小型风力发电机起动阻力矩及磁悬浮支承的研究

论文摘要

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26%,目前大型和小型风力发电机分别适用于5m／s和3m／s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74%的风能可利用区和欠缺区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。磁悬浮支承具有无机械接触、无磨损、无需润滑、寿命长、免维护、无污染等独特优势。将磁悬浮技术应用于小型风力发电机中,采用永磁轴承替代机械轴承,可以从根本上消除支承发电机转轴的机械轴承间摩擦力,从而实现降低小型风力发电机的起动阻力矩。但是,小型磁悬浮风力发电机起动阻力矩产生的原因,永磁支承对小型风力发电机的影响,及小型风力发电机对永磁支承的要求等问题上还需展开研究。本文针对上述问题进行了如下工作：1.分析了风力发电机的起动过程,了解了起动阻力矩与起动风速间的关系,分析了小型风力发电机起动阻力矩产生的原因,建立了转子偏心小型风力发电机的起动磁阻力矩数学模型。2.采用有限元法分析了小型风力发电机中的磁力和发电机气隙中的磁场分布；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。3.针对磁悬浮风力发电机对永磁轴承承载特性的要求,分析对比了几种结构形式、不同磁化方向永磁径向轴承的承载特性以及轴向叠加情况下两种斥力型永磁轴承的承载特性。4.设计并制造了小型磁悬浮风力发电机,并对其起动阻力矩进行了测试,与理论分析结果进行了对比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 低风速风力发电机及永磁轴承的国内外研究现状
• 1.2.2 发电机阻力矩的国内外研究现状
• 1.3 研究目的与意义
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 磁悬浮风力发电机起动阻力矩及其计算
• 2.1 风力发电机起动阻力矩
• 2.1.1 起动阻力矩与起动风速
• 2.1.2 起动阻力矩产生的原因
• 2.2 磁悬浮风力发电机结构
• 2.2.1 永磁发电机结构
• 2.2.2 小型磁悬浮风力发电机结构
• 2.3 发电机起动阻力矩的计算
• 2.3.1 发电机磁阻力矩
• 2.3.2 转子偏心时发电机磁阻力矩
• 2.3.3 轴承起动阻力矩
• 2.4 本章小结
• 第3章 磁悬浮风力发电机起动阻力矩有限元分析
• 3.1 有限元法
• 3.2 风力发电机起动阻力矩有限元分析模型的建立
• 3.3 有限元结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 磁悬浮风力发电机起动阻力矩的影响因素
• 4.1 发电机结构对起动阻力矩的影响
• 4.1.1 齿槽数目对起动阻力矩的影响
• 4.1.2 齿槽宽度对起动阻力矩的影响
• 4.2 磁悬浮支承对起动阻力矩的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 磁悬浮支承的设计与实验
• 5.1 磁悬浮风力发电机支承方式的研究
• 5.1.1 单对永磁轴承径向刚度的研究
• 5.1.2 多对永磁轴承径向刚度的分析
• 5.2 小型磁悬浮风力发电机的结构设计
• 5.3 小型磁悬浮风力发电机起动阻力矩实验
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢