主动磁悬浮轴承在余热发电机的应用分析

董如昊　魏志韬　邓艳

摘 要：随着我国能源结构的不断调整，可再生能源发电技术逐渐发展并得到广泛应用。余热发电技术是利用工业生产过程中排放的热量和生产过程中产生的高温高压蒸汽，经锅炉转换后得到稳定可靠的蒸汽，再经汽轮机、发电机转换成电能。在余热发电系统中，有相当一部分设备采用了磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是一种不依靠任何传统机械连接的新型智能轴承，它没有传统轴承固有的摩擦、磨损、发热等问题，可在更宽的转速范围内保持稳定的工作状态，因此其具有独特的优势。利用磁悬浮技术可以有效地消除机械磨损和机械摩擦，提高系统的可靠性和稳定性。随着社会对能源需求的增加和环境保护意识的增强，人们对能源效率提出了更高的要求，磁悬浮轴承系统由于具有显著的节能效果和较高的安全性而成为研究热点之一。本文通过对主动磁悬浮轴承工作原理与特点的介绍，结合实际工程应用分析了主动磁悬浮轴承在余热发电中应用所面临的问题和解决措施，以期为以后工程应用提供参考。

关键词：余热发电机 主动磁悬浮轴承 研究分析

余热发电机是一种将工业生产中的高温气体、液体等进行处理、转化成电能的装置。利用余热发电系统，可以实现能量的梯级利用，降低单位产品能耗，提高企业经济效益。而转子是余热发电系统的关键部件，其质量与稳定性直接影响着余热发电系统的工作性能和安全运行。 磁悬浮轴承具有无接触、高精度、自润滑、高速和节能等特点，被广泛应用于航空航天、高速交通工具等领域。利用磁悬浮轴承实现转子悬浮，可将转子所受的径向力转化为轴向力，从而简化了转子结构设计；同时，磁悬浮轴承具有无接触的特性，能够消除机械磨损和涡动，有效降低了摩擦损耗。

1 磁悬浮轴承工作原理与特点

磁悬浮轴承是一种基于电磁原理的新型机械轴承，它利用电磁力将转子悬浮于空间，无需传统的机械接触，消除了传统轴承的摩擦、磨损、发热等问题。与传统轴承相比，主动磁悬浮轴承具有以下优点：①无机械接触；②无磨损；③无噪声；④低转速范围内具有高精度；⑤不需润滑和冷却。磁悬浮轴承的工作原理是：通过磁悬浮装置实现转子与定子之间的无接触悬浮，通过改变电磁力大小使转子悬浮在定子周围，同时利用磁极间的相互作用力将转子从定子中“吸”出来。由于磁场被隔离在转子与定子之间，因此转子不会发生机械磨损和磨损。此外，磁悬浮轴承不需要润滑和冷却系统，这就大大减少了能量消耗。在工作过程中，磁悬浮轴承一般都工作在低转速范围内，其工作转速为零。例如：在低速汽轮机中一般采用主动磁悬浮轴承，当转速小于500r/min时，可采用被动式磁悬浮轴承；当转速大于500r/min时，可采用主动式磁悬浮轴承。虽然主动磁悬浮轴承具有许多优点，但由于其自身的结构复杂、制造成本高以及对环境有一定的污染等问题的存在，使得它在实际应用中还存在一些问题。目前的主动磁悬浮轴承主要是通过磁力控制系统来实现转子的稳定悬浮和高速旋转。采用主动磁悬浮轴承技术可大大提高电机的效率、功率密度以及运行可靠性，同时还可以降低系统噪声和振动。此外，与传统的机械轴承相比，主动磁悬浮轴承具有承载能力强、响应速度快、无摩擦、无磨损和无油污染等优点。主动磁悬浮轴承采用磁轴承控制系统，磁悬浮轴承控制系统包括两部分：控制器和控制系统。控制器是实现主动磁悬浮轴承控制的核心，它的设计是否合理直接影响到系统的性能；控制系统是对控制器的控制特性进行实时测量和反馈，实现对磁悬浮轴承转子位置和速度等参数的实时控制。 在实际运行中，需要通过实时测量转子的位置和速度等参数，然后由控制器计算出转子所需的最优电流、位置和速度，并将其反馈给控制器，使转子按照设定好的规律运动。通过这种方式，主动磁悬浮轴承可以有效地将转子的位移控制在设定值附近。

2 余热发电系统组成

余热发电系统主要由锅炉、汽轮机、发电机组成。锅炉是余热发电系统中最主要的设备，其作用是将工业生产过程中产生的热量转变为蒸汽，供汽轮机做功。通常，余热发电系统采用的锅炉类型有三種：过热蒸汽锅炉、过热蒸汽与饱和蒸汽锅炉、饱和蒸汽与过热蒸汽混合锅炉。由于不同类型的余热发电系统具有不同的特点，因此余热发电系统通常采用两种方案。第一种是将过热蒸汽锅炉与过热蒸汽与饱和蒸汽锅炉合二为一，这样既可以利用过热蒸汽锅炉产生的过热蒸汽提高汽轮机效率，又可以利用饱和蒸汽锅炉产生的饱和汽提高汽轮机效率。对于余热发电系统而言，汽轮机是余热发电系统中最重要的设备之一。在余热发电系统中，通过将热量转化为电力可以实现余热发电的目的，因此汽轮机是余热发电系统的核心部件之一。对于余热发电系统而言，汽轮机可分为单缸和双缸两种类型。单缸类型主要用于单级中低温余热发电系统，双缸类型主要用于多级中低温余热发电系统。单缸余热发电机由定子、转子和定子铁心组成。转子由主轴、平衡盘、偏心盘和固定盘组成。定子铁心与转子铁心通过定子绕组连接，转子固定在转子轴上，并由轴承支承在定子上。单缸余热发电机由于转子质量较轻，并且具有较大的工作转速范围（从5000～30000r/min），因此单缸余热发电机在机组中应用较为广泛。双缸余热发电机通常采用双级汽轮机，其特点是将两台汽轮机的转子组成一个整体共同工作。这种结构既能充分利用两台汽轮机的性能特点，又可以简化汽轮机的结构，降低机组的成本。双缸余热发电机主要用于大型核电站、火力发电厂、热电厂等对电能质量要求较高的场合。

3 应用分析

某公司采用了一台国产2MW的余热发电机，其主要由汽轮机、发电机、主动磁悬浮轴承和变频调速系统组成。汽轮机部分由汽轮机本体和辅助设备组成。其中，主动磁悬浮轴承安装在发电机转子上，作为转子的支承。采用磁悬浮轴承后，可以大大提高系统的可靠性和稳定性，降低运行成本。在实际应用中，由于磁悬浮轴承的质量大，因此需要在结构上采取一定的措施来确保其稳定性。主要有以下几种措施：（1）将转子采用无源的方式悬浮于定子上，这样可以有效地提高系统的稳定性和可靠性；（2）利用主动磁悬浮轴承的电磁力对转子进行主动控制，当转子发生偏转时会自动地纠正偏转状态，从而消除转子与定子之间的相对位移，使系统回到原始稳定状态；（3）对电机进行减振降噪处理，使轴承在运行时尽量减少振动对系统造成的影响；（4）安装温度传感器对电机轴承进行温度监测和控制。此外，还可以采取以下措施来提高主动磁悬浮轴承的性能：①加强对磁悬浮轴承结构设计、制造工艺等方面的研究。结构设计合理时可以大大降低其制造成本。制造工艺不合理时会导致其工作性能差或不稳定。②采用先进的控制算法，提高系统控制性能。例如采用自适应算法、模糊算法、神经网络算法等。③采用智能控制系统。通过对传感器数据进行处理和分析来进行磁悬浮轴承参数调节。④选择合适的材料。由于磁悬浮轴承是一种强磁场装置，因此对材料的要求较高，在设计中要严格控制材料质量和热处理工艺等。

3.1 实验平台

磁悬浮轴承的悬浮特性主要取决于转子的几何参数和磁悬浮轴承的设计参数。磁悬浮轴承的支承刚度和阻尼直接影响其悬浮特性，而磁悬浮轴承的控制精度则直接决定其工作性能。为提高磁轴承的控制精度，本文利用实验室自主研发的磁轴承实验平台进行了仿真分析和实验研究。 该实验平台由支撑结构、磁悬浮轴承、数据采集与监控系统组成。实验平台由6个单自由度悬臂转子构成，每个转子分别悬挂有一个磁悬浮轴承。

3.2 实验结果分析

在设计的实验系统中，采用了一台功率为90W的主动磁悬浮轴承，使用两个位移传感器分别对转子进行检测，测量位移信号的大小和方向，并对测得的数据进行处理。通过调节主动磁悬浮轴承的电流大小和转速，可得到转子在不同状态下的受力情况。主动磁悬浮轴承对转子具有较强的支撑能力，能够承受转子所受的径向力；当电流在一定范围内变化时，转子能保持稳定的悬浮状态。当电流过大时，可能会引起转子产生涡动；电流过小时，转子也无法稳定悬浮。因此，应通过调节主动磁悬浮轴承的电流大小来控制转子悬浮高度。在余热发电机中使用主动磁悬浮轴承也面临着一些问题。首先，由于余热发电机内部工作环境恶劣，温度高、濕度大，因此对轴承的稳定性和可靠性提出了更高的要求。其次，由于磁悬浮轴承需要长时间稳定运行，因此需要有较高的维护成本。最后，由于磁悬浮轴承需要使用稀土材料进行制造和加工，因此对材料性能和加工工艺提出了更高的要求。 为了解决这些问题，可以采取以下措施：选择合适的材料和制造工艺。在选择磁悬浮轴承时，要考虑到材料性能、制造工艺和维护成本等因素，以保证系统的可靠性和稳定性。采用先进的控制算法。采用先进的控制算法可以提高系统的稳定性和可靠性，同时也可以降低系统的维护成本。优化磁悬浮轴承设计。在设计磁悬浮轴承时要考虑到系统的稳定性、可靠性、可维护性等因素，并进行相应的优化和改进。选择合适的安装方式。例如可以采用固定安装、滑动安装或者转子旋转安装等方式进行安装。在使用磁悬浮轴承期间要定期进行维护和检查，以保证系统能够稳定地运行。

4 发展与展望

随着科技的发展，主动磁悬浮轴承技术在工业生产中得到了越来越广泛的应用。它具有高转速、低噪音、节能环保等优点，被广泛应用于各种工业生产设备中，其中余热发电机就是一个典型的应用实例。 余热发电机是一种用于回收和利用工业生产过程中产生的高温余热的设备，它可以将工业生产过程中产生的热能转化为电能。由于余热发电机通常需要长时间运转，因此其轴承系统需要具有良好的稳定性和可靠性。主动磁悬浮轴承技术正是为了满足这一要求而出现的。 主动磁悬浮轴承技术是指利用磁轴承技术来实现转子系统的稳定运行。磁轴承技术是一种新型的轴承技术，它可以在不影响转子转动的情况下，实现转子的稳定悬浮和旋转。与传统的轴承相比，主动磁悬浮轴承具有以下几个优点： 首先，主动磁悬浮轴承可以提供更高的转速和更低的噪音。由于磁轴承技术可以实现转子悬浮和旋转，因此它可以提供更高的转速和更低的噪音。此外，由于磁轴承技术可以使转子稳定悬浮在空中，因此它还可以减少对设备的磨损和维护费用。 其次，主动磁悬浮轴承技术可以提高系统的稳定性和可靠性。此外，由于磁轴承技术可以提高系统的稳定性和可靠性，因此它还可以减少故障发生的概率，提高设备的使用寿命。 最后，主动磁悬浮轴承技术可以降低系统成本。此外，由于磁轴承技术可以减少对设备损坏和维护费用，因此它还可以提高设备的使用寿命和可靠性。 综上所述，主动磁悬浮轴承技术是一种非常有前景的工业生产设备控制系统技术。它具有高转速、低噪音、低磨损、低维护费用等优点，在余热发电机中得到了广泛应用。在实际应用中，需要考虑到主动磁悬浮轴承系统的设计、制造、调试和维护等方面因素，以保证设备性能和安全可靠运行。

5 结语

综上所述，磁悬浮轴承是一种新型的智能轴承，它不仅能消除机械磨损，还能消除机械摩擦，并具有可调节、无接触、高转速、低功耗等特点。由于其结构简单，易实现多自由度运动，因而在航空航天、高速列车、风电等领域有着广阔的应用前景。磁悬浮轴承的优点很多，例如无需润滑与冷却，不会产生机械磨损，摩擦系数低，因而在高速运转的设备中有着良好的应用前景；同时它具有无接触的特点，能保证高速旋转时转子与轴承不产生相对位移，从而降低了机械磨损，提高了可靠性；由于轴承内部没有摩擦和磨损等因素的影响，因而具有无噪声和低振动等优点。将主动磁悬浮轴承应用于余热发电中可以提高发电效率、降低能耗。然而由于磁悬浮轴承结构复杂、制造精度要求高、控制算法实现难度大等原因，其在余热发电领域的应用还需要克服许多问题。目前已有一些公司生产了一些磁悬浮轴承原型产品并投入了工程应用。但是这些产品与国外先进水平相比还有一定差距。随着科学技术的不断发展和进步，磁悬浮轴承技术必将得到进一步发展和完善，将会有更多的科研成果被应用到实际工程中。

参考文献：

[1]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（03）：657-664.

[2]肖林京，李鹏，高峰.磁悬浮风力发电机转子系统的研究[J].机械设计与制造，2010（06）：109-111.

[3]李鹏. 磁悬浮风力发电机转子系统的研究[D].山东科技大学，2010.

[4]王耀. 风力发电机主动磁悬浮轴承系统的研究[D].兰州理工大学，2009.