新疆大学电气工程学院课程作业
题 目: 偏航制动盘涡流柱模型
讲课老师: 张新燕
学生姓名：
学 号：
所属院系： 电气工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 电气09-4班
日 期： 2013年5月
偏航制动盘涡流柱模型
摘要 ： 风能是绿色能源。我国在风力发电上的投入和研究也正进入一个快速发展的时期。偏航控制一直未能取得有效的发展。根据水平轴风力机的特征参数建立了偏航
致动盘的涡流柱面模型, 用稳态偏航状态下的叶素动量理论计算出周向诱导流动因数。考虑了风轮的偏航角参数, 建立计算水平轴风力机轴向诱导流动因数的计算模
型 。
关键词：
稳态偏航 叶素动量理论 水平轴风力机 涡流柱面模型0、前言 风能是当前技术较好的、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人
与自然和谐发展提供了基础。 能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物质基础。由于化石资源的日
益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风力发电技术也随之得到迅猛发展。偏
航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于控制风电机组跟踪变化的风向，并且当
电缆发生缠绕时，能够自动解缆的功能, 并能够定时润滑偏航机械机构。
1、涡流制动器
涡流制动器，它是利用涡流损耗的原理来吸收功率的。由电涡流制动器、控制
器及传感器组成的成套测功，可以测取被测机械的输出转矩和转速，从而得出功率，
某种场合可以取代磁粉、水力测功机、直流发电机组等，用来测量各种电动机、柴
油机、齿轮箱等动力机械的性能，成为型式试验的必要设备，与其它测功装置相比，
电涡流制动器具有更高的可靠性、实用性和稳定性。
2、涡流制动器主要特点
（1）、转矩与激磁电流线性关系良好，适合于自动控制；
（2）、结构简单，运行稳定、价格低廉、使用维护方便；
（3）、采用水冷却，噪音低、振动小；
（4）、输入转速范围宽，可用于变频调速等各类电动机及动力机械的型式试验；
（5）、控制器采用直流电源，控制功率小。
3、涡流制动器的结构
涡流制动器主要由制动器外壳、铁芯、励磁线圈等构成。
（1）、制动器外壳：由铁磁材料制成，也叫涡流圆筒，系由电动机带动旋转并和
电动机同轴。
（2）、励磁线圈：固定在电动机端盖的磁极上，磁擞交错排列，励磁线圈的引出
线在电动机的接线盒内，工作时励磁线圈通直流电流。 4、涡流制动器的工作原理
励磁线圈工作时由于通入直流电流，在铁芯、磁极中便产生了方向恒定的磁场。
磁场的大小随励磁电流的大小而变化。当电动机带动涡流圆筒旋转时，涡流圆筒便
以相应的转速切割励磁绕组所建立的磁场。这时在涡流圆筒和绕组间便有磁通相链，
于是涡流圆筒上各点的磁通处在不断重复的变化之中，根据电磁感应定律可知，涡
流圆筒上将出现感应电势，涡流圆筒在此感应电势的作用下将出现涡流。由涡流产
生的制动转矩方向总是与电动机的转动方向相反，并且阻尼了电动机的转速，其值
为转速的1/5到/10之间
涡流制动器的制动转矩随励磁电流和电动机转速的增加而增加。但是当励磁电流
过高以致铁芯磁路饱和后。制动转矩将不再有明显的增加。同样，当转速增加到一
定值以后，由于电枢反应的去磁作用增加，制动转矩增加的速度也不再有明显的增
加。此外，当拖动电动机转速为零时，涡流制动器制动力矩亦为零。因此，涡流制
动器实质上可看作是一台电枢短路的制动发电机，它以与拖动电动机的合成机械特
性进行速度控制。5
5.1它的摩擦片底座是一体的，摩擦片直接放置在周边封闭的凹槽中。整体式的形
式图1中。
这种结构的优点是： 结构紧凑，制作工艺简单，成本低。
这种结构的缺点是：
(1)、在更换摩擦片时，需要将整个制动器全部拆下，摩擦片更换之后，再重新
安装，很不方便。尤其是1.5MW 以上的风机，安装的是大规格的偏航制动器，通常
重达二百多公斤，共有１２个安装螺栓，每个安装螺栓的紧固扭矩高达两千多牛米。
加之风机机舱内的空间又很狭小，更换难度很大（如果拆卸或紧固一个螺栓的时间
按５－６分钟计算，那么光是拆卸和紧固十几个螺栓的时间就需要两三个小时）。业
主的维护工作量和维护成本都大为增加。
(2)、摩擦片与制动体之间的间隙不可调。随着摩擦片的磨损，时间长了摩擦片
封圈的寿命，增大了漏油的可能。
图１ 图２ 分体式结构
5.22中。
可调整的楔形挡块。与整体式结构相比，
题：
（1）、只要拆卸摩擦片两侧的楔形挡块即可，无需拆装整个制动
（2）、在摩擦片两侧的楔形挡块上还设置有调节螺丝，通过调节螺丝可以消除摩
擦片与制动体之间的间隙，提高了活塞密封圈的寿命。
风力发电机上制动器的寿命通常在20年，每台风机上配置的偏航制动器少则4至6
台，多则8到10台。日常维护的工作量和成本、风机关键部件的寿命是不容忽视的问
题。随着风电行业的日益发展和成熟，越来越多的主机制造厂和业主都意识到了这
一问题的重要性。
6. 制动系统的描述
风力机的偏航系统也称为对风装置，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能
够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。偏航系统小微型风力机常用尾
舵对风，它主要有两部分组成，一是尾翼，装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角
度。为了避免尾流的影响，也可将尾翼上翘，装在较高的位置。 制回路的处理器里，
矩作用在回转体大齿轮上，
带动风轮偏航对风，电机停止工作，偏航过程结束.
所有制动钳。
图3 偏航系统图 图4 偏航在风力机的的位置
7、偏航制动盘涡流柱模型
因为作用在风轮盘上垂直于风轮盘平面的推力F 使偏航风轮的尾流偏向一侧，
所以总有一个分量垂直于气流方向。因此，作用在气流上的力与F 风向相反，使气
流在逆风向和侧向被加速。尾流的中心线与旋转轴有一个角度 称作尾流偏斜角。
图5 没有尾流膨胀时的偏航风轮尾流
奥-萨伐尔定律，教的平分线上，如图。2
图
7 动盘和倾斜的涡流柱面尾流
所以在轴向方向作用在圆盘上的力F 不是单独造成整个气流动量变化率的原因；在垂直于转轴的方向上，存
在动量变化。在风轮盘上的速度分量定义的偏斜角为
U ∞(sinγ-a tan ) 2tan =tan χ=χ2U ∞(cosγ-a ) 1-tan 2
χχ
近似表达式： χ=(0. 6a +1) γ
根据右图和伯努利方程 ：
在上游
112+2P ∞+ρU ∞=P d +ρU d 22
在下游（Ud 为圆盘中的合速度：
1 C T =4a (cosγ+tan sin γ-a sec 2)
风能利用系数为 22
C P =4a (cosγ+t an χ
2sin γ
-a sec 2χ
2)(cosγ-a )
图10 偏航角波形
图3为比较动量推导、Glauert Cp 最大值随偏航角的变化的比较
8. 结语
我们要研究偏航盘，是由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风力发电技术也随之得到迅猛发展。偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于控制风电机组跟踪变化的风向，并且当电缆发生缠绕时，能够自动解缆的功能, 并能够定时润滑偏航机械机构。
所以我们要积极选用风能发电来给负荷供电，
91 风力机空气动力学 北京大学出版社 2011
2、王海云 风力发电基础 重庆大学出版社 2010
3、百度百科：http://wenku.baidu.com/view/f8ec593e67ec102de2bd89be.html
4、百度百科：http://wenku.baidu.com/view/0da74c9551e79b89680226d8.html
新疆大学电气工程学院课程作业
题 目: 偏航制动盘涡流柱模型
讲课老师: 张新燕
学生姓名：
学 号：
所属院系： 电气工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 电气09-4班
日 期： 2013年5月
偏航制动盘涡流柱模型
摘要 ： 风能是绿色能源。我国在风力发电上的投入和研究也正进入一个快速发展的时期。偏航控制一直未能取得有效的发展。根据水平轴风力机的特征参数建立了偏航
致动盘的涡流柱面模型, 用稳态偏航状态下的叶素动量理论计算出周向诱导流动因数。考虑了风轮的偏航角参数, 建立计算水平轴风力机轴向诱导流动因数的计算模
型 。
关键词：
稳态偏航 叶素动量理论 水平轴风力机 涡流柱面模型0、前言 风能是当前技术较好的、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人
与自然和谐发展提供了基础。 能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物质基础。由于化石资源的日
益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风力发电技术也随之得到迅猛发展。偏
航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于控制风电机组跟踪变化的风向，并且当
电缆发生缠绕时，能够自动解缆的功能, 并能够定时润滑偏航机械机构。
1、涡流制动器
涡流制动器，它是利用涡流损耗的原理来吸收功率的。由电涡流制动器、控制
器及传感器组成的成套测功，可以测取被测机械的输出转矩和转速，从而得出功率，
某种场合可以取代磁粉、水力测功机、直流发电机组等，用来测量各种电动机、柴
油机、齿轮箱等动力机械的性能，成为型式试验的必要设备，与其它测功装置相比，
电涡流制动器具有更高的可靠性、实用性和稳定性。
2、涡流制动器主要特点
（1）、转矩与激磁电流线性关系良好，适合于自动控制；
（2）、结构简单，运行稳定、价格低廉、使用维护方便；
（3）、采用水冷却，噪音低、振动小；
（4）、输入转速范围宽，可用于变频调速等各类电动机及动力机械的型式试验；
（5）、控制器采用直流电源，控制功率小。
3、涡流制动器的结构
涡流制动器主要由制动器外壳、铁芯、励磁线圈等构成。
（1）、制动器外壳：由铁磁材料制成，也叫涡流圆筒，系由电动机带动旋转并和
电动机同轴。
（2）、励磁线圈：固定在电动机端盖的磁极上，磁擞交错排列，励磁线圈的引出
线在电动机的接线盒内，工作时励磁线圈通直流电流。 4、涡流制动器的工作原理
励磁线圈工作时由于通入直流电流，在铁芯、磁极中便产生了方向恒定的磁场。
磁场的大小随励磁电流的大小而变化。当电动机带动涡流圆筒旋转时，涡流圆筒便
以相应的转速切割励磁绕组所建立的磁场。这时在涡流圆筒和绕组间便有磁通相链，
于是涡流圆筒上各点的磁通处在不断重复的变化之中，根据电磁感应定律可知，涡
流圆筒上将出现感应电势，涡流圆筒在此感应电势的作用下将出现涡流。由涡流产
生的制动转矩方向总是与电动机的转动方向相反，并且阻尼了电动机的转速，其值
为转速的1/5到/10之间
涡流制动器的制动转矩随励磁电流和电动机转速的增加而增加。但是当励磁电流
过高以致铁芯磁路饱和后。制动转矩将不再有明显的增加。同样，当转速增加到一
定值以后，由于电枢反应的去磁作用增加，制动转矩增加的速度也不再有明显的增
加。此外，当拖动电动机转速为零时，涡流制动器制动力矩亦为零。因此，涡流制
动器实质上可看作是一台电枢短路的制动发电机，它以与拖动电动机的合成机械特
性进行速度控制。5
5.1它的摩擦片底座是一体的，摩擦片直接放置在周边封闭的凹槽中。整体式的形
式图1中。
这种结构的优点是： 结构紧凑，制作工艺简单，成本低。
这种结构的缺点是：
(1)、在更换摩擦片时，需要将整个制动器全部拆下，摩擦片更换之后，再重新
安装，很不方便。尤其是1.5MW 以上的风机，安装的是大规格的偏航制动器，通常
重达二百多公斤，共有１２个安装螺栓，每个安装螺栓的紧固扭矩高达两千多牛米。
加之风机机舱内的空间又很狭小，更换难度很大（如果拆卸或紧固一个螺栓的时间
按５－６分钟计算，那么光是拆卸和紧固十几个螺栓的时间就需要两三个小时）。业
主的维护工作量和维护成本都大为增加。
(2)、摩擦片与制动体之间的间隙不可调。随着摩擦片的磨损，时间长了摩擦片
封圈的寿命，增大了漏油的可能。
图１ 图２ 分体式结构
5.22中。
可调整的楔形挡块。与整体式结构相比，
题：
（1）、只要拆卸摩擦片两侧的楔形挡块即可，无需拆装整个制动
（2）、在摩擦片两侧的楔形挡块上还设置有调节螺丝，通过调节螺丝可以消除摩
擦片与制动体之间的间隙，提高了活塞密封圈的寿命。
风力发电机上制动器的寿命通常在20年，每台风机上配置的偏航制动器少则4至6
台，多则8到10台。日常维护的工作量和成本、风机关键部件的寿命是不容忽视的问
题。随着风电行业的日益发展和成熟，越来越多的主机制造厂和业主都意识到了这
一问题的重要性。
6. 制动系统的描述
风力机的偏航系统也称为对风装置，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能
够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。偏航系统小微型风力机常用尾
舵对风，它主要有两部分组成，一是尾翼，装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角
度。为了避免尾流的影响，也可将尾翼上翘，装在较高的位置。 制回路的处理器里，
矩作用在回转体大齿轮上，
带动风轮偏航对风，电机停止工作，偏航过程结束.
所有制动钳。
图3 偏航系统图 图4 偏航在风力机的的位置
7、偏航制动盘涡流柱模型
因为作用在风轮盘上垂直于风轮盘平面的推力F 使偏航风轮的尾流偏向一侧，
所以总有一个分量垂直于气流方向。因此，作用在气流上的力与F 风向相反，使气
流在逆风向和侧向被加速。尾流的中心线与旋转轴有一个角度 称作尾流偏斜角。
图5 没有尾流膨胀时的偏航风轮尾流
奥-萨伐尔定律，教的平分线上，如图。2
图
7 动盘和倾斜的涡流柱面尾流
所以在轴向方向作用在圆盘上的力F 不是单独造成整个气流动量变化率的原因；在垂直于转轴的方向上，存
在动量变化。在风轮盘上的速度分量定义的偏斜角为
U ∞(sinγ-a tan ) 2tan =tan χ=χ2U ∞(cosγ-a ) 1-tan 2
χχ
近似表达式： χ=(0. 6a +1) γ
根据右图和伯努利方程 ：
在上游
112+2P ∞+ρU ∞=P d +ρU d 22
在下游（Ud 为圆盘中的合速度：
1 C T =4a (cosγ+tan sin γ-a sec 2)
风能利用系数为 22
C P =4a (cosγ+t an χ
2sin γ
-a sec 2χ
2)(cosγ-a )
图10 偏航角波形
图3为比较动量推导、Glauert Cp 最大值随偏航角的变化的比较
8. 结语
我们要研究偏航盘，是由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风力发电技术也随之得到迅猛发展。偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于控制风电机组跟踪变化的风向，并且当电缆发生缠绕时，能够自动解缆的功能, 并能够定时润滑偏航机械机构。
所以我们要积极选用风能发电来给负荷供电，
91 风力机空气动力学 北京大学出版社 2011
2、王海云 风力发电基础 重庆大学出版社 2010
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