間部分是軸向電磁軸承，通電后可以使轉子體懸浮;電磁軸承的頂部是陶瓷滾珠軸承，在靜態和低速時滾珠軸承支撐著轉子體運動;轉子體周邊放置著至少三個懸浮定位執行線圈，保證轉子在高速運轉時的安全穩定。發電機的轉子系統可以說是整個垂直軸風力機的關鍵部件，發電時將磁轉子系統豎直放置在垂直軸風機底部的發電機箱體中，結合垂直軸風力發電機的實際工作情況，發電機轉子系統有三種工作模式。

　　(1)在風速較低時，發電機轉子系統在摩擦阻力很小的陶瓷頂珠軸承帶動下低速轉動;當轉子磁鋼處于低速平衡狀態時，其加速度為零，即所受合力為零，轉子磁鋼的重力就等于陶瓷滾珠軸對其向上的支持力。此時，電機近似等效于一個永磁異步電動機。

　　(2)當風速達到一定值時，轉子系統軸向力線圈磁場使轉子體浮起，轉子體無硬摩擦運轉高效發電，此時磁懸浮發電機中有兩套線圈繞組同時工作，一套用于產生電磁力和旋轉磁場的定子線圈繞組，另一套是使磁懸浮發電機產生可控懸浮力的軸向力線圈組。

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