CN109826867A - 一种混合磁悬浮轴承系统及发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于发电机混合磁悬浮轴承系统，包括混合磁悬浮轴承，混合磁悬浮轴承中设置有永磁体和电磁铁，永磁体和电磁铁配合形成轴承磁回路，永磁体可为混合磁悬浮轴承的磁回路提供永磁磁动势，永磁体产生的磁场为发电机的转子部分提供悬浮力。本发明的混合磁悬浮轴承系统能够消除转动部件和固定部件之间的摩擦和磨损，降低风力发电机的启动最低风速，显著提高风力发电机主轴轴承的使用寿命和可靠性，因风力发电机主轴轴承的维修成本非常高，因而提高主轴轴承使用寿命具有显著的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承系统技术领域，尤其涉及一种用于发电机的混合磁悬浮轴承系统。
背景技术
风力发电机是将风能转换为机械功并带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机可以分为双馈型和直驱型两种类型。相比于双馈型风力发电机，直驱型风力发电机将电机与叶轮直接连接进行驱动，省去了齿轮箱等传统部件。直驱型风力发电机使用直接驱动能量的优势省略了双馈型风力发电机系统中的变速箱结构，减少了发电机传动部件的数量，降低了磨损速度。由于齿轮箱是兆瓦级风力发电机中易过载和过早损坏的部件，因此没有齿轮箱的直驱式风力发动机在低风速时具备高效率、低噪音、高寿命、机组体积小、运行维护成本低等诸多优点。
直驱型风力发电机的专用轴承分为三类，包括主轴轴承、偏航轴承和变桨轴承。目前，三种轴承均使用机械轴承，轴承的结构形式主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。风力发电机要求轴承有良好的密封性能和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性,发电机在一级风时就要启动,并能跟踪风向变化,所以轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度。
然而，直驱型风力发电机常年工作在野外,工况条件比较恶劣,温度、湿度和轴承载荷变化很大,并伴有冲击载荷，在风力发电机的专用轴承中，主轴轴承由于连续运行，承载范围变化大，因而容易发生损坏。风力发电机的轴承经常发生损坏，成为制约风力发电机可靠性的瓶颈之一。
因此，在风力发电机的专用轴承中，主轴轴承的寿命较低，每几年可能就需要更换一次，轴承的维修成本非常高，提高主轴轴承的使用寿命有助于提高风力发电机的可靠性。例如，目前1.5MW级直驱型风力发电机主轴轴承采用机械轴承，机械轴承的转动部件和固定部件之间通过滚动体的接触力传递载荷。由于风载荷的波动非常大，轴承内部的载荷变化剧烈，轴承容易出现塑性变形和疲劳损伤而失效，影响设备的正常运行。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种混合磁悬浮轴承系统，以代替机械轴承作为发电机的主轴轴承，提高发电机的主轴轴承使用寿命和发电机整机可靠性。
为实现上述目的，本发明的混合磁悬浮轴承系统的具体技术方案如下：
一种混合磁悬浮轴承系统，用于发电机，包括混合磁悬浮轴承，混合磁悬浮轴承中设置有永磁体和电磁铁，永磁体和电磁铁配合形成轴承磁回路。永磁体可为整个磁回路提供永磁磁动势，并在气隙处产生磁场。在电磁铁未通电时，永磁体产生的磁场可为风力发电机的转子部分提供部分悬浮力。
进一步，所述磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承，径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承共同支撑发电机主轴。
进一步，永磁体设置在混合磁悬浮轴承的定子部分中。
进一步，混合磁悬浮轴承的定子部分包括第一定子块和第二定子块，永磁体设置在第一定子块和第二定子块之间，电磁铁的电磁线圈设置在第一定子块和/第二定子块上。
进一步，所述发电机还包括，传感器、控制器以及功率放大器，传感器将发电机转子的位置信号输入给控制器，控制器根据控制算法计算电磁铁的电流值并输出给功率放大器，功率放大器输出电流给电磁铁的电磁线圈，以调节电磁铁的电磁力大小，从而通过反馈控制方式实时调节电磁铁中的电流。
进一步，电磁铁所能提供的最大磁感应强度不低于永磁体所能够提供的最大磁感应强度。
进一步，电磁铁和永磁体可产生最大电磁力大于磁悬浮轴承起浮时需要的最大电磁力，并且电磁铁和永磁体可产生的最大电磁力大于风力发电机的转子自重载荷和最大扰动载荷的总和，保护轴承与风力发电机转子之间的间隙小于磁悬浮轴承的气隙。
进一步，混合磁悬浮轴承系统还包括保护轴承，保护轴承为机械轴承，保护轴承设置在发电机主轴的两端，以限制发电机转子部分的最大径向和轴向位移。
一种发电机，所述发电机包括上述的混合磁悬浮轴承系统。
进一步，所述发电机为大功率风力发电机。
相比于1.5MW级直驱风力发电机用的机械轴承，本发明的混合磁悬浮轴承系统能够消除转动部件和固定部件之间的摩擦和磨损，降低风力发电机的启动最低风速，显著提高风力发电机主轴轴承的使用寿命和可靠性，因风力发电机主轴轴承的维修成本非常高，因而提高主轴轴承使用寿命具有显著的经济效益。
附图说明
图1为应用本发明的混合磁悬浮轴承系统的直驱型风力发电机的结构示意图；
图2为本发明混合磁悬浮轴承系统中的磁路示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的混合磁悬浮轴承系统做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明的混合磁悬浮轴承系统应用于发电机中，尤其是直驱型风力发电机，以替代传统机械轴承从而提高风力发电机轴承的可靠性。所述应用于风力发电机的混合磁悬浮轴承系统包括磁悬浮轴承、发电机、传感器、控制器以及功率放大器。
上述磁悬浮轴承为混合磁悬浮轴承，混合磁悬浮轴承中设置有永磁体和电磁铁，也即混合磁悬浮轴承中的磁回路包括永磁体和电磁铁，永磁体和电磁铁配合作用形成轴承磁回路。
上述磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承20和轴向磁悬浮轴承10，径向磁悬浮轴承20和轴向磁悬浮轴承10支撑发电机主轴40。
由此，在混合磁悬浮轴承中，永磁体可为轴承磁回路提供永磁偏置磁动势，传感器将发电机转子的位置信号输入给控制器，控制器根据控制算法计算电磁铁的电流值并输出给功率放大器，功率放大器输出电流给电磁线圈调节电磁铁的电磁力大小，从而通过反馈控制方式实时调节电磁铁中的电流。在同样承载力的情况下，在径向磁悬浮轴承20和轴向磁悬浮轴承10中加入永磁体能降低电磁铁中的电流，降低铜损和铁损，从而降低发电机混合磁悬浮轴承系统的系统能耗。
如图2所示，在径向磁悬浮轴承20和轴向磁悬浮轴承10中，示出了混合磁悬浮轴承中的轴承磁回路，径向磁悬浮轴承20和轴向磁悬浮轴承10中的定子部分11(以轴向磁悬浮轴承为例说明)中设置有永磁体，永磁体可为整个磁回路提供永磁磁动势，并在气隙处产生磁场。例如，混合磁悬浮轴承的定子部分11包括第一定子块和第二定子块，永磁体设置在第一定子块和第二定子块之间，图2中，Aa＝Afe为磁极面积，i为线圈电流，n为线圈匝数，s为气隙长度，lfe为磁回路在定子部分和转子部分中的长度。定子部分11与磁悬浮轴承的转子部分12相对设置，电磁铁的线圈设置在第一定子块和/第二定子块上。
在电磁铁未通电时，永磁体产生的磁场可为风力发电机的转子部分提供部分悬浮力。相比于主动式磁悬浮轴承，混合磁悬浮轴承运行时，可降低电磁铁部分的通电电流，从而降低磁悬浮轴承系统的能耗。
优选地，电磁铁所能提供的最大磁感应强度不低于永磁体所能够提供的最大磁感应强度，这样可以防止磁悬浮轴承的转子部分被永磁体吸住。电磁铁和永磁体所能提供的最大电磁力(磁力总和最大值)大于磁悬浮轴承起浮时需要的最大电磁力，以确保能将混合磁悬浮轴承起浮，并且电磁铁和永磁体所能提供的最大电磁力应大于风力发电机的转子自重载荷和最大扰动载荷，例如电磁铁和永磁体所能提供的最大电磁力为风力发电机的转子自重载荷和最大扰动载荷总和最大值的1.2倍，以为电磁铁预留充足的可调磁力范围。
混合磁悬浮轴承系统还包括保护轴承50，保护轴承50是机械轴承，保护轴承50设置在发电机主轴40的两端，用来限制风力发电机转子部分的最大径向和轴向位移，防止磁悬浮轴承和发电机转子部分与发电机定子部分30发生碰摩而损坏，保护轴承50与风力发电机转子之间的间隙小于磁悬浮轴承的气隙。
本发明的混合磁悬浮轴承系统尤其适用于大功率的风力发电机，该混合磁悬浮轴承系统中的磁悬浮轴承属于重载磁悬浮轴承，例如1.5MW级以上的大型直驱型风力发电机，发电机转子部分的质量约为45吨。相比于主动磁悬浮轴承，本发明的混合磁悬浮轴承系统能耗更低，相比于被动磁悬浮轴承，本发明的混合磁悬浮轴承能够主动调节电磁铁的电磁力大小，更适于变载荷的工况，如适用于风力发电机风载荷频繁变换的场合中使用。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种混合磁悬浮轴承系统，用于发电机，其特征在于，包括混合磁悬浮轴承，混合磁悬浮轴承中设置有永磁体和电磁铁，永磁体和电磁铁配合形成轴承磁回路，永磁体可为混合磁悬浮轴承的磁回路提供永磁磁动势，永磁体产生的磁场为发电机的转子部分提供悬浮力。
2.根据权利要求1所述的混合磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承，径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承共同支撑发电机主轴。
3.根据权利要求1所述的混合磁悬浮轴承系统，其特征在于，永磁体设置在混合磁悬浮轴承的定子部分中。
4.根据权利要求3所述的混合磁悬浮轴承系统，其特征在于，混合磁悬浮轴承的定子部分包括第一定子块和第二定子块，永磁体设置在第一定子块和第二定子块之间，电磁铁的电磁线圈设置在第一定子块和/或第二定子块上。
5.根据权利要求1或2所述的混合磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述发电机还包括传感器、控制器以及功率放大器，传感器将发电机转子部分的位置信号输入给控制器，控制器计算电磁铁的电流值并输出给功率放大器，功率放大器输出电流给电磁铁的电磁线圈以调节电磁铁的电磁力大小，从而调节电磁铁中的电流。
6.根据权利要求1所述的混合磁悬浮轴承系统，其特征在于，电磁铁产生的最大磁感应强度大于永磁体产生的最大磁感应强度。
7.根据权利要求1所述的混合磁悬浮轴承系统，其特征在于，电磁铁和永磁体共同产生的最大电磁力大于风力发电机的转子自重载荷和最大扰动载荷的之和。
8.根据权利要求5所述的混合磁悬浮轴承系统，其特征在于，混合磁悬浮轴承系统还包括保护轴承，保护轴承设置在发电机主轴的两端，以限制发电机转子部分的最大径向和轴向位移。
9.一种发电机，其特征在于，所述发电机包括权利要求1-8中任一项所述的混合磁悬浮轴承系统。
10.根据权利要求9所述的混合磁悬浮轴承系统，其特征在于，所述发电机为风力发电机。
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