新型垂直轴磁悬浮风机转子系统构建及其控制策略分析

　　摘 要：垂直轴风力发电机具有结构简单、噪声低、制造和维护成本低等优点，在中小型风力发电机中具有较广阔的市场前景，但传统的垂直轴风力机由于启动性能较差、风能利用率较低因而没有得到广泛应用，而现有的磁悬浮垂直轴风力发电机由于其较高的损耗率和较高的成本也没有得到普及。文章构建了一种新型的垂直轴磁悬浮发电机转子系统，并根据风机的实际工作状况提出了基于最大风能跟踪的自适应智能控制策略，保证风机风能利用率的同时降低损耗，为垂直轴风机的发展提供了一条新的思路。

　　关键词：垂直轴风力发电机;磁悬浮转子系统;自适应智能控制

　　1 概述

　　風力发电机是将风能转化成电能的一种设备，可分为水平轴风力机和垂直轴风力机两种[1]，水平轴风机的技术相对成熟但存在结构复杂、制造和维护成本高等缺点[2]，且大型化基本已经达到了极限，而垂直轴风力发电机作为其中重要的一支，具有启动风速低、噪声低、制造和维护成本低等优点，在中小型风力发电机中具有较广阔的市场前景，一些国内外专家和研究人员将研究的目光重新投向了垂直轴风力发电系统[3-4]。随着磁悬浮技术和电气控制技术的发展，近年来很多研究者将磁悬浮技术成功应用于中小型垂直轴风机上，取得了很多新的技术突破，大大提高了风机的发电效率及其使用范围[5]。但目前大多数垂直轴磁悬浮发电机技术主要采用单一的主动磁悬浮轴承或被动磁悬浮结构，缺乏对环境变化的适应能力，特别是在低风速区，由于垂直轴磁悬浮发电机长时间处于待发电区和发电区之间，主动磁悬浮发电机的电磁损耗比较大[6]。因此，如果垂直轴磁悬浮风机具有多种工作模式，可以在低风速区、中风速区和高风速区自动选择最佳的工作模式，在不降低风力发电机启动风速同时减少电磁损耗，再通过风机控制系统的智能调节来优化整个垂直轴浮风力发电机，从而提高风力发电机组的发电效率，那么将大大提高其实用性，并扩大其使用范围。

　　2 多模式磁悬浮发电机转子系统构建

　　如图1所示，设计的多模态磁悬浮发电机转子系统结构包括导磁主轴承、转子体、定子线圈、陶瓷滚珠、轴向悬浮磁钢、悬浮定位磁钢、定位平面线圈、电源、传感器、发电机箱体和垂直轴风机主轴等。转子系统最中间部分是轴向电磁轴承，通电后可以使转子体悬浮;电磁轴承的顶部是陶瓷滚珠轴承，在静态和低速时滚珠轴承支撑着转子体运动;转子体周边放置着至少三个悬浮定位执行线圈，保证转子在高速运转时的安全稳定。发电机的转子系统可以说是整个垂直轴风力机的关键部件，发电时将磁转子系统竖直放置在垂直轴风机底部的发电机箱体中，结合垂直轴风力发电机的实际工作情况，发电机转子系统有三种工作模式。

　　(1)在风速较低时，发电机转子系统在摩擦阻力很小的陶瓷顶珠轴承带动下低速转动;当转子磁钢处于低速平衡状态时，其加速度为零，即所受合力为零，转子磁钢的重力就等于陶瓷滚珠轴对其向上的支持力。此时，电机近似等效于一个永磁异步电动机。

　　(2)当风速达到一定值时，转子系统轴向力线圈磁场使转子体浮起，转子体无硬摩擦运转高效发电，此时磁悬浮发电机中有两套线圈绕组同时工作，一套用于产生电磁力和旋转磁场的定子线圈绕组，另一套是使磁悬浮发电机产生可控悬浮力的轴向力线圈组。

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