• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

主动磁悬浮轴承在余热发电机的应用研究

贺艳晖 甘杨俊杰 周亮

贺艳晖, 甘杨俊杰, 周亮. 主动磁悬浮轴承在余热发电机的应用研究[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(3): 657-664. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210860
引用本文: 贺艳晖, 甘杨俊杰, 周亮. 主动磁悬浮轴承在余热发电机的应用研究[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(3): 657-664. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210860
HE Yanhui, GAN Yangjunjie, ZHOU Liang. Application of Active Magnetic Bearing in Waste Heat Generator[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(3): 657-664. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210860
Citation: HE Yanhui, GAN Yangjunjie, ZHOU Liang. Application of Active Magnetic Bearing in Waste Heat Generator[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(3): 657-664. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210860

主动磁悬浮轴承在余热发电机的应用研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210860
详细信息
    作者简介:

    贺艳晖(1980—),男,博士研究生,研究方向为磁悬浮轴承,电力传动和变流器控制,E-mail:huihuigui@126.com

  • 中图分类号: TH133.3;TH122;TM15

Application of Active Magnetic Bearing in Waste Heat Generator

  • 摘要:

    针对传统余热发电设备存在发电效率低、成本高、体积大等问题,设计了一款装备5自由度(5-DOF)主动磁悬浮轴承的余热发电机,用于余热发电有机朗肯循环系统. 首先,基于电机转子轴径限制和最大承载力要求,确定径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的结构形式,采用一维磁路模型和二维有限元分析,计算并校核磁悬浮轴承的尺寸和性能参数;其次,为保证磁悬浮轴承的稳定裕度,采用三电平PWM功率放大器降低输出电流纹波,利用不完全微分PID控制器和不平衡补偿算法实现5自由度稳定悬浮;最后,将该磁悬浮余热发电机应用到实际客户现场,从稳定裕度、承载力和轴振峰峰值3个维度验证磁悬浮余热发电机的可靠性. 现场试验结果表明:磁悬浮余热发电机系统运行稳定可靠,实现了满功率发电和长期运行考核;在全工况运行范围,磁悬浮轴承系统的灵敏度函数小于12 dB,余热发电机转子振动峰峰值小于53 μm,满足ISO14839-3规定的长期稳定运行要求;轴向承载力最大达到3 600 N,满足实际工况需求.

     

  • 图 1  磁悬浮轴承余热发电机的结构示意

    Figure 1.  Schematic diagram of magnetic bearing waste heat generator

    图 2  径向磁轴承E型电磁铁结构及尺寸定义

    Figure 2.  Structure and dimension definition of E-type electromagnet for radial magnetic bearing

    图 3  只有偏置电流的磁场分布

    Figure 3.  Magnetic field distribution with bias current only

    图 4  上线圈电流最大、下线圈电流为0的磁场分布

    Figure 4.  Magnetic field distribution when the top coil current is maximum and the bottom coil is zero

    图 5  电磁力与控制电流的关系曲线

    Figure 5.  Relationship between the electromagnetic force and the control current

    图 6  电磁力与转子位移的关系曲线

    Figure 6.  Relationship between the electromagnetic force and the rotor displacement

    图 7  轴向磁轴承电磁铁结构及尺寸定义

    Figure 7.  Structure and dimension definition of the electromagnet for the axial magnetic bearing

    图 8  无负载、只有偏置电流的磁场分布

    Figure 8.  Magnetic field distribution with bias current only

    图 9  上端线圈电流为0、下线圈电流最大的磁场分布

    Figure 9.  Magnetic field distribution when the top coil current is zero and the bottom coil current is maximum

    图 10  电磁力随控制电流变化曲线

    Figure 10.  Relationship between the electromagnetic force and the control current

    图 11  电磁力与转子位移的关系曲线

    Figure 11.  Relationship between the electromagnetic force and the rotor displacement

    图 12  磁悬浮轴承余热发电机现场安装

    Figure 12.  Site installation drawing of waste heat generator with magnetic bearing

    图 13  功率放大器工作原理

    Figure 13.  Working principle diagram of power amplifier

    图 14  磁轴承控制算法示意

    Figure 14.  Schematic diagram of magnetic bearing control algorithm

    图 15  中控监控界面部分数据

    Figure 15.  Some data of central control monitoring interface

    图 16  额定转速时空载与负载条件下灵敏度函数对比

    Figure 16.  Sensitivity function comparison between no-load and full load at rated speed

    图 17  实际测量的轴向磁轴承电流增益曲线

    Figure 17.  Measured curves of the current-force coefficient of axial magnetic bearing

    图 18  整个转速范围内的转子轴振峰峰值曲线

    Figure 18.  Peak-to-peak curves of rotor shaft vibration in the whole speed range

    表  1  径向磁轴承设计输入条件

    Table  1.   Input conditions of radial magnetic bearing

    变量符号数值备注
    额定气隙/mmx00.3
    最大磁感应强度/TBmax1.20
    最大承载力/NFmax2 250
    径向转子外径/mmDr2170.0接口尺寸
    定子内径/mmDs1170.6
    下载: 导出CSV

    表  2  轴向磁轴承设计输入条件

    Table  2.   Input conditions of axial magnetic bearing

    变量符号数值
    额定气隙/mmx00.4
    最大磁感应强度/TBmax1.25
    最大承载力/NFmax2 600
    电机内部安装外径/mmdlim394
    下载: 导出CSV

    表  3  额定转速条件下,空载与负载运行的敏感性函数峰值

    Table  3.   Sensitivity function peaks of no-load and load operations at rated speed

    类别 工况 峰值/dB 转速/krpm
    非推力侧径向磁轴承 X 方向 无工质 9.34 4.44
    有工质 8.47 4.50
    非推力侧径向磁轴承 Y 方向 无工质 11.65 4.62
    有工质 10.07 4.92
    推力侧径向磁轴承 X 方向 无工质 8.97 3.90
    有工质 7.30 4.86
    推力侧径向磁轴承 Y 方向 无工质 9.54 3.66
    有工质 7.58 3.24
    轴向磁轴承 Z 方向 无工质 10.19 2.58
    有工质 10.00 2.76
    下载: 导出CSV
  • [1] 孟祥睿, 马新灵. 有机朗肯循环低品位热能发电技术[M]. 郑州: 河南科技出版社, 2015.
    [2] 纪历. 低温余热磁悬浮发电机转子轴系振动机理研究[J]. 电机与控制学报,2019,23(11): 67-75.

    JI Li. Vibration mechanism analysis of magnetic levitation rotor system for low temperature waste heat power generation[J]. Electric Machines and Control, 2019, 23(11): 67-75.
    [3] 孙立佳,任小坤,高元景,等. 高速透平发电机的特点及相关技术研究[J]. 低温与超导,2015,43(8): 23-26.

    SUN Lijia, REN Xiaokun, GAO Yuanjing, ea al. Study on feature and related technology of high speed turbine generator[J]. Cryogenics & Superconductivity, 2015, 43(8): 23-26.
    [4] 梁欣. 余热发电高速永磁电机设计与分析[D]. 武汉: 华中科技大学, 2019.
    [5] 戴其城. 涡轮直驱余热发电机组中锥形永磁同步电机的研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2018.
    [6] 胡业发, 周祖德, 江征风. 磁力轴承的基础理论与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.
    [7] 王大彪,段 捷,胡哺松,等. 有机朗肯循环发电技术发展现状[J]. 节能技术,2015,33(191): 235-242.

    WANG Dabiao, DUAN Jie, HU Bu song, et al. Status of organic Rankine cycle power generation technology[J]. Energy Conservation Technology, 2015, 33(191): 235-242.
    [8] 占智军,祝长生. E型径向电磁轴承的参数设计及特性分析[J]. 机电工程,2013,30(3): 267-272.

    ZHAN Zhijun, ZHU Changsheng. Parameters design and characteristics analysis of E-core radial magnetic bearings[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2013, 30(3): 267-272.
    [9] 杨贝,张宁,张海波,等. 径向磁悬浮轴承的结构设计和数值模拟[J]. 低温与超导,2015,43(4): 31-35,42.

    YANG Bei, ZHANG Ning, ZHANG Haibo, et al. Design and simulation of radial active magnetic bearings[J]. Cryogenics & Superconductivity, 2015, 43(4): 31-35,42.
    [10] 代燕杰. 磁悬浮推力轴承的电磁性能分析及结构设计[D]. 济南: 山东大学, 2008.
    [11] 吴宝贵. 轴向磁悬浮轴承的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2008.
    [12] 邹望蠡. 轴向磁轴承的拓扑结构及参数优化设计[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2014.
    [13] 刘程子. 适用于高速电机的混合型磁悬浮轴承设计及控制策略的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2014.
    [14] 魏坚. 磁悬浮飞轮电池支承控制系统的硬件设计与算法研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2010.
    [15] 刘建明. 电磁轴承结构设计与转子动力学分析[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2007.
    [16] 李冰. 电磁轴承系统集成化技术的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2003.
    [17] 郑坚强. 电磁轴承有限元分析结构设计及控制[D]. 杭州: 浙江大学, 2004.
    [18] 周传月,JOACHIM S. 基于Madyn_2000的磁悬浮轴承控制器的设计[J]. 风机技术,2017,59(4): 51-59,78.

    ZHOU Chuanyue, JOACHIM S. Design of magnetic bearing controller using Madyn 2000[J]. Chinese Journal of Turbomachinery, 2017, 59(4): 51-59,78.
    [19] 杨先,李洪斌. 有机朗肯循环发电技术的原理及应用[J]. 大众科技,2020,22(9): 61-63. doi: 10.3969/j.issn.1008-1151.2020.09.019

    YANG Xian, LI Hongbin. Principle and application organic Rankine cycle power generation technology[J]. Popular Science & Technology, 2020, 22(9): 61-63. doi: 10.3969/j.issn.1008-1151.2020.09.019
    [20] HERZOG R, BUHLER P, GAHLER C, et al. Unbalance compensation using generalized notch filters in the multivariable feedback of magnetic bearings[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 1996, 4(5): 580-586. doi: 10.1109/87.531924
    [21] 宋腾,韩邦成,郑世强,等. 基于最小位移的磁悬浮转子变极性 LMS 反馈不平衡补偿[J]. 振动与冲击,2015,34(7): 24-32.

    SONG Teng, HAN Bangcheng, ZHENG Shiqiang, et al. Variable polarity LMS feedback based on displacement nulling to compensate unbalance of magnetic bearing[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(7): 24-32.
  • 加载中
图(18) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  310
  • HTML全文浏览量:  184
  • PDF下载量:  19
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-03
  • 修回日期:  2022-01-30
  • 刊出日期:  2022-03-06

目录

    /

    返回文章
    返回