电力级大功率飞轮储能系统耦合火电机组调频技术研究及工程应用

新型电力系统下,风光等分布式能源大规模并网发电导致系统对灵活性调节资源的需求剧增。大功率飞轮储能技术的快速发展可为解决电网频率安全稳定问题提供有效方案。该文针对飞轮储能系统耦合火电机组调频领域的应用问题,从“关键技术研发-系统方案设计-耦合调频控制”的思路出发,研究电力级大功率磁悬浮飞轮储能技术,设计火储耦合调频的电气接线和飞轮并入方案。结合工程实践提出火电机组耦合大规模飞轮储能群组协同调频的控制方案。目前,该技术已成功应用在灵武电厂两台600MW亚临界火电机组,提升了一次调频、自动发电控制(automatic generation control,AGC)等关键电能质量指标,火储联合系统一次调频合格率提升了21.26%,AGC调频的综合调节性能指标提升16.4%,项目年度总收益可达3514.8万元,取得了良好的经济收益和社会效益,是飞轮储能系统在电力领域的一次成功实践。

磁悬浮永磁发电机用被动磁轴承磁力及刚度特性研究

磁悬浮高速永磁发电机是超低温余热发电装置的核心部件,其轴系结构及参数关乎发电机的性能。以被动永磁轴承为研究对象,简单介绍了余热发电机轴系和被动磁轴承的结构形式、被动磁轴承悬浮原理,建立了被动永磁轴承的磁力计算模型以及刚度计算模型,通过正交实验获取该被动磁轴承的全局最优设计参数,即全局最优的磁极径向厚度d为7.5 mm,磁极对节距λ为15 mm,间隙中心半径R为100 mm,轴向长度L为150 mm,径向间隙g为3 mm,径向刚度K为3000 N/mm。上述轴系结构及参数应用于某余热发电系统,实际运行结果表明,故障停机率降低了52.94%,转子额定工况下位移幅值减少0.09 mm,被动磁轴承温度降低了10℃。

具有被动式磁力轴承的无刷直流电机研究

非接触式磁力轴承广泛用于高速电机及某些具有免维护要求的特殊应用场合,如人工心脏旋转血泵。该文介绍了一种具有被动式磁力轴承的新型无刷直流电机。采用该文提出的被动式磁力轴承,电机转子可实现磁悬浮而不需要进行悬浮力控制。电机转子的轴向稳定性依靠被动式轴承以及永磁转子由于轴向位移产生的轴向力来实现。电机转子的径向磁悬浮,需要通过对被动式磁力轴承永磁环以及无刷直流电机的气隙、永磁体的径向厚度和轴向长度的优化设计来实现。

轴向力偏转五自由度永磁偏置磁轴承及磁路解耦设计

为了提高空间用磁悬浮飞轮输出偏转力矩的能力和精度,提出一种利用轴向力控制转子径向偏转的五自由度永磁偏置磁轴承(permanent-magnet-biased magnetic bearing withfive degrees of freedom,5-DOF-PMB),有效减小了飞轮体积和转子轴向长度,提高了系统的集成度,改善了转子系统的固有模态和稳定性。有限元仿真表明,按照角动量为15 N?m?s飞轮的要求设计的轴向力偏转5-DOF-PMB可同时满足各自由度负载的要求。为了提高转子径向大偏移时主动振动的控制精度,进一步对轴向力偏转5-DOF-PMB径向通道进行了磁路解耦设计。等效磁路分析与有限元仿真表明,经磁路解耦的5-DOF-PMB径向通道间磁路耦合程度削弱了2个数量级。最后从等效磁路和结构设计角度,对永磁偏置磁轴承的磁路解耦设计方法进行了归纳和总结。

高温超导磁悬浮轴承研发现状

高温超导磁悬浮轴承作为具有自稳定优势的高温超导磁悬浮技术最具代表性的应用之一,可实现无源的高速无摩擦旋转运行,为大幅度提高现有机器设备的性能及升级换代提供了新的途径。本文综述了近年来美国、德国、日本和韩国等国内外小组开展的高温超导磁悬浮轴承代表性样机研发现状,探讨了该项技术的关键难点问题,指出了当前研究的热点,阐述了可能的应用前景。

一种新型被动磁悬浮轴承的研究

提出一种新型被动径向磁悬浮轴承,它是由盘状转子和定子两大构件组成,在定子上布置着永磁体以便形成沿径向的不均匀磁场,在转子上沿圆周均匀布置了几个导体环以便它在磁场中运动时借助电磁作用,迫使转子始终在其预定中心处运转。论述了这种轴承的工作原理,详细地分析了导体环所受的电磁作用,推导出转子所受电磁力的计算公式,并求出了这种轴承的最优导体环数以及系统稳定性。

采用永磁悬浮的永久性左心室辅助装置

研制出一台采用永磁轴承的左心室辅助装置(LVAD)。该装置包括一个定子和一个转子,采用径向驱动方式;转子包括驱动磁钢和叶轮,电机定子线圈和泵壳组成定子。装置设计采用了一种特殊结构的永磁轴承。转子的位置测量表明,转子稳定悬浮的前提条件是必须有较高的转速(大于3250r/min)且流量大于1L/min。用猪血为介质所做的液动力测试表明,当转速达到3500r/min^4000r/min时,血泵输出流量达到4L/min^6L/min,输出压力达到100mmHg。该装置重200g,最大处直径为40mm。

陀螺效应使永磁悬浮心脏泵稳定平衡

为使人工心脏泵可以永久使用,作者研制出一种仅采用永磁轴承实现磁悬浮的离心泵。其保留了电磁悬浮泵的优点,又避免其不足之处。然而,传统理论认为永磁悬浮是不可能稳定平衡的。作者利用陀螺效应解决了此问题。径向驱动的离心泵包括一个转子和一个定子。转子由驱动磁钢和叶轮组成;定子由电机线圈和泵壳构成。两个永磁轴承抵消电机线圈铁心与转子驱动磁钢之间的吸引力。生理盐水试验表明,当血泵转速超过3250转/分、流量大于1升/分时,转子可以在定子中悬浮起来。高转速是达到陀螺效应的条件,大流量是良好水动力性能的前提。

被动式电磁阻尼器对磁悬浮转子系统不平衡响应的影响

采用被动式电磁阻尼器控制磁悬浮轴承转子系统振动。首先,设计了一个被动式电磁阻尼器,可以通过电流变化控制阻尼力。然后,基于通用有限元软件NASTRAN,对磁悬浮轴承转子系统分析了不同阻尼下的不平衡响应仿真。最后通过系统高速旋转实验,研究了不同阻尼器控制参数下该系统的不平衡响应。仿真与试验结果表明,增加被动式电磁阻尼器能够改善系统的动态性能并降低转子的不平衡振动,使转子成功越过一阶弯曲临界转速15 600 r/min,稳定运行在21 000 r/min。

采用Halbach磁场的新型被动磁轴承仿真

为了提高永磁磁轴承的轴向承载力和刚度,在对理想Halbach磁场进行分析的基础上,利用分段磁环构成的近似Halbach磁场设计了一个新型的轴向永磁磁轴承。通过有限元软件对这种磁轴承进行了建模仿真,计算了最大承载力以及刚度,并分析了磁环的厚度与高度比值对磁轴承刚度的影响。仿真结果表明,采用Halbach磁场的轴向磁轴承最大可以提供2×106N/m的刚度,高于相同永磁材料用量条件下传统轴向磁轴承的刚度。考虑到这种磁轴承的结构要比传统结构复杂,因此这种磁轴承更适合在对刚度要求高的场合应用。

永磁磁浮叶轮在血泵内的偏心距测量及分析

为了消除叶轮血泵内的机械磨损、延长血泵的使用寿命,采用了永磁磁浮技术,并利用自制测试系统测量永磁磁浮叶轮在血泵内的位置 数据处理结果表明,血泵流量及转速达到一定值后叶轮便能实现悬浮,而且转速越高、流量越大、气隙越小血泵越稳定,即旋转叶轮的偏心距及振幅越小 此外。

一种新颖的永磁轴承及其在叶轮全人工心脏设计中的应用

研制了一种新颖的永磁轴承,由两个大小不同、充磁方向相同的同心磁环组成。将这种永磁轴承应用于叶轮式全人工心脏的结构设计,现已完成了样机制作和初步测试。耐久性试验已经持续14个月(进行中),血泵流量和压力没有任何变化,电机驱动参数如电压、电流及转速也没有任何变化,表明泵内没有机械磨损。

新型永磁悬浮轴承在透平机及心脏泵中的应用

为验证永磁悬浮轴承在旋转时能否实现转子的稳定悬浮,将自行设计的新型永磁悬浮轴承应用到透平机和离心式心脏泵中,并利用Hall传感器分别测量二者转子旋转时的偏心距,用速度传感器分别测量二者的旋转速度.发现当转速高于某一临界值(透平机为1 800 r.min-1,心脏泵为3 250 r.min-1),透平机和心脏泵的转子偏心距均会明显小于转子和定子的间隙0.15 mm,转子脱离了定子并保持了稳定悬浮.结果表明:高速旋转的悬浮体所具有的陀螺效应能够使永磁悬浮转子稳定平衡;在静止或转速很低的情况下,永磁悬浮转子不能保持稳定的旋转;一旦转速超过某一临界值,它就会获得陀螺效应并借此达到5自由度的稳定悬浮.

永磁磁浮叶轮血泵及转子悬浮性能分析

为了消除叶轮血泵内的机械磨损、延长血泵的使用寿命,血泵均采用电磁悬浮技术,但是电磁磁浮有许多不适合血泵的弊端。本文介绍的永磁磁浮叶轮血泵采用一种新颖的永磁轴承,该轴承由两个大小不同、充磁方向相同的同心磁环组成,具有轴向弹簧和径向轴承的双重功能。作者利用实验室自制叶轮血泵转子位置测试系统测量转子的位置。数据处理结果表明,血泵的转速越高、流量越大、气隙越小越有利于叶轮血泵转子悬浮。此外,还讨论了采用三种不同形式永磁轴承的叶轮血泵转子的悬浮性能。

大卸载力铠装永磁轴承设计分析

飞轮储能轴系采用非接触磁轴承,卸载轴系80%~90%重量,以降低下支承磨损和功耗。提出铠装钕铁硼永磁轴承设计方法,并应用于400 k W飞轮储能工程样机的磁轴承设计。该设计构型简单,单磁环被包在磁轭中,转子部分无永磁材料,规避振动和散热问题。磁环采用扇形磁瓦拼接,可满足大卸载力需求,其磁场不均匀性对轴向卸载力影响可忽略。工作间隙附近,轴承吸力与间隙大小关系近似线性化。工作间隙中磁轭面积约是磁环面积2倍时,轴承获得最大吸力。高效设计流程方法使磁环体积减少24.4%。给出了不同转速下的轴承最大卸载力设计参数。

永磁磁浮电机的研制及其在人工心脏中的应用

在研究人工心脏驱动电机的过程中,实现了转子永磁磁浮的稳定平衡,并成功应用于两种类型的叶轮血泵,一种是轴向驱动叶轮血泵,另一种是径向驱动双心辅助泵。

磁轴承涡轮流量传感器的探讨

对不同结构的磁轴承涡轮流量传感器进行了比较综合,发现采用被动磁轴承结合机械约束,实现传感器内部可动部件叶轮的部分悬浮,是减小轴与轴承之间机械摩擦阻力、降低轴和轴承的磨损,从而提高传感器的灵敏度,增加传感器使用寿命的一条思路。提出了采用两个轴向磁化的径向磁轴承结合两个球头轴尖支撑的涡轮流量传感器结构,并进行了理论分析和参数计算。对研制磁轴承涡轮流量传感器过程中遇到的问题,进行了初步探讨。

永磁式磁轴承的被动悬浮和主动悬浮问题研究

以磁轴承为研究对象 ,在论述磁轴承结构特点的基础上 ,介绍了该磁轴承试验模型的工作原理和系统组成 ,推导了其动力学模型。最后对磁轴承的被动悬浮特性进行了分析 ,对其主动悬浮控制系统进行了设计 ,给出了实验结果。

基于磁通门阵列的被动式救援井探测定位系统研究

救援井工具是用来测量事故井相对于救援井的相对距离和方位的仪器,根据救援井测距工具原理不同可将其分为主动测距系统和被动测距系统。被动测距系统主要是通过检测事故井中套管、钻杆等对地磁的影响,从而获得事故井和救援井之间的相对距离。MAPMRS是海油自研的被动式救援井定位工具,该工具除应用于救援井作业外,还可应用于防碰等需要实时测距数据的钻井作业中。本文介绍了海油自研被动式救援井探测定位工具的原理和首次实井实验的情况。