水平轴波浪能发电装置磁性驱动器传动机理研究与变阻尼控制

摘要

随着社会发展，常规能源已不能满足社会的需求，波浪能是海洋中储量最丰富的一种能源，以其无污染、可再生等特点得到重视，对其开发力度也在逐步增加，中国对波浪能开发刚刚开始，很多问题等待解决。旋转式波浪能发电装置传动部位往往需要进行密封，传统的密封方式无法实现完全密封，会随着运行慢慢失效，导致设备故障。磁性驱动器常被用在对密封要求很高的场合，像化工厂、制药厂等，能满足严格的密封要求。本论文以适用于波浪能发电设备的磁性驱动器的传动机理分析与变阻尼控制为主要目标，结合等效磁荷法、拉格朗日方程等对磁性驱动器的性能进行研究，将磁性驱动器引入波浪能发电装置中，拓宽磁性驱动器的应用领域。
　　本文介绍了国内外海洋能装置密封机构发展状况，分析了磁性驱动器的发展情况及其理论研究。以磁性驱动器为研究对象，依据磁力驱动技术、机械设计理论、现代控制理论等，对其进行了建模、理论研究和实验分析。基于等效磁荷法，建立了磁性驱动器的理论模型，讨论不同条件下，磁性驱动器的扭矩传递情况，分析了存在安装偏差情况下磁性驱动器的理论模型。以矩形磁体为例进行了详细理论推导，得出了扭矩传递的数学解析式，为后面的分析奠定了基础。
　　建立磁性驱动器通用数学模型，根据磁性驱动器磁体离散特性及结构参数，得到磁性驱动器的扭矩解析方程，对磁性驱动器在不同磁极数、半径、磁体尺寸等参数下的扭矩传递性能进行分析，得出磁性驱动器性能随各参数变化的特性曲线，为磁性驱动器性能分析和优化奠定了基础。建立磁性驱动器的分析模型，通过有限元分析法证实了理论可行性。结果表明当磁体对数增加到一定数目时才能对磁性驱动器性能有较好的提升，磁体宽度与半径存在一个最佳相对值，磁体数目的增加能提高磁性驱动器的扭转刚度，增强磁性驱动器的动态响应性能。磁性驱动器传递的扭矩与磁体的宽度、厚度、长度呈正相关关系，与磁体间的气隙呈负相关关系，最大传递扭矩与半径呈抛物线关系。对磁性驱动器安装偏差进行分析表明径向偏差对其性能影响较小，会稍微提高磁性驱动器的扭矩传递能力;轴向偏差对磁性驱动器影响较大，使磁性驱动器的扭矩传递能力迅速下降，过大的轴向偏差会使其失去扭矩传递能力。
　　引入拉格朗日方程到磁性驱动器动力学性能研究中，建立了磁性驱动器动力学方程，得到了磁性驱动器动态性能的数学模型，分析了不同参数对磁性驱动器动态性能的影响，得到了扭转刚度、转动惯量、阻尼系数与磁性驱动器动力学性能的关系，讨论了在不同外界条件下磁性驱动器的响应性能。通过实验采集了波浪能发电设备的结构参数，建立了水轮机的有限元分析模型，依据实际波浪条件，对水轮机的运行情况进行了有限元分析，建立了不同条件下的水轮机运动特性。将水轮机的运动特性作为输入条件，对磁性驱动器的动力学性能进行分析，得到了磁性驱动器的响应特性。结果表明增加扭转刚度可以提高磁性驱动器的响应性能，缩短从动转子的响应时间，增强磁性驱动器的启动性能;减小阻尼系数会使输出端的振荡增加，调节时间变长，但会缩短输出端的响应时间;增加转动惯量使输出端的启动特性变差，稳定时间增加，输出端的抖动变大;系统的稳态性能与磁性驱动器的转动惯量无关，仅受到阻尼系数和扭转刚度的影响。基于空间状态法，建立了磁性驱动器的空间状态方程，得到了磁性驱动器的各个运动变量的数学表达式，分析了磁性驱动器在运行过程中的稳定性。
　　根据磁性驱动器动力学特性方程，考虑安装偏差存在时，以磁性驱动器输入端与输出端的角度差为衡量指标，建立了磁性驱动器角度差特性方程，分析了在不同转动惯量、扭转刚度和阻尼系数下，磁性驱动器的角度差变化。结果显示转动惯量增加和扭转刚度增加使磁性驱动器的角度差的瞬态性能变差，阻尼系数增加使角度差瞬态性能变好，过大的阻尼系数会使磁性驱动器稳态时角度差变大。根据不同参数对角度差性能的影响，提出了一种变阻尼系数控制方法，使磁性驱动器获得较好的动力学性能，依据这种控制方法设计了一种变阻尼系数控制器，通过有限元法验证了其可行性。
　　研制了测量磁性驱动器扭矩传递性能和动力学性能的实验台，对磁性驱动器的扭矩传递性能和动力学性能进行了实验。通过设计的变阻尼系数控制器，对磁性驱动器的角度差脉动抑制性能进行了实验，验证了变阻尼系数法的可行性。实验结果表明，理论分析和实验偏差都在6％以内，能够满足实际工程要求，通过实验验证了前面章节理论分析的正确性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景、目的及意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究目的

1．1．3 课题研究意义

1．2 课题国内外研究现状

1．2．1 海洋能发电装置密封机构国内外现状

1．2．2 磁性驱动器国内外现状

1．3 本课题的研究内容与结构

第二章 离散式磁体扭矩模型和动力学模型构建

2．1 前言

2．2 电磁计算理论基础

2．3 基于等效磁荷法的离散式磁体扭矩求解模型

2．3．1 等效磁荷法

2．3．2 离散式空间分布磁体间扭矩求解

2．3．3 空间圆周均布磁体间扭矩求解

2．4 一般形式动力学方程构建

2．4．1 动力学方程中广义坐标的确定

2．4．2 动力学普遍方程的建立

2．4．3 基于动力学普遍方程的拉格朗日方程

2．5 小结

第三章 简式磁体离散磁性驱动器扭矩传递机理研究

3．1 前言

3．2 矩形离散式磁体磁性驱动器扭矩数学模型

3．3 磁性驱动器结构参数对扭矩传递性能的影响

3．3．1 磁极数对磁性驱动器扭矩传递性能的影响

3．3．2 磁性驱动器半径对扭矩传递性能的影响

3．3．3 磁体结构参数对磁性驱动器扭矩传递性能的影响

3．4 基于Maxwell软件的有限元法模型分析

3．4．1 基于有限元法的永磁体分析过程

3．4．2 多参数模型对扭矩传递性能影响的有限元分析

3．5 内外转子问安装偏差对扭矩传递性能的影响

3．5．1 位置偏差存在下的扭矩传递数学模型

3．5．2 不同安装偏差对扭矩传递性能的影响

3．6 小结

第四章 基于拉格朗日法的磁性驱动器动力学性能研究

4．2．1 动态响应性能测试输入函数模型

4．2．2 磁性驱动器一般动力学模型构建

4．3 磁性驱动器结构参数对动力学性能的影响

4．3．1 磁性驱动器动力学分析参数选取

4．3．2 不同响应输入下结构参数对动力学性能的影响

4．4 波浪驱动下磁性驱动器动力学性能研究

4．4．1 波浪作用下水轮机转速计算

4．4．2 针对水轮机转速下的磁性驱动器动力学性能分析

4．5 基于状态空间法的磁性驱动器状态稳定性研究

4．5．1 磁性驱动器状态空间状态方程的构建

4．5．2 磁性驱动器状态稳定性分析

4．6 小结

第五章 磁性驱动器变阻尼角度差脉动控制

5．1 前言

5．2 基于动力学模型的角度差方程构建

5．3 磁性驱动器结构参数对角度差脉动特性的影响

5．3．1 转动惯量对角度差脉动特性的影响

5．3．2 扭转刚度对角度差脉动特性的影响

5．4 变阻尼系数法对角度差脉动抑制

5．4．1 线性变阻尼系数法的原理与设计

5．4．2 线性变阻尼系数法对角度差脉动抑制

5．4．3 非线性变阻尼系数法对角度差脉动的抑制

5．5 基于磁阻尼效应的变阻尼系数控制器设计

5．5．1 磁阻尼效应原理

5．5．2 基于Maxwell方程组的磁阻尼效应数学模型构建

5．5．3 基于有限元法的变阻尼系数控制器可行性验证

5．6 小结

第六章 磁性驱动器物理模型验证实验

6．1 前言

6．2 磁性驱动器多性能测试实验平台设计

6．3 磁性驱动器扭矩传递性能实验

6．4 磁性驱动器动力学性能实验

6．5 变阻尼系数法对角度差脉动控制实验

6．6 小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结与成果

7．2 本文创新点

7．3 展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间取得的学术成果

致谢