Использование магнитных подвесов при проектировании ВЭУ с вертикальной и горизонтальной осью вращения



Работа выполнена при поддержке гранта №МК-5098.2016.8

В статье исследуется тема использования магнитных подвесов при проектировании ветроэнергетических установок с вертикальной и горизонтальной осью вращения (ВЭУ). Анализируются применения обычных и магнитных подшипников в подвесах ВЭУ. Описываются преимущества магнитных подвесов в проектировании и их характеристика. Выделяются и изображаются характерные особенности структурных составляющих постоянных магнитов. Обобщается практический опыт использования магнитных подвесов в ветроэнергетических установках.

Ключевые слова: постоянный магнит, подвес, ветроэнергетическая установка.

Мир рано или поздно столкнется с тем, что запасы не возобновляемых сырьевых ресурсов — нефти, газа и угля — будут исчерпаны. Чем активнее мы их используем, тем меньше их остается, и тем дороже они нам обходятся. По расчетам специалистов, при нынешних объемах добычи угля, нефти и газа запасов сырья на Земле хватит меньше, чем на сто лет. К тому же опустошение земных недр и сжигание топлива уродуют планету и год от года ухудшают ее экологию [1].

Применение технологии магнитного подвеса в роторных системах в наше время получает все большее применение. Это обусловлено рядом значительных преимуществ магнитных подшипников (ЭМП) по сравнению с механическими, основным из которых является отсутствие трения [2].

Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) обладают сроком службы не менее 20 лет. Они работают в довольно тяжелых климатических условиях при температурах от – 60 до + 40 °С, что судит требование высокой надежности этих установок при минимальных затратах на обслуживание. Надежность ВЭУ непосредственно связана с проблемой повышения долговечности подшипниковых узлов. Очевидно, что проблема может быть разрешена как за счет улучшения традиционных подшипников качения и скольжения, так и созданием нетрадиционных подшипников, в которых используются иные физические принципы действия. Значительным недостатком подшипников качения является наличие механического контакта между подвижными и неподвижными частями и надобностью в смазке дорожек качения. В подшипниках скольжения механический контакт отсутствует, но они требуют системы подачи смазочного материала для создания смазочного слоя и герметизация данного слоя [3].

От указанных изъянов свободны магнитные подшипники, в которых для создания опорных реакций применяется магнитное поле. В подвесах на постоянных магнитах (ППМ) магнитное поле создается постоянными магнитами. Наиболее подходящими материалами для изготовления постоянных магнитов в настоящее время проявляется композиция NdFeB. Подвесы на постоянных магнитах отличаются простотой и экономичностью, т. е. не требуют дополнительных источников энергии для обеспечения левитации. Подвес ротора такого типа работает даже в условиях неподвижной ветроэнергетической установки. Однако им свойственны следующие недостатки: низкая механическая прочность постоянных магнитов; не рассеивают механическую энергию при колебаниях подвешенного тела, поэтому нуждаются в особых демпферах; не позволяют реализовать полную устойчивость неконтактной подвески.

Рентгеновские анализы показывают, что сплавы, имеющие оптимальные характеристики состоят из сферической формы кристаллитов равновесия на основе Nd-Fe-B [3, 13].

В результате отмеченных изъянов опоры на постоянных магнитах разумно применять для разгрузки механических опор или в сочетании с активными магнитными опорами. Подвес на постоянных магнитах (ППМ) заключается из нескольких магнитных модулей в зависимости от величины усилия, которое нужно скомпенсировать (рис. 1). Предпочтение такой конструкции обусловливается ограничениями на габаритные размеры магнитных модулей. В анализируемом устройстве это внешний диаметр оси ротора 4 (Dо.р. = 159 мм) и внутренний диаметр корпуса ступицы 7 (Dк.с. = 305 мм). Кроме этого, имеются ограничения на величины изготавливаемых магнитов (внешний диаметр кольца постоянного магнита не должен превышать 220 мм). С другой стороны, достаточно значительное расстояние между шарикоподшипниками (L = 2000 мм) санкционирует использовать в ППМ до шести магнитных модулей. Каждый магнитный модуль 1 заключается из двух платформ 2 и 3. Верхняя платформа 2 фиксируется на оси ротора 4. Нижняя платформа 3 — на внутренней поверхности корпуса ступицы. Корпус ступицы вращается и передает момент вращения генератору ВЭУ. В свою очередь магнитные платформы состоят из обечаек 9 и 10, на которых устанавливаются: постоянные магниты 11; стальная прокладка 14; крышка из алюминиевого сплава 15.

Рис.1. Схема подвеса на постоянных магнитах

Для обеспечения совершенной герметичности обечайку заполняют эпоксидным компаундом. Каждый постоянный магнит покрыт защитным слоем (белый цинк) и располагает формой сегмента, что разрешает уложить магниты в обечайке в виде кольца. Каждое кольцо включает 24 магнита марки Н342/1,32/876/955 толщиной 10 мм и массой 55,4 грамма. Так как в местах стыковки магнитов однородность магнитного поля нарушается, то может появиться пульсация магнитного потока внутри модуля, что неминуемо вызовет вихревые токи и добавочные потери при работе магнитного подвеса. Для уменьшения негативных результатов этого эффекта применяется стальная магнитная прокладка 14, которая располагается поверх кольца, составленного из постоянных магнитов. Кроме этого, крышка платформы 15 реализована из алюминиевого сплава с высокой электропроводностью и выполняет роль демпфера при изменении магнитного потока магнитного модуля. Устройство магнитного модуля надежно защищает постоянные магниты от разнообразных внешних влияний, в том числе и от влияния влаги. Не исключена вероятность образования конденсата во внутренней полости корпуса ступицы. В связи с этим все стальные части модуля окрашены, завершающая окраска реализовывается после сборки элементов магнитного модуля. Для обеспечения верного крепления магнитных модулей к обечайке 9 привариваются внутреннее кольцо 12 и косынки 8, а к обечайке 10 привариваются внешнее кольцо 13 и косынки 8. Верхняя платформа 2 крепится к внутреннему стеклотекстолитовому цилиндру 5 винтами 17 (М10х18). Подобным образом нижняя платформа крепится к внешнему стеклотекстолитовому цилиндру 5 винтами 17 (М10х18). В свою очередь внутренний стеклотекстолитовый цилиндр 5 укрепляется к оси ротора 4 болтами 21 (М12х25). Добавочную прочность соединения снабжают болты 23 (М10х35). Внешний стеклотекстолитовый цилиндр 6 крепится к корпусу ступицы 7 болтами 18 (М12х25). Добавочную прочность соединения обеспечивают болты 25 (М10х28) [4, 5].

Рост интереса к СМП во многом определено улучшением магнитных свойств и снижением цен на нынешние магнитные материалы, которые употребляются в качестве источников постоянных магнитных полей. Эти материалы базируются на переходных (Fe, Co) и редкоземельных (Sm, Pr, Nd) элементах. В особенности востребованными являются NdFeB магниты. Согласно данным, приведенным Орловым П. И. [5], за последнее время характеристики постоянных магнитов NdFeB существенно улучшились. На рис. 2 приведены диаграммы повышения магнитных свойств некоторых материалов и их использование в разные периоды двадцатого столетия [6].

Как видно из рисунка, к концу прошлого столетия возникли новые материалы, располагать высоким значением запасенной удельной энергии. Это магниты Nd-Fe-B и Sm-Co. Магниты Nd-Fe-B обладают преимуществом по сравнению с магнитами Sm-Co. Они не только мощнее, но и более доступны и менее дороги.

Рис.2. Магнитные свойства материалов

Устойчивым подвесом с постоянными магнитами является электродинамический подвес. Принцип его работы заключается на возникновении в проводящих материалах вихревых токов. Вихревые токи могут быть индуцированы переменным магнитным полем или движением системы проводников в постоянном магнитном поле. Из этого следует, в электродинамическом подвесе подъемная сила появляется только при перемещении магнитного поля вблизи проводящей поверхности и отсутствует в состоянии покоя. В ряде случаев его техническое исполнение является недочётом подвесов такого типа, который компенсируется введением опор качения для низких скоростей. Генератор предназначен для простоты и легкости производства и состоит из двух роторных дисков друг с постоянными магнитами, размещенными вокруг его периферии [7, 14].

В конце ХХ века было сделано открытие, разрешающее сконцентрировать магнитное поле от нескольких постоянных магнитов без затраты дополнительной энергии, что разрешает увеличить магнитную индукцию системы. Впервые вероятность сконцентрировать магнитное поле с одной стороны магнита обосновал J. C. Mallinson [8]. Он обосновал, что, при определенных условиях, имеется возможность снизить магнитный поток на одной стороне магнита и снизить его на другой стороне. Первоначально полагалось, что такая возможность разрешит уменьшить влияние магнитного поля на чувствительные материалы, например, усовершенствовать характеристики записи на магнитную ленту.

В дальнейшем, при изучении возможности использования постоянных магнитов в ускорителях и накопительных кольцах, Клаус Хальбах [9, 10] предложил необычную схему расположения магнитов, согласно которой вектор индукции каждого последующего магнита повернут на обусловленный угол по отношению к предыдущему. В этом случае поле с одной стороны полученного массива становится больше, чем с другой. Следствием исследований Хальбаха предстали массивы постоянных магнитов, известные теперь как магнитная решетка и цилиндр Хальбаха, в центре которого сосредоточивается магнитное поле большее, чем поля отдельных элементов массива. Физически, данные условия обозначают, что сила тяжести свободного кольца уравновешивается магнитным взаимодействием кольцевых токов. В одном случае, мы имеем магнитную подушку (свободное кольцо находится над неподвижным), в другом — подвес (свободное кольцо находится под неподвижным). В настоящее время явление магнитного подвеса при помощи левитации применяется многими компаниями при изготовлении вертикально-осевых ВЭУ. Например, ООО «Энергомир», Санкт-Петербург производят 2 и 5 кВт агрегаты. Ветрогенератор собирается с использованием редкоземельных неодимовых магнитов (NdFeB) и благодаря его многополюсности возможно выдавать номинальное напряжение на малых оборотах без использования мультипликатора. Кроме того, подобная конструкция предложена компанией MaglevWindTurbineTechnologies (MWTT) [12].

Подобным образом использование магнитной левитации в функционировании вертикально-осевых ВЭУ разрешает: исключить трение в опорных подшипниках и увеличить КПД ВЭУ, понизить момент инерции ВЭУ и сделать их самозапускаемыми уже при скоростях ветра 1,5–2 м/с, продлить срок службы генератора, снизить стоимость РКК энергии [11].

Литература:

1. Кошелев А. А. О состоянии и перспективах альтернативной энергетики в России, или почему у нас пренебрегают «бесплатной» энергией солнышка, ветра и речек? // Экологический журнал «Волна». — 2006. — № 1(44). — С. 23–25.
2. Schweitzer G., Maslen E. Magnetic Bearings: Theory, Design, and Application to Rotating Machinery// Berlin: Springer, 2009. — 535 с.
3. Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение// СПб.: Политехника, 2003. — 206 с.
4. Альтман А. Б., ГербергА.Н., Гладышев П. А. и др. Постоянные магниты: справочник // под ред. Ю. М. Пятина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1980. — 488 с.
5. Орлов П. И. Основы: справ.- метод. пособие: в 2 кн. //под ред. П. Н. Учаева. — Изд. 3-е, испр. — М.: Машиностроение, 1988. — Кн. 1. –560 с.
6. Michael C., Weaire D. Magnets, Markets, and Magic Cylinders // The Industrial Physics. — 1998. –№. 4, (3). — С. 34–36.
7. Транспорт с магнитным подвесом / Под ред. В. И. Бочарова, В. Д. Нагорского. — М.: Машиностроение, 1991. — 320 с.
8. Mallinson John C. One Sided Fluxes — A Magnetic Curiosity // IEEE Transactions on Magnetics. — 1973. — №. 9, (4). — С. 678–682.
9. Halbach Klaus. Design of Permanent Multipole Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Materials // Nuclear Instruments and Methods. — 1980. — №. 169, (1). — С. 1–10.
10. Halbach Klaus. Application of Permanent Magnets in Accelerators and Electron Storage Rings // Journal of Applied Physics. — 1985. — №. 57, (1). — С. 3605–3608.
11. Пархоменко Т. А. Применение магнитной левитации для разгрузки опорных подшипников вертикально-осевых ВУЭ// НАУ им. Жуковского «ХАИ». — 2011. — № 34. — C.6.
12. Раздин Е. В. Ветрогенераторы нового поколения // Гидроэнергетика Украины. — 2008. — № 1. — С. 58–60.
13. McCallum W., Kadin A. M., Clemente G. B., Keem J. E. High performance isotropic permanent magnet based on NdFeBR. //Appl. Phys.–1987. –61 с.
14. Chan T. F., Wang W., Lai L. L. Performance of an Axial-Flux Permanent Magnet Synchronous Generator From 3-D Finite-Element Analysis // Energy Conversion IEEE Transactions on. — 2010. — №. 25. — С. 669–676.