题目：磁悬浮风机用磁轴承的电磁设计和实验研究

摘 要风能是一种清洁的可再生能源。传统风力发电机转子采用机械轴承支承，风机运行时存在严重的机械摩擦和磨损，导致风机起动风速高，运行效率低，使用寿命短，且日常维护量大。磁轴承具有无机械接触、无需润滑，寿命长、维护量小等优点，研究和开发采用磁轴承支承的全磁悬浮风力发电机，可有效解决以上问题，从而大大提高风机的运行时间和风能的利用率，降低风力发电成本。本文针对磁悬浮风机，确定并完成了磁轴承系统的配置方案设计，采用有限元法对磁悬浮风机用锥形被动磁轴承及偏置力被动磁轴承进行了分析和设计，研究了主动磁轴承的动态特性及涡流损耗特性，并提出了一种高效的磁轴承刚度测试方法。1、在风机转子受力分析的基础上，根据各种磁轴承的性能特点，结合风机运行环境对磁轴承的限制和需求，以结构简单、功耗小为目标确定了主被动结合的风机磁轴承配置形式，确定和完成了水平轴、垂直轴两类小型风机用磁轴承系统的设计方案。2、针对磁悬浮风机被动磁轴承存在负刚度大的问题，研究了一种锥形被动磁轴承，并将其应用于水平轴风机中，采用有限元法分析了其磁力特性及稳定性。为满足风机转子承载力要求，锥形被动磁轴承永磁环采用轴向交替充磁的Halbach结构，并以承载力和刚度最大为目标对其结构参数进行了优化设计。为解决风机转子重力引起的磁轴承系统负载较大的问题，分析和设计了偏置力被动磁轴承。为提高风机用被动磁轴承系统的稳定性，分析并设计了被动阻尼器。3、为提高磁悬浮风机中主动磁轴承的设计精度，采用二维有限元谐波磁场法分析了其动态磁密特性。采用三维有限元瞬态磁场法计算了永磁偏置磁轴承的动态漏磁系数。研究了主动磁轴承功耗的计算方法，利用有限元分析了损耗与激磁频率的关系，为减小损耗，深入研究了几种定子磁极结构形式，并对比分析了其磁密特性。4、磁轴承所用软磁材料的磁特性直接影响着磁轴承的性能，测试、对比和分析了几种常用软磁材料的磁特性。刚度作为磁轴承的一个重要指标，为了提高其测试的效率和准确度，提出了一种磁轴承刚度测量方法，并应用于工程实际。