[发明专利]一种风力磁悬浮机舱悬浮涡流阻尼优化方法

说明书

本发明风力磁悬浮机舱在悬浮下偏航对风，极大降低偏航功耗，但高频风速的随机波动，极易导致风力磁悬浮偏航对风过程，机舱悬浮气隙波动大、悬浮变流器功耗高以及悬浮设备故障率高等问题，提出了含悬浮绕组和圆环状铝板的涡流阻尼系统，有效降低悬浮功耗和变流器负担，被动平抑悬浮振荡。涡流阻尼铝板设计步骤首先给出涡流阻尼力和机舱悬浮力，构建机舱悬浮动态模型；基于机舱悬浮机械能构建闭环Lyapunov函数，设计了机舱悬浮电流参考设定；以额定风速产生的机舱下压力为工况，综合考虑机舱悬浮气隙波动和悬浮功耗两性能指标，优化设计涡流铝板厚度。本发明的实施可有效提升机舱悬浮气隙性能，降低机舱悬浮变流器控制负担和悬浮功耗。

技术领域

本发明公开了一种风力磁悬浮机舱悬浮涡流阻尼优化方法，是一种应用于悬浮物质量大、外部干扰多，悬浮气隙极易震荡系统，提出的一种涡流阻尼系统的有效优化方法，属于电气工程控制领域。

背景技术

风机偏航系统为大中型风电机组的核心组件，实现风机桨叶正面迎风，获取最大风能。目前风机偏航系统采用多电机、多齿轮驱动方式实现机舱的偏航迎风，较重的机舱重量以及多齿轮传动机制，使得机舱偏航功耗大、故障率高。曲阜师范大学新能源研究所将磁悬浮和盘式电机技术引入风机偏航系统，提出了风力磁悬浮偏航系统，包括桨叶、悬浮绕组、偏航定子，以及将机舱、悬浮绕组构成一体的偏航旋转体，风向变化时，悬浮绕组上电产生电磁吸力悬浮机舱旋转体，进而在偏航定子三相交流电作用下，产生电磁转矩驱动机舱旋转体无摩擦偏航对风。

磁悬浮技术因不接触、无摩擦、维护费用低等优点，广泛应用于磁悬浮列车、磁悬浮轴承、离心式压缩机以及飞轮储能等领域；但磁悬浮本质的非线性、弱阻尼以及开环不稳定等问题，使得悬浮控制颇具挑战，目前多采用Back stepping、自适应以及滑模控制等非线性方法，实现了悬浮气隙参考的良好跟踪，但往往弱化悬浮绕组电感所致悬浮力调节滞后问题；另外，悬浮弱阻尼问题也往往经由控制中引入气隙速度或加速度而实现，但易于引入干扰噪声，特别是悬浮电流滞后问题，使得悬浮性能提升存在诸多限制。引入涡流阻尼被动平抑机舱悬浮振荡，是提升悬浮稳定和降低悬浮变流器负担的有效措施。涡流阻尼研究最早可追溯到1993年，MacLatchy研究了位于铜管内垂直下落永磁体的速度减缓问题；Kwak等采用悬臂上端永磁体以及悬臂铝板构成涡流阻尼系统，快速平抑悬臂梁震荡；Elbuken等将铝板放置在磁体悬浮物下侧，实现了悬浮物振荡抑制；苟晓凡等研究了高温超导和永磁体之间铜盘阻尼设置，并从阻尼比、焦耳热以及永磁体振荡频率等方面对比振荡收敛特性；房建成在高速压缩机中引入铝板和Halbach磁体构成的阻尼器，实现了压缩机轴径向位移波动的被动平抑。值得说明的是上述涡流阻尼都是由铜或铝导体板以及永磁体构成，涡流阻尼力主要来之永磁体相对位移变化。但永磁体引入至机舱悬浮系统，无疑增大悬浮重量和悬浮功耗。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本发明提供一种风力磁悬浮机舱悬浮涡流阻尼优化方法，其特征是通过机舱悬浮气隙波动指标和悬浮功耗指标结合优化权值，确定机舱铝板厚度优化的目标函数，进而获取优化的圆盘状涡流铝板厚度；所述涡流阻尼用于抑制风力磁悬浮机舱悬浮波动，在偏航定子下侧设置圆盘状涡流铝板，与机舱旋转体上悬浮绕组，协同构成的涡流阻尼系统；所述涡流阻尼系统的核心是涡流阻尼力，产生于机舱旋转体悬浮绕组的轴向运动，在圆盘状涡流铝板上产生涡流，在悬浮磁场作用下产生，与机舱悬浮电流、悬浮气隙波动速度以及铝板厚度密切相关。所述机舱悬浮气隙波动来自高频风速所致机舱下压力变化，由机舱悬浮闭环刚度和额定风速下的机舱下压力计算；所述悬浮功耗主要来自悬浮绕组产生的铜耗，铜耗计算工况为额定风速和有效悬浮气隙下由悬浮电流的平方与悬浮绕组内阻的乘积获取。

所述一种风力磁悬浮机舱悬浮涡流阻尼优化方法设计步骤如下：

步骤1，构建风力磁悬浮机舱悬浮动态模型

a)采用电流微元法求取含圆盘状涡流铝板的涡流阻尼力F_z和轴向悬浮力F