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

Developing Trends of Magnetically Levitated Electric Machines and Their Applications

Li Yujia

(Beijingjiaotong University,Beijing,100000) Abstract：In this paper, the principle and advantages of the agnetically Levitated Electric Machines are summarized. The structure and working principle of the magnetic levitation wind generator are introduced. The current application field of agnetically Levitated Electric Machines is briefly introduced. Finally, the future development direction of tagnetically Levitated Electric Machines is prospected.

Key word:lagnetically Levitated Electric;Machines wind power generator

1 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:

3

1

2

T Sv

ρ

=(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:

max P

P C T

=(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:

2

60

V Rn

v v

π

λ== (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。