主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种应用于大中型风电机组的主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置，包括机舱、偏航支撑体、俯仰调整悬架和悬浮塔架，协同完成偏航支撑体俯仰刚度提升、高频气隙波动平抑、水平位移被动调整、主动悬浮控制以及机舱偏航控制；偏航支撑体机舱底座，设置6mm厚度的铝板，产生涡流阻尼力，被动平抑轴向悬浮气隙的高频波动，采用俯仰调整悬架、永磁体以及悬浮塔基支撑提升了机舱俯仰刚度，减小主动悬浮自由度，偏航支撑体内侧永磁体与悬浮塔架外侧永磁体之间水平斥力，被动平衡水平位移；主动悬浮和偏航分别由BUCK变流、H桥变流器及三相逆变器在主控单元DSP28035的控制下，实现机舱稳定悬浮下的主动偏航迎风和侧风保护。

【技术实现步骤摘要】
主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置
本技术涉及一种大中型风电机组的风机偏航装置，通过主被动协同调控实现机舱悬浮下偏航迎风和侧风保护，尤其是一种可降低主动悬浮控制自由度和悬浮功耗的风力磁悬浮偏航系统。
技术介绍
随着环境污染和能源危机加重，风力发电因其完全无污染已受到世界各国关注。风力偏航系统是大型水平轴风力发电系统的关键组件，可提高风能的最大捕获和侧风保护。传统风力发电偏航系统一般采用多电机多齿轮耦合技术，存在结构复杂、故障率高以及抗干扰能力差等问题，尤其是较大的摩擦损耗使得风机偏航功耗较大，易受外界干扰，严重影响系统的稳定性，技术专利200910161406.7和201410143297.7分别披露了两种磁悬浮风力偏航系统，实现了机舱稳定悬浮下的偏航迎风和侧风保护，极大降低了偏航功耗，但磁悬浮系统本质为非线性、弱阻尼非稳定系统，尤其是风力偏航系统工况恶劣，一般运行在80米高的塔架，风速随机波动，极易导致悬浮震荡或失稳，主动悬浮控制是确保风机机舱稳定悬浮关键，但风机桨叶扫略面积远大于机舱尾翼面积，风机机舱的悬浮过程存在俯仰运动，多自由度主动悬浮控制是提高风力磁悬浮偏航系统的关键，但毋庸置疑的是多自由度主动控制在带来高精度悬浮性能的同时，也将增大传感器、变流器以及控制器的数量，导致了悬浮机舱体积、重量增大以及悬浮功耗的增加。近年来出现了被动悬浮轴承，悬浮气隙由永磁体被动完成，具有结构简单、能耗小、结构紧凑以及无变流器辅助等优点，但悬浮气隙极易受外界干扰的影响。
技术实现思路
本技术的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供了一种主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置，通过提升俯仰角刚度、引入铝板涡流阻尼以及永磁体圆环三种措施，并结合主动悬浮绕组和偏航绕组，实现风速随机波动下机舱稳定悬浮下的主动偏航对风和侧风保护。本技术解决上述技术问题采用的技术方案为：采用主被动方式实现机舱的稳定悬浮以及主动偏航，包括机舱、偏航支撑体、俯仰调整悬架和悬浮塔架，共同完成偏航支撑体的俯仰刚度提升、高频气隙波动平抑、水平位移被动调整、悬浮气隙主动控制以及机舱偏航控制；机舱前端放置桨叶，捕获风能并驱动发电机发电，发电机后侧设置减震尾轴，机舱后侧设置4mm厚铝板，发电机减震尾轴上安装永磁体，与机舱后侧铝板产生涡流阻尼力，平抑发电机水平方向震动和位移，机舱后端设置风速风向传感器；偏航支撑体倒向放置在悬浮塔架上，支撑、悬浮以及偏航机舱，4个气隙传感器正交安装在偏航支撑体下端圆环体内，检测4个正交位置的气隙变化，给出偏航支撑体质心的有效悬浮气隙，偏航绕组设置在偏航支撑体下端圆环体内，并经三相逆变器、BUCK变流器和风力发电机机侧变流器的直流母线耦合；偏航支撑体中部立式设置永磁体环带，与塔架外侧的立式设置的永磁体环带，组成机舱水平位移的被动调整机构；所述圆环形铝板内嵌在偏航支撑体上端面机舱底座，与悬浮塔架上安装的悬浮绕组对应，增加偏航支撑体轴向悬浮阻尼；所述俯仰调整悬架安装在偏航支撑体机舱底座下端面，外形为T形圆柱体结构，下移偏航支撑体和机舱的整体重心，提升偏航支撑体的俯仰刚度，悬架下端设置轴向永磁体，与塔架内支撑设置的同极永磁体协同工作，被动平抑轴向悬浮气隙波动；悬浮塔架为机舱和偏航支撑体的支撑平台，上端设置圆环形凹槽，与偏航支撑体上的圆环凸沟对应，限制偏航支撑体在悬浮塔架上的水平运动，悬浮塔架上端设置16个N/S交错排列的悬浮绕组，并成圆环状排列，主动悬浮偏航支撑体，使机舱稳定悬浮在设定的悬浮气隙10mm；悬浮塔架设置塔架内支撑，平台上设置与俯仰调整悬架相反磁极的永磁体。机舱被动悬浮中的俯仰刚度提升由俯仰调整悬架、偏航支撑体以及塔架内支撑共同完成，俯仰调整悬架增大俯仰刚度为m2gL2，其中m2为俯仰调整悬架质量，g为重力加速度，L2为俯仰力臂；塔基内支撑与俯仰调整悬架两永磁体产生斥力，增大俯仰刚度(kz-kx)L2，其中kz、kx分别是沿Z轴和X轴的两永磁体斥力系数，L为俯仰调整悬架高度；被动悬浮中的高频气隙波动由圆环形铝板和悬浮绕组协同完成，偏航支撑体上圆环形铝板的高频轴向位移波动，使得悬浮绕组主磁场在圆形铝板中产生涡流阻尼力，被动平抑悬浮气隙高频波动；所述水平位移被动调整是由固定在偏航支撑体内侧的永磁体环带和悬浮塔架外侧的永磁体环带协同完成，偏航支撑体内侧永磁体为S/N设置，悬浮塔架外侧永磁体N/S设置，两永磁体环带产生水平斥力，平抑风机桨叶产生的水平推力。机舱主动悬浮中的主动悬浮控制由DSP28035主控单元根据气隙传感器检测的4正交位置气隙高度，实时计算偏航支撑体质心轴向悬浮高度，调控H桥变流器占空比，改变悬浮绕组的电流大小和方向，悬浮支撑机舱；悬浮绕组经H桥变流器、BUCK变流器与发电机机侧变流器直流母线耦合，BUCK变流器将发电机直流母线电压DC1050V，降压为DC550V为风力偏航系统供电；机舱偏航控制是在轴向悬浮气隙稳定后，偏航绕组由三相逆变器通三相交流电，电流控制是由主控单元DSP28035根据风速风向传感器和转速传感器测得的偏航角度以及转速实施控制的，采用轴径向磁场解耦将偏航电流分解为无功电流和转矩电流，并设置无功电流为零，消除无功电流对偏航支撑体悬浮高度影响，转矩电流参考根据风力偏航转矩实时计算获取，并采用传统PI控制完成对参考电流的快速跟踪。本技术所带来的有益效果是：1)本技术将偏航支撑体、俯仰悬架以及T型结构底端永磁体纳为一体，有效提升了偏航支撑体和机舱的俯仰角刚度，解决了机舱悬浮过程中摆动问题，增强了风力磁悬浮系统稳定性。2)本技术在偏航支撑体内引入铝板和涡流阻尼，可快速平抑随机波动风速对悬浮气影响，被动调控悬浮气隙的高频部分，同时改善了机舱悬浮系统的弱阻尼特性，同时提高闭环悬浮系统控制器参数的稳定域，提升了风力磁悬浮系统的抗干扰能力。3)本技术引入了被动悬浮结构提高了偏航悬浮系统悬浮刚度和稳定性，减少了主动悬浮自由度和传感器、变流器以及控制器的数量，极大降低了设备成本和设备故障率；4)本技术实现了主被动悬浮下的主动偏航迎风和侧风保护，有效降低了偏航功耗和悬浮功耗，提高了对风精度、风能利用系数以及设备使用寿命。附图说明图1主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置基本结构图。图2主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置xy截面俯视图。图3主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置功率回路图。图4主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置控制机制图。图中：1.桨叶，2.机舱，3.风速风向仪，4.发电机，5.机舱底座，6.圆环形铝板，7.偏航支撑体，8.悬浮绕组，9.偏航绕组，10.偏航支撑体立式永磁体，11.俯仰调整悬架，12.悬架永磁体，13.塔架内支撑，14.悬浮塔架，15.悬浮塔架凹槽，16.俯仰约束环，17.气隙传感器，18.减震尾轴，19.减震铝板，20.悬浮塔架立式永磁体，21.水平气隙，22.俯仰偏移位移，23.发电机机侧变流器，24.网侧变流器，25.升压变压器，26.电网，27.H桥变流器，28.BUCK变流器，29.三相逆变器，30.DSP28035主控单元。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术进一步说明。本技术所公布的主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置，其特征包括机舱、偏航支撑体、俯仰调整悬架和悬浮塔架，共同完成偏航支撑体的俯仰刚度提升、高频气隙波动平抑、水平位移被动调整、悬浮气隙主动控制以及机舱偏航控制，实现机舱稳定悬浮下主动偏航迎风；所述机舱前端放置桨叶，捕获风能并驱动发电机发电，发电机后侧设置减震尾轴，机舱后侧设置4mm厚铝板，发电机减震尾轴上安装永磁体，与机舱后侧铝板产生涡流阻尼力，平抑发电机水平方向震动和位移，机舱后端设置风速风向传感器；所述偏航支撑体倒向放置在悬浮塔架上，支撑、悬浮以及偏航机舱，4个气隙传感器正交安装在偏航支撑体下端圆环体内，检测4个正交位置的气隙变化，偏航绕组设置在偏航支撑体下端圆环体内，并经三相逆变器、BUCK变流器和风力发电机机侧变流器的直流母线耦合；偏航支撑体中部立式设置永磁体环带，与塔架外侧的立式设置的永磁体环带，组成机舱水平位移的被动调整机构；所述圆环形铝板内嵌在偏航支撑体上端面机舱底座，与悬浮塔架上安装的悬浮绕组对应，增加偏航支撑体轴向悬浮阻尼；所述俯仰调整悬架安装在偏航支撑体机舱底座下端面，外形为T形圆柱体结构，下移偏航支撑体和机舱的整体重心，提升偏航支撑体的俯仰刚度，悬架下端设置轴向永磁体，与塔架内支撑设置的同极永磁体协同工作，被动平抑轴向悬浮气隙波动；所述悬浮塔架为机舱和偏航支撑体的支撑平台，上端设置圆环形凹槽，与偏航支撑体上的圆环凸沟对应，限制偏航支撑体在悬浮塔架上的水平运动，悬浮塔架上端设置16个N/S交错排列的悬浮绕组，并成圆环状排列，主动悬浮偏航支撑体，使机舱稳定悬浮在设定的悬浮气隙10mm；悬浮塔架设置塔架内支撑，平台上设置与俯仰调整悬架相反磁极的永磁体。...

【技术特征摘要】
1.一种主被动协同调控的磁悬浮风力偏航装置，其特征包括机舱、偏航支撑体、俯仰调整悬架和悬浮塔架，共同完成偏航支撑体的俯仰刚度提升、高频气隙波动平抑、水平位移被动调整、悬浮气隙主动控制以及机舱偏航控制，实现机舱稳定悬浮下主动偏航迎风；所述机舱前端放置桨叶，捕获风能并驱动发电机发电，发电机后侧设置减震尾轴，机舱后侧设置4mm厚铝板，发电机减震尾轴上安装永磁体，与机舱后侧铝板产生涡流阻尼力，平抑发电机水平方向震动和位移，机舱后端设置风速风向传感器；所述偏航支撑体倒向放置在悬浮塔架上，支撑、悬浮以及偏航机舱，4个气隙传感器正交安装在偏航支撑体下端圆环体内，检测4个正交位置的气隙变化，偏航绕组设置在偏航支撑体下端圆环体内，并经三相逆变器、BUCK变流器和风力发电机机侧变流器的直流母线耦合；偏航支撑体中部立式设置永磁体环带，与塔架外侧的立式设置的永磁体环带，组成机舱水平位移的被动调整机构；所述圆环形铝板内嵌在偏航支撑体上端面机舱底座，与悬浮塔架上安装的悬浮绕组对应，增加偏航支撑体轴向悬浮阻尼；所述俯仰调整悬架安装在偏航支撑体机舱底座下端面，外形为T形圆柱体结构，下移偏航支撑体和机舱的整体重心，提升偏航支撑体的俯仰刚度，悬架下端设置轴向永磁体，与塔架内支撑设置的同极永磁体协同工作，被动平抑轴向悬浮气隙波动；所述悬浮塔架为机舱和偏航支撑体的支撑平台，上端设置圆环形凹槽，与...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚晓广，王强，蔡彬，孔英，衣学涛，李向东，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：新型
国别省市：山东,37