小型风力发电机起动阻力矩及磁悬浮支承的研究.pdf.doc

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1、 武汉理工大学硕士学位论文小型风力发电机起动阻力矩及磁悬浮支承的研究姓名：王念先申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：胡业发20100501 大 规 模 发展风 力 发电产 业 是 解决 我 国 能 源 和 电力 短 缺 最现实 的战 略 选择 之一。 我 国 风 能 丰 富 区 和 较丰 富 区 只 占 国 土 面 积 的 ， 目 前 大 型 和 小 型 风 力 发电机 分 别 适 用于 痵以上 的风 场 ， 要使 风 能 资 源 真 正成为 我 国 不可 缺 少的战 略 替代能 源 ， 必 须 开发 低风 速 发电技术， 使 占 国 土 面 积 的风 能 可 利 用区 和 欠 缺区

2、 的风 能 资 源 得 到充 分 利 用。 小 型 风 力 发电机 设 备 成本低， 无污染 ，能 耗低， 结 构 选择 灵活 多 样 ， 安 装使 用及 维 护 十 分 简便 ； 小 型 风 力 发电机 在国内外有 很 大 一部 分 用于 风 能 资 源 并 不丰 富 的地区 或 城市中 ， 解决 电力 紧 缺 以及减少 二 氧化 碳 排放 问 题 。 然而， 现有 的小 型 风 力 发电机 阻 力 大 ， 起 动风 速 较高，因此 开发 更 适 用于 风 能 可 利 用区 和 欠 缺 区 的小 型 低风 速 风 力 发电技术， 是 扩 大我 国 风 能 有 效 利 用面 积 的关 键。布

3、； 分 析了发 电机 的结 构 对 磁 阻 力 矩 的影 响以及 载 荷 作 用下 磁 悬浮支 承 特 性 对阻 力 矩 的影 响。关 键词：小 型 风 力 发电机 ， 磁 悬浮， 起 动阻 力 矩 ， 永 磁 轴承 ， 有 限 元 法 瓾 痵琹 甀 疭瓹 独 创性 声 明本 人完全了 解 武 汉 理 工大学 有 关 保 留 、使用 学 位 论 文的 规定， 即：学 校 有 权保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文的 复 印件 和 电子版 ，允许 论 文 被查阅 和 借 阅 。本 人授 权武 汉 理 工大学 可 以 将本 学 位 论 文 的全 部 内 容 编入有 关

4、 数 据 库 进 行检索 ， 可 以 采用 影 印、缩 印或 其 他 复 制手 段保 存 或 汇 编本 学 位 论 文 。同 时 授 权经 武 汉 理 工大学 认 可 的 国 家 有关 机 构 或 论 文 数 据 库 使用 或 收 录 本 学 位 论 文 ， 并 向 社 会 公 众提供信 息服 务 。 能源和电 力 短 缺 是 制约 我 国 经 济 可 持续发展的瓶 颈， 由 于化 石能源的使 用导 致大气中 二 氧化 碳浓度 升 高， 全 球 气候变暖 ， 威 胁 着 人 类 的生 存 和发展。利用可 再 生 能源， 改 善能源结 构 ， 减 少对 化 石能源的依赖 ， 已 成 为 我 国

5、中 长期 能源发展战 略。发展风电 是 解 决 能源和电 力 短 缺 、 实现低 碳经 济 发展的战 略选 择之一， 是 建 设 资 源节约 型 、 环 境 友好 型 社会和实 现可 持续发展的重要途 径。市场【 。我 国 风能资 源丰富， 开 发潜 力 巨 大， 风电 具 有 成 为 未来 能源结 构 中 重要组较丰富区 欠 酞 区低 风速 风力 发电 机 技术 的研 究 已 成 为 一个热 点 。国 内外许多 学 者、 科 研 机构 及 风机 制造 厂 商 都将低 风速 风力 发电 机 技术 作 为 其 重要的研 究 对 象 。目前 ， 大型 风力 发电 机 起 动 风速 高， 设 备 购

6、 置 、 风电 场开 发建 设 以 及 运 行维 护 等 成 本 高， 使 得 大型 风力 发电 机 仅 适 用于我 国 风能丰富区和较丰富区， 无法 应 用于占我 国 国 土 面 积 的风能可 利 用区和欠 缺 区。减 小 风力 发电 机 的起 动 阻 力 矩 就能有 效的降 低 其 起 动 风速 。 武 汉 理 ： 火 学 硕 士 学 位 论 文 就比较 适 合采取 径 向 间 隙 的 结构 形式 ；如果 径 向 偏 移 很 大， 就应 该采取 轴向 间隙 的 结构 形式 ， 因 为这 种结构 形式 具 有 较 小的 轴向 间 隙 ， 能获得 较 大的 轴向 刚 国 内 磁 悬浮 技术的研

7、 究 始于 年 代 ，在永 磁 轴 承 性能 研 究 方 面起 步 较 晚 ，但 对 磁 力 轴 承 的理 论和应 用还 是做了大量的研 究 工 作。 吉 林 大学 的谭 庆昌 等 采用等 效 磁 荷法 研 究 了永 磁 向 心轴 承 的承 载 能 力 、 刚 度 以 及永 磁 推 力 轴 承 的承 载能 力 问题 】 。天 津 大学 的魏 勇 等 在永 磁 轴 承承载能 力 分析的基 础上，研 究 了永磁 轴 承结 构 尺 寸 优 化和稳 定 性 】 。三 峡 大学 的沈 洁等 采 用虚 功 原 理 有 限 元 法 计 小型 风力 发 电 机一 般 都 用 于 风力 资源 不 是 非 常良好

8、的地区 ， 由于 成 本 和结构 等 原 因 的影 响， 小型 风力 发 电 机一 般 都 没有 变 桨 装置 ， 其 叶 片 刚 性 的连 接 于轮毂上 面 ， 不 能随 风速 调 整 桨 距角 。并 且 与 一 般 大型 风力 发 电 机起 动 不 同 的是 ，小型 风力 发 电 机的起 动 过 程 没有 电 机驱动 ， 其 起 动 完全依 靠 叶 片 产生 的气 动力 矩 来完成 ， 只 有 当 叶 片 的气 动 力 矩 大于 风力 发 电 机的阻 力 矩 时 风力 发 电 机才开 始 运 行。因 此， 小型 风力 发 电 机的起 动 对其 来说 尤为 重 要 并 且 非 常困 难。 小

9、型 风力 发 电 机起 动 风速 的大小直 接 反 映 着 小型 风力 发 电 机的性 能。风力 发 电 机起 动 力 矩 由叶 片 的气 动 力 矩 提供， 其 起 动 包 含 两个过 程 ： 一 是叶 轮在气 动 力 矩 的作 用 下由静止状 态开 始 旋转、 二是 叶 轮加 速 直 至 达 到 与 风速相 关 的一 个最佳转速 。由于 两个过 程 中 叶 片 的线速 度不 一 样、 相 对风速 也 不 同 ，两个过 程 的影 响因 素 也 不 尽 相 同 。本 文 主要 讨 论第 一 个过 程 ， 即 叶 轮在气 动 力矩 的作 用 下由静止开 始 旋转的过 程 。 召： 翼 型 后缘

10、；其 中： ： 风力 发 电 机叶 片 数目 ； 小型 风力 发 电 机一 般 采 用 永 磁 发 电 机， 这 样 使 得小型 风力 发 电 机结 构 简 单 。永 磁 发 电 机定 子 结 构 与 电 动 机相同， 而 转 子 采 用 永 磁 结 构 ， 不 需 励 磁 电 流 ， 具有较高的 效率 。 随着永 磁 材 料 的 发 展， 永 磁 材 料 磁 能 积大大提 高， 目 前永 磁 电机不 论从 电 气性 能 上 ， 还是 在安全可靠 性 上 讲 ， 都 优 于其他种 类 的 发 电 机 。且永 磁 发 电 机结 构 简 单 ， 可采 用 多 极 对数 转 子 ， 降 低 其额 定

11、 转 速而 与 风力 发 电机直 接连 接， 省去 齿轮箱 等 零部 件， 降 低 风力 发 电 机的 成本 、 提 高其可靠 性 。永 磁 发 电 机的 起 动 阻 力 矩 主要由 两 部 分 组 成： 磁 阻 力 矩 和机械轴 承摩擦 力 矩 。齿槽转 矩 是 永 磁 发 电 机所固有的 特 性 ， 齿槽转 矩 是 由 永 磁 体与 定 子 间的 作用 力 在切 向方向的 分 量 产 生的 。 当 转 子 旋转 时 ， 处 于永 磁 体弧 顶 部 分 的 齿槽中的 磁 场 能 量 几 乎不 变， 而 处 于永 磁 体两 侧 的 齿槽部 分 的 磁 场 随着永 磁 体位 置的变化 而 变化

12、， 气隙 磁 场 的 能 量 也 随转 子 的 转 动 而 改变， 使 得转 子 受 到一 个 切 向的 磁 力 ， 从 而 产 生齿槽转 矩 【 。 当 齿槽转 矩 与 转 子 转 动 方向相反 时 即 为 转 子 所受的 磁 阻 力 矩 。 起动 阻 力 矩 前 需先 了解其 结 构。如图 所 示： 轴 承能 有 效的 消除机 械 轴 承的 摩 擦 力 矩， 减 小风 力 发 电 机 的 起动 阻力 矩。由 永 磁体构 成的 被 动 磁力 轴 承以其 低 成本 、无 需控 制、体积小、结构 简 单等 优 点被 广 泛 应 用 。将永 磁轴 承应 用 于 小型风 力 发 电 机 将能 兼 顾

13、成本 、可靠性、降低 启 动 风 速 等 方 面 的 问 题。然 而 ， 由 恩肖 定理 可得 ， 全 永 磁体不 能 实 现 全 悬浮， 径 向 永 磁轴 承在轴 向 不 能 稳 定， 因此还需引 入 其 他 约束。 可 得， 在各 舸峨胜磁 介质 中 ：以 譬。 笋由 虚功原 理 可 得 转 子 所 受 的周 向磁 力 为：厂 ：盟缸 一 躼办 肿 为永磁 体 磁 化 方向的长 度。 A狡 来盘寮涓 舸 牌 目矶 萶 武 汉 理 大 学 硕士 学 位 论 文国 重 要 因 素 。 传 统 的降 低 轴 承 摩擦 力 矩的技 术 无 法从 根 本 上解 决 滚 动 轴 承 的摩擦 【 ，式中

14、，!荆 亩 畏 汉 珼 为求 解 域 。 软 件对 永磁 发 电机进行有 限元 分析。其 求 解 器 ； 器 释 爨萎 转 子 角 位 移韩子 角 位 移 本章 小 结 由表 可 得 出 ， 永 磁发 电 机 转 子所受 的磁阻 力 矩 与 其 定 子齿 数有 关 。 本文 分析 的实 例中 ， 当定 子齿 数为 和 时 转 子所受 磁力 矩 与 其 他 相 比 有 很 大 的差比 值， 分析 结 果 如下 表 ：表 定 予衡 宽 与 槽 宽 的比 值及 其 磁阻 力 矩 此 ， 磁悬 浮 支承下 的小 型 风力 发 电 机 转 子所受 磁力 矩 需 考 虑 永 磁轴承刚 度的影 特 性进行

15、分析 。永 磁轴承的结 构 形式 为 ：其 中，定 子磁环 与 发 电 机 的外 壳 相 连 ，在 风力 发 电 机 运行 时 其 固定 不 动；转 子磁环 与 转 轴连 接， 运行 时 其 与 风力 发 电 机 转 子一起 运行 ； 定 子磁环 与 转 子磁环 间存在 着 气 隙， 气 隙中 有 两 组 磁环 共 同 作 用 产 生的永 磁磁场， 在 磁场的作用 下 ， 转 子磁环 受 到 径向 的悬 浮 力 和 轴向 的不 稳 定 磁力 。 图 中 磁环 截 面 上 的小箭头 所指 的方 向 即为 磁环 的磁化方 向 。 稳 定 工 作 中 ， 转 子磁环 总 是 受 到 定 子磁环 的斥

16、 力 作 用 。 当永 磁轴承中 定 子与 转 子问 的气 隙分布均匀时 ， 则 转 子所受 的来 自 各 个方 向 的径向 斥 力 对 称 分布， 转 子磁环 所受 径向 合 力 为 零； 当定 子与 转子间在 某 一方 向 上 存在 着 径向 偏 心时 ， 气 隙沿周 向 分布变 得 不 再 均匀， 气 隙长度大 的地 方 磁通密度变 小 ， 而 气 隙长 度小 的地 方 磁通密度变 大 ， 在 磁通密度大的地 方 转 子所受 斥 力 的力 密度也会 变 大 ， 反 之在 磁通密度小 的地 方 转 子所受 斥力 密度变 小 ， 则 转 子在 径向 上 所受 斥 力 分布不 再 均匀， 会

17、在 偏 心的方 向 上 产 生一个与 其 方 向 相 反 的力 。 转 子磁环 所受 径向 力 的大 小 与 其 偏 心的大 小 有 关 。 针对 上 面 的结 构 ， 在 有 限 元 中 仿 真 得 转 子偏 心时 所受 磁力 为 ： 卜 一阶 拟 含曲线图 永 磁轴承承载 特 性曲线 图 转 子所受 磁力 与 偏 心位 移 问 的关 系 曲线其 中 ， 为 叶 轮载 荷 重 力 ； 为 发 电 机 转 子自 重 ； 为 机 械 轴承提供 的支承力 ； 图 轴承承载 力 与 转 子偏 心位 移 曲线 图 发 电 机 起 动 磁阻 力 矩 随 永 磁轴承径向 载 荷 变 化曲线 不 同 刚 度

18、 情 况 下径 向力与 磁阻 力矩曲线 不 同 载 荷 下刚 度 与 磁阻 力矩曲线本章 在上一章 有 限 元分 析 的 基础上对 磁悬浮 风 力发 电 机起 动 磁阻 力矩的 影响因 数进 行 了分 析 ； 分 析 了发 电 机结 构中 齿 槽数目 以及 齿 槽的 宽 度 对 启动 阻 力矩的 影响， 得 出 分 数槽绕 组和 大 的 齿 宽 的 永磁发 电 机具 有较 低 的 启动 阻 力矩：同 时 本章 还 分 析 了磁悬浮 支 承对 永磁发 电 机磁阻 力矩的 影响， 分 析 了磁悬浮 发电 机在不 同 刚 度 下磁阻 力矩随径 向载 荷 的 变 化曲线 以及 在不 同 载 荷 下磁阻

19、 力矩随永磁轴 承的 刚 度 的 变 化曲线 ， 得 出 在磁悬浮 风 力发 电 机设 计时 ， 在结 构允 许的 条 件下应 尽量增 大 永磁轴 承的 刚 度 。 由 表和图 中 的 结 果 可知 ， 随着轴 承 内外环 间 的 径 向 偏 心 位 移 的 增 大， 永 磁轴 承 所 能提 供 的 径 向 承 载 力也 越来 越大； 同 时， 随着轴 承 间 偏 心 位移 的 增 大，永 磁 轴 承 的 刚 度也 有增 大的 趋 势 。 由 图 中 还可得出， 相同 结 构尺 寸 和径 向 偏 心位 移 下 ， 单 对径 向 磁 化的 斥力型 永 磁 径 向 轴 承 所 能提 供 的 径 向

20、 承 载 力及刚 度要比轴 向 磁 化的 永磁 轴 承 大。 轴 向 磁 化径 向 偏 心 位 移 常 见 轴向 叠 加永磁轴承的叠 加形 式 如 图所示 ： 表 不 同 磁环 叠 加对 数下 永磁轴承的径向 力及 刚 度径向 刚 度 簦 甇 图 轴向 偏 移 下 永磁轴承承载特 性 曲 线力衰 减 到 初 始值的一半， 然 后， 径向 刚 度 和 径向 承载力随 轴向 偏 移 位 移 的增 加由 上 图还 可 看 出 ， 永磁轴承内 外 磁环 间存 在 轴向 偏 移 时两永磁环 间不 仅 存在 径向 力还 存 在 着轴向 力。随 着磁环 间的轴向 偏 移 位 移 增 大， 两磁环 间的轴向力

21、也随 之 增 加， 且 轴向 力增 幅 比径向 力的降 幅 要大得 多 ；同 时， 轴向 磁化永磁轴承的轴向 力变 化的幅 度 比径向 磁化永磁轴承的变 化幅 度 大， 近 似是其 两倍 。在 永磁风力发 电 机 中 ， 永磁轴承的主 要作用 是实现 风力发 电 机 转子 的径向 通 过 上 面 的 分 析可 知 ， 当 磁 环 叠 加 对 数较 小 时 ， 径 向 磁 化 永磁 轴 承 的 性能要比 轴 向 永磁 轴 承 的 性能 优越。 相 同情 况下其 径 向 刚度 和承 载 力 比 轴 向 磁 化 永磁 轴 承 的 径 向 刚度 和承 载 力 大；在 轴 向 偏 移 情 况下， 径 向

22、 磁 化 永磁 轴 承 径 向 承载 力 和刚度 的 减 小 幅 度 要小 于轴 向 磁 化 永磁 轴 承 ；径 向 磁 化 永磁 轴 承 的 轴 向 偏移 稳定 工 作 区 域 比 轴 向 磁 化 永磁 轴 承 大， 且 相 同轴 向 偏 移 位 移 条件下， 径 向 磁化 永磁 轴 承 的 轴 向 力 要比 轴 向 磁 化 永磁 轴 承 轴 向 力 小 。 因 此 ， 当 采 用 的 磁 环 叠加 对 数较 少 时 ， 径 向 磁 化 永磁 轴 承 更 适 合 应 用 于小 型风力 发电机 中 。然 而 ， 目 前 磁 环 的 径 向 充 磁 困 难 ， 径 向 充 磁 容 易 导 致 磁

23、 环 磁 化 不均 匀 、充磁 不连 续 等现 象， 大大降 低了 径 向 磁 化 永磁 轴 承 的 性能 ；同时 ， 小 型风力 发电机 中 的 载 荷 较 大， 需 要采 用 多 对 的 永磁 轴 承 ， 而 随 着磁 环 叠 加 对 数的 增加 ， 轴向 磁 化 永磁 轴 承 的 径 向 刚度 已 与径 向 磁 化 永磁 轴 承 的 径 向 刚度 相 当 ， 因 此 ， 目前 的 设 计依 然 采 用 轴 向 磁 化 的 永磁 轴 承 。 小 型磁 悬浮 风力 发电机 的 结 构 设 计 轴 向 位 移 与调 节 螺 母 旋 角 间 的 关系 为：口 转 角 。圈 小 型磁 番浮 风力

24、发电机 小型 磁悬 浮风 力 发电机 起 动 阻 力 矩实 验小型 磁悬 浮风 力 发电机 启动 阻 力 矩小型 传 统 风 力 发电机 启动 阻 力 矩 载荷对 机 械 轴承 的 摩 擦力 矩 有较大 影响。 磁 悬 浮 风力 发 电 机 中 后 端 机 械 轴承 的 载荷还 与前 端 永 磁 轴承 内外 环 间 的 相 对 位 置有关 ， 永 磁 轴承 的 内外 环 不 能完 全 处 于 理 想 位 置， 永 磁 轴承 内外 磁 环 存 在轴向 偏移和 轴向 力 ， 轴向 力 的 存 在会 对 发 电 机 机 械 轴承 的 摩 擦力 矩 产生 影响， 实 测过 程 中 机 械 轴承 的 轴

25、向 力 没有纳入 考 虑 ， 因此 ， 两 种方 式 得到 的 起 动阻 力 矩 有差 别 。 发 展 风电 是 解 决 能 源 和电 力 短缺 、实现低 碳 经 济 发 展 的 战 略 选 择 之 一 ， 是建设 资 源 节 约 型、环境友好型社 会 和实现可持 续发 展 的 重要 途 径 。 然 而 我 国 风能 资 源 丰 富地 区 少 ， 大部 分地 区 的 风速 都 较 低 风能 资 源 都 很差 ， 要 使风能 资 源真正 成为 我 国 不 可缺 少 的 战 略 替 代 能 源 ， 必 须开 发 低 风速 发 电 技术 ， 扩大我 国风能 资 源 有 效 利用 面积， 延 长可发

26、电 时间 ， 发 展 低 风速 风电 技术 迫 在 眉 睫 。小型风力 发 电 机一 般 都 处 于 风力 资 源 不 是 非 常良 好的 地 区 ， 由于 成本 和结构 的 限 制， 小型风力 发 电 机一 般 都 没 有 变 桨 装 置 ， 起 动 过程 对 其 来 说尤为 重要并 非 常困 难 。 小型风力 发 电 机起 动 风速 的 大小直 接 反 映 着 小型风力 发 电 机的 性能 。 本 文 关 于 小型磁 悬浮风力 发 电 机的 研究主 要 体 现在 如下 方 面： ， 甊 【 空 灾 歉 眨 跚煳椋 窝 桑 头缢 俜 缌 缁 镀 椤綪】 中国专 利 ： ， 】 徐 剑 雄小型 风力 发 电 机低 风速 充 电 控制 器 】 中国专 利 ： ， ， 甌 甃 ， 甊 甂 珼 甒 甌 縅 ： 一 甅 甂 ， ， ， 世界 知 识 产 权 组织 专 利 ： ， ， 日本 专 利 ： ， ， ： 琋 ， 甃 瓼 。 ： ， 甃 【 甖 琂 融 【 殴 耍 龆 岢 械哪 亮 豙 浚 执 担 ： 攻 读 硕 士 期 间 发 表 的学 术论文