永磁直線發(fā)電機建模及其性能研究畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設計（論文）（2013 屆本科） 題 目： 永磁直線發(fā)電機建模及其性能研究 學 院： 工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣（2） 姓 名： 劉中福 學 號： 指導教師： 謝嘉2013年 5 月目 錄第一章緒論31.1 永磁直線發(fā)電機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.1.1 永磁直線發(fā)電機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀31.1.2 永磁直線發(fā)電機的主要特點51.2 永磁直線發(fā)電機面臨的主要問題51.2.1 磁路結構和設計問題51.2.2 控制問題61.2.3 不可逆退磁問題61.2.4 成本問題61.3 橫向磁場電機工作原理及特點61.4本文研究的主要內(nèi)容8第二章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機的結構設計1

2、02.1 海浪能工作特性102.2 發(fā)電機模塊化結構設計102.2.1動子模塊化結構結構102.2.2定子模塊化結構結構112.3發(fā)電機工作過程122.4 發(fā)電機所采用的銣鐵硼永磁材料的工作特性12第三章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機有限元模型建立和優(yōu)化設計143.1發(fā)電機電磁場分析原理和電磁場的計算方法143.2 ANSOFT三維電磁場有限元分析軟件153.3發(fā)電機有限元分析模型建立173.3.1發(fā)電機整體模型173.3.2發(fā)電機局部模型203.3.3發(fā)電機有限元分析模型網(wǎng)絡劃分213.4永磁體尺寸的優(yōu)化設計213.4.1 永磁體優(yōu)化理論213.4.2 永磁體優(yōu)化靜磁場模擬和分析23第四章 橫向磁

3、場永磁直線發(fā)電機動態(tài)仿真分析及結果264.1發(fā)電機動態(tài)仿真分析方法264.2發(fā)電機動態(tài)仿真分析過程274.3發(fā)電機動態(tài)仿真分析結果29第五章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機輸出電能轉(zhuǎn)換裝置設計325.1 轉(zhuǎn)換裝置的整流電路部分325.2 轉(zhuǎn)換裝置的逆變電路部分325.2.1 逆變電路PWM控制的基本原理325.2.2 逆變電路的控制方法33第六章 結論和工作展望356.1結論356.2工作展望36參考文獻37致謝38永磁直線發(fā)電機建模及其性能研究摘要：近年來隨著永磁材料性能的不斷提升，特別是銣鐵硼永磁材料熱穩(wěn)定性和和抗腐濁性的改善和價格逐漸降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展，以及永磁電機研究應用越來越成

4、熟，永磁電機正逐漸運用于越來越多的領域。在全球能源緊張和污染治理形勢嚴峻的情況下，海浪能作為一種清潔能源，利用海浪能發(fā)電對于緩解能源危機，保護自然環(huán)境有著重要的意義。根據(jù)海浪能具有往復運動做功的特點，本文設計開發(fā)出一種永磁直線發(fā)電機，永磁材料選用銣鐵硼，該材料具有高磁能積、高剩磁感應強度、高矯頑力、去磁曲線為直線等優(yōu)點。用永磁材料進行勵磁，省略的復雜的大體積的電勵磁繞組，可以有效的減小了發(fā)電機體積和提高了發(fā)電機的海浪能利用轉(zhuǎn)化效率。電動機動子隨海浪做直線往復運動，省略了復雜的能量轉(zhuǎn)換中間裝置，直接把海浪能轉(zhuǎn)換為電能，大大提高了海浪能的利用率和發(fā)電效率。本研究以有限元分析軟件Ansoft141為

5、基礎對永磁發(fā)電機構建了幾何模型和三維模型，并在三維模型的基礎上進行了三維磁場瞬態(tài)分析仿真計算，得出了發(fā)電機線圈輸出電壓隨動子運動速度位置變化的曲線，和磁場線和磁感應強度的分布。并以此為依據(jù)確定了永磁發(fā)電機各部分的尺寸和材料。然后運用電力電子器件對發(fā)電機輸出電壓進行處理。最后運用理論計算滿足設計要求的永磁材料利用率最高時永磁材料的尺寸，并用靜磁場進行模擬分析，運用模擬結果驗證了理論分析。關鍵詞：海浪能發(fā)電; 直線永磁發(fā)電機; Ansoft Linear permanent magnet generator modeling and Study its propertiesAbstract：In

6、recent years, with the continuous improvement of performance permanent magnetic materials, especially the improvement 0f Nd-Fe-B permanent magnetic materials thermal stability and corrosion resistance and prices decreased gradually and the further development of power electronic devices, and as well

7、 as the research and application of permanent magnet motor research become more and more mature, permanent magnet motor is being applied in more and more fields. In the global energy shortage and grim pollution control circumstances, wave energy as a clean energy, , the use of wave energy generation

8、 to alleviate the energy crisis and protect the natural environment., has an important significanceAccording to the characteristics of the wave energy has a reciprocating work, this paper designed and developed a kind of linear permanent magnet generator, permanent magnet materials use NdFeB materia

9、l, the material with high magnetic energy product, high remanence flux density, high coercive force, magnetic curve is a straight line etc. With permanent magnet excitation, large volume of complex electric field winding of the generator can be omitted, so we can effectively reduce the volume of per

10、manent magnet generator, and improve the generators wave power conversion efficiency. The rotor of the motor with the ocean wave do straight reciprocating motion omitted middle complex energy conversion device, directly transfer the wave energy into electrical energy, greatly improving the utilizati

11、on of wave energy and power generation efficiency.In this study, based on finite element analysis software Ansoft14.1 ,permanent magnet generators geometric model and 3D models is constructed, and do the simulation of three-dimensional magnetic transient analysis of the three-dimensional model and c

12、alculated the output voltage of generator coil curve with the rotor speed position change, and and do the generator coils magnetic field lines and magnetic induction intensity distribution And on the basis to determine the size and material of each part of permanent magnetic generator. Then use the

13、power electronic devices for processing the output voltage of the generator,. Finally, calculated the size of permanent magnetic materials to meet the highest rate when the permanent magnet material design requirements for the application of the theory, and analyzed by static magnetic field, the sim

14、ulation results verify the theoretical analysis.Key words：Wave; Energy generating linear permanent magnet generator; Ansoft 第一章緒論海洋能是取之不盡、用之不竭的清潔能源?！?】利用海洋能發(fā)電能夠改善能源結構和環(huán)境, 有利于解決我國能源長期的需求短缺問題。海洋能作為一種新型的可再生能源, 據(jù)估計，波浪能量可達117億kw以上, 全球的可開發(fā)量遠 遠超過目前的發(fā)電功率, 大規(guī)模地開發(fā)海洋能可以緩解能源緊缺, 是解決中國能源問題的一條有效途徑。眾所周知，電機是以磁場為媒介進行

15、機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。為了在電機內(nèi)建立進行機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙 磁場，可以有兩種方法。一種是在電機繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁 場，例如普通的直流電機和同步電機。這種電勵磁的電機既需要有專門的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動；另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場。由于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過預先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場。這既可簡化電機結構，又可節(jié)約能量。這就是永磁電機2。海浪能具有直線往復運動的特點，為了減小發(fā)電機體積，提高海浪能的利用效率，故而我們設計出了一種直線永磁發(fā)電機。1.1 永磁直線發(fā)電機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1.1 永磁直線發(fā)電機的

16、發(fā)展及研究現(xiàn)狀【2】 永磁電機的發(fā)展是與永磁材料的發(fā)展密切相關的。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應用于生產(chǎn)實踐的國家。 早在兩千多年前，我國就已利用永磁材料的磁特性制成了指南針， 在航海、軍事等領域發(fā)揮了巨大的作用，成為我國古代四大發(fā)明之一。 19世紀20年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生 勵磁磁場的永磁電機。但當時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石 (Fe304)，磁能密度很低，用它制成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。 由于各種電機迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對 永磁材料的機理、構成和制造技術進行了深人研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼(最大磁能積約2. 7kj/rD

17、3)、鈷鋼(最大磁能積約7.2kj/IIl3)等多種永磁材料。3特別是20世紀30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積現(xiàn)可達85 kj/rT13）和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁（最大磁能積現(xiàn)可達40kj/rr13)，磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機又紛紛使用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應用，產(chǎn)量急劇增加。相應地，這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和制造技術等方面也都取得了突破性進展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。 但是，鋁鎳鉆永磁的矯頑力偏低(36160kA/m)，鐵氧體永磁的剩磁密度不高(o20. 4

18、4T)，限制了它們在電機中的應用范圍。一直到本世紀60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機，從而使永磁電機的發(fā)展進入一個新的歷史時期。 稀土永磁材料的發(fā)展大致分為三個階段。1967年美國KJStrnat教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學式可表示成RCos（其中R代表釤、鐠等稀土元素），簡稱1:5型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積現(xiàn)已超過199kj/m3 (25MGOe)。1 973年又出現(xiàn)了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化學式為RZC017，簡稱2；17型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積

19、現(xiàn)已達258. 6kj/rr13(32. 5MGOe)。1983年日本住友特殊金屬公司和美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼(NdFeB)永磁，在實驗室中的最大磁能積現(xiàn)高達431. 3kj/m3 (54. 2MGOe)，商品生產(chǎn)現(xiàn)已達397. 9kj/rri3 (50MGOe)，稱為第三代稀土永磁。4由于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價格又低于稀土鈷永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物資鈷，因而引起了國內(nèi)外磁學界和電機界的極大關注，紛紛投入大量人力物力進行研究開發(fā)。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。 與此相對應

20、，稀土永磁電機的研究和開發(fā)大致可以分成三個階段【5】。 1) 60年代后期和70年代，由于稀土鉆永磁價格昂貴，研究開發(fā)重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。 2) 80年代，特別是1983年出現(xiàn)價格相對較低的釹鐵硼永磁后，國內(nèi)外的研究開發(fā)重點轉(zhuǎn)到工業(yè)和民用電機上。稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機控制技術的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵磁電機紛紛用稀土永磁電機來取代，而且可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵磁電機所難以達到的高性能。3)進入90年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展，

21、加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應用外，稀土永磁電機的研究開發(fā)進入一個新階段。一方面，正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過1000kW，最高轉(zhuǎn)速已超過r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min，最小電機的外徑只有0.8mm，長1. 2mm。另一方面，促使永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面的研究工作出現(xiàn)了嶄新的局面，有關的學術論文和科砑成果大量涌現(xiàn)，形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究方法和計算機輔助

22、設計軟件。稀土永磁電機正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展，不斷擴展新的電機品種和應用領域，應用前景非常樂觀。為了滿足需要，稀土永磁電機的設計和制造工藝尚需不斷地進行創(chuàng)新，電磁結構將更為復雜，計算結構將更為精確，制造工藝更為先進適用。這些復雜問題需要應用多學科理論和系統(tǒng)工程進行優(yōu)化設計，提高性價比，促進電機等學科和行業(yè)進一步發(fā)展。 我國的稀土資源豐富，稀土不稀，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右，號稱“稀土王國”。稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平。因此，充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以

23、稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現(xiàn)我國社會主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實用價值。1.1.2 永磁直線發(fā)電機的主要特點【6】與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有運行可靠，結構簡單，體積小，質(zhì)量輕；損耗少，效率高等特點。（1）效率高永磁電機采用永磁材料勵磁，相比于以前的電勵磁電機，省略了維持產(chǎn)生氣隙磁場的電勵磁繞組，避免了勵磁繞組所消耗的電能。同時也免去了電勵磁換相所需的碳刷環(huán)節(jié)，避免了機械損耗，大大提高了發(fā)電機的發(fā)電效率。據(jù)資料統(tǒng)計，當電機在1500rpm至6000rpm之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行時，普通電勵磁電機平均效率只有45至55，而永磁電機則可高達75至80，而專用

24、永磁電機的效率則更高。（2） 體積小，重量輕 由于采用永磁材料進行勵磁，與傳統(tǒng)電機相比，使電機的機械結構更加簡單，排列更加有規(guī)律?？梢杂行У臏p小電動機體積和重量。 （3）結構簡單，運行可靠 由于用永磁材料代替了傳統(tǒng)電機的電勵磁繞組，所以省去了碳刷.滑環(huán)結構.簡化了電動機結構，避免了電勵磁繞組容易斷線燒毀和碳刷.滑環(huán)容易磨損的缺點。使電動機運行更加安全可靠。12 永磁直線發(fā)電機面臨的主要問題1.2.1 磁路結構和設計問題【7】為了充分發(fā)揮各種永磁材料的磁性能，特別是稀土永磁的優(yōu)異磁性能，制造出性價比高的永磁電機，就不能簡單套用傳統(tǒng)的永磁電機或電勵磁電機的結構和設計計算方法，必須建立新的設計概念，

25、重新分析和改進磁路結構。隨著計算機硬件和軟件技術的迅猛發(fā)展，以及電磁場數(shù)值計算、優(yōu)化設計和仿真技術等現(xiàn)代化設計方法的不斷完善，經(jīng)過電機學術界和工程界的共同努力，現(xiàn)已在永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面取得了突破性進展，形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究方法和計算機輔助分析、設計軟件，并正在不斷完善中【6】。1.2.2 控制問題永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，永磁直流電動機不能再用改變勵磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。這些使永磁電機的應用范圍受到了限制。但是，隨著

26、MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術的迅猛發(fā)展，大多數(shù)永磁電機在應用中，可以不必進行磁場控制而只進行電樞控制。設計時需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術結合起來，使永磁電機在嶄新的工況下運行【2】。1.2.3 不可逆退磁問題 如果設計或使用不當，永磁電機在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構形式的抗去磁能力，以便在設計和制時，采用相應措施保證永磁電機不失磁

27、21.2.4 成本問題鐵氧體永磁電機，特別是微型永磁直流電動機，由于結構工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了極為廣泛的應用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節(jié)省來補償。在某些場合，例如計算機磁盤驅(qū)動器的音圈電動機，采用釹鐵硼永磁后性能提高，體積質(zhì)量顯著減小，總成本反而降低。在設計時既需根據(jù)具體使用場合和要求，進行性能、價格的比較后決定取舍，又要進行結構工藝的創(chuàng)新和設計優(yōu)化以降低成本2。1.3 橫向磁場電機工作原理及特點電機的運行依賴于電磁力，根據(jù)安培定理，電磁力元dF由電流元Idl和磁通密度B的叉乘給定，其表

28、達式為8：式中：dF 磁場中某點電流元所受到的電磁力元/N；Idl 位于磁場中某點的電流元/Am； B 磁通密度矢量/T。電磁力元dF的方向垂直電流元Idl和磁感應強度B所在的平面，即由右手螺旋法則確定，電機的發(fā)明正是基于這一重要的理論。在電機設計中，為了獲得最大的電磁力，導線一般都設計成與磁通密度B垂直的方向。那么假設電機中氣隙處的磁場是均勻的，對長度為L的導線進行矢量積分，并且考慮到導線與磁通密度B是垂直的，由式就可獲得下式： 式中：F 長度為Lw的導線，其上流過電流I時，其在磁通密度B的磁場中所獲得的電磁力/N。由式可以看出，電磁力的大小由電機中的電負荷和磁負荷的乘積決定，電負荷主要是由

29、導線中電流的大小決定，而磁負荷由氣隙中的磁通密度決定。在電機中，電負荷受電樞線圈所在齒槽截面積的大小限制，而磁負荷受磁路即主要是定子齒部寬度的大小限制。徑向磁場電機的齒槽截面積和齒部寬度在競爭同一平面的空間尺寸資源?！?】在電樞直徑一定的情況下，要想提高電負荷，即增加電流量，那么在電流密度一定的情況下，只能通過增加齒槽截面積來實現(xiàn)，這樣就會導致齒部寬度的減小，從而造成磁路磁阻的增加，磁通密度B就會減小，即造成磁負荷減小，這樣的結果未達能到增加電磁力的目的；同理，增加磁負荷也會因為導致齒槽截面積的減少而減小電負荷，這時電磁力提高的目的也不能達到。所以傳統(tǒng)的徑向磁通電機很難做成高力矩電機。H. W

30、eh教授發(fā)明的TFM，克服了上述傳統(tǒng)徑向磁通電機中齒槽截面積和齒部寬度競爭同一平面的矛盾，實現(xiàn)了電負荷和磁負荷的解耦，可以在一定范圍內(nèi)，分別增大電負荷和磁負荷，這樣就易于獲得高力矩Error! Reference source not found. (b)是H. Weh.教授提出的TFM結構示意圖4。此電機為雙定子結構，由均勻分布的U形內(nèi)外定子鐵心和內(nèi)外電樞線圈組成構成，內(nèi)外定子鐵心沿電機轉(zhuǎn)子運動方向錯開一個極距，電樞線圈是兩個沿轉(zhuǎn)子運動方向的環(huán)形線圈，分別鑲嵌在內(nèi)外定子鐵心的U形槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子采用聚磁式結構，沿運動方向永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心均勻分布，相鄰永磁體極性相反，分別在轉(zhuǎn)子鐵心上聚磁成N、S極；

31、沿運動垂直方向并排的永磁體也極性相反，它們之間用隔磁材料將磁路隔開，在隔磁材料兩邊的鐵心中形成相反極性，和內(nèi)外定子鐵心的極性配合。在這種結構中，Error! Reference source not found. (b)中所示位置的磁路方向如圖中箭頭所示：磁場從轉(zhuǎn)子前端的永磁體N極開始，到相鄰轉(zhuǎn)子鐵心聚磁，經(jīng)外側(cè)的氣隙到外定子U形鐵心前端齒部，經(jīng)其軛部到定子鐵心后端齒部，再經(jīng)氣隙到后端轉(zhuǎn)子鐵心，到后端永磁體S極，經(jīng)過永磁體內(nèi)部到N極及相鄰內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心，然后以同樣的方式經(jīng)過內(nèi)定子U形鐵心返回到前端，穿過內(nèi)側(cè)的氣隙，通過前端的轉(zhuǎn)子部分回到始發(fā)點，形成閉合回路。可以看出其磁路是一個三維空間結構，形成典

32、型的三維磁場。磁通在U形內(nèi)外定子鐵心內(nèi)流動，那么磁力線所在平面就垂直于電機的轉(zhuǎn)子運動方向，所以稱其為“橫向”磁場電機。圖中內(nèi)外電樞線圈分別穿過內(nèi)外U形定子鐵心，定子齒部分平行于轉(zhuǎn)子運動方向的橫截面和電樞線圈的橫截面在空間上相互垂直，使得電負荷和磁負荷在空間上解耦，這樣電機齒部運動方向的尺寸和通電線圈橫截面的大小就相互獨立，這兩個參數(shù)在一定范圍內(nèi)就可以任意選取，這是傳統(tǒng)徑向磁場電機無法做到的，這也正是TFM最大的優(yōu)勢所在。這一電機概念的提出是該領域電機設計思想和方法的一次重大突破。（a）傳統(tǒng)徑向磁場電機結構示意圖（b）TFM結構示意圖【10】圖 11 傳統(tǒng)徑向磁場電機與TFM比較如Error!

33、Reference source not found. (b)所示，當內(nèi)外定子電樞線圈中通入某個方向的電流時，就會在定子的內(nèi)外U形鐵心中產(chǎn)生磁場，鐵心兩端齒部相當于兩個磁極，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，內(nèi)外定子鐵心齒部的磁場和轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場之間相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子沿某個方向運動。每當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個極距（180電角度）時，相應的改變內(nèi)外定子電樞線圈中電流的方向，就會產(chǎn)生連續(xù)的同一運動方向的轉(zhuǎn)矩使電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。1.4本文研究的主要內(nèi)容考慮到波浪能具有直線往復運動的特點，為了省略中間的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高能量的利用效率，所以我們的發(fā)電機的動子設計為直線運動方式，故而大大提高了發(fā)電效率和簡

34、化了電機的結構降低了電機的成本。另外由于永磁材料的發(fā)展，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發(fā)展，為了提高效率，降低成本，所以我們發(fā)電機的勵磁方式采用永磁材料進行勵磁。但由于海浪運動的不規(guī)律性，導致發(fā)電不穩(wěn)定，故而我們在隨后用電力電子器件對發(fā)電機發(fā)出來的電進行整流處理以提高電能的質(zhì)量。同時由于永磁體較為昂貴，所以我們對永磁體的尺寸進行優(yōu)化設計，來提高單位體積永磁體的功率。由于永磁電機的磁路較為復雜，計算分析難度大，但隨著計算機硬件和軟件技術的迅猛發(fā)展，以及電磁場數(shù)值計算、優(yōu)化設計和仿真技術等現(xiàn)代化設計方法的不斷完善，經(jīng)過電機學術界和工程界的共同努力

35、，現(xiàn)已在永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面取得了突破性進展，形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路解析求解相結合的一整套分析研究方法和計算機輔助分析、設計軟件。Ansoft軟件作為其中的佼佼者，我們將運用它來對發(fā)電機進行建模和優(yōu)化仿真設計。第二章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機的結構設計2.1 海浪能工作特性波浪能發(fā)電是繼潮汐發(fā)電之后發(fā)展最快的一種海洋能源利用措施。波浪能是由大氣層和海洋在相互影響的過程中，由于在風和海水重力作用下形成永不停息、周期性上下波動的波浪，這種波浪具有一定的動能和勢能。波浪能的大小與波高的平方和波動水域面積成正比。我國波浪能資源豐富，估計約有5億kW以上。但我國

36、波浪能發(fā)電的研究起步較晚，1990年才在大萬山島建成第一座20kW級的試驗性波浪發(fā)電站?！?1】 所以海浪能具有周期性類似直線往復運動的特點，但受季節(jié)單天不同時間其運動的幅度頻率都稱不規(guī)律性。2.2 發(fā)電機模塊化結構設計2.2.1動子模塊化結構結構由于本發(fā)電機做直線運用，且直線運動速度較低，故而不存在旋轉(zhuǎn)電機防止永磁材料在高速運動的情況下被拋出的問題。矩形永磁體結構簡單加工方便，而且充磁易磁化均勻，磁化性能較好，綜合以上兩點，為了使永磁材料便于制造同時獲得最大的氣隙磁場強度提高發(fā)電機的輸出功率，故而永磁體采用矩形塊結構鑲在定子內(nèi)。發(fā)電機做直線運動速度一般為1m/s，我們一個動子厚度為18mm，

37、為了提高發(fā)電效率，充分利用波浪能，故而我們設計4個動子，4個動子沿一根中軸線（z軸）相隔18mm排布，為了使線圈輸出電壓盡可能的成正弦波，相鄰動子之間相對的永磁材料之間的N.S級相反。同樣為了提高氣隙磁場強度，使磁路主要從線圈中通過而不是從動子之間的氣隙通過，故而兩個動子之間以alumina-96pct這中絕磁材料填充，從而強迫磁路從線圈中通過。徑向式動子磁路結構中永磁體離氣隙較近，且永磁體的的磁化方向與氣隙磁通軸線重合，漏磁系數(shù)較小。由于以上的優(yōu)點所以我們把的動子采用徑向結構。下邊是本文中的動子圖：圖2-1 動子圖上圖中的綠色的永磁體充磁方向沿圓環(huán)切向方向向右，棕色的沿圓環(huán)切向方向向左。2.

38、2.2定子模塊化結構結構定子由定子鐵芯和定子繞組組成，定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，厚度為18MM，為了便于下線 ，且能卡住定子繞組，定子槽型采用矩形開口，槽口共有18個，定子槽與線圈鐵芯之間留有 1MM的氣隙，在這個氣隙中，線圈圍著鐵芯環(huán)繞，由于本發(fā)電機發(fā)出的是單項交流電，為了簡化結構，同時提高輸出電壓和功率，故而把所有的線圈串聯(lián)起來，僅在線圈外引出兩根導線。一根出一根進，方便進行控制和模擬分析，銅導線較為便宜而且導電性能較好，所以線圈的材料采用銅導線。下邊是定子沖片圖：圖2-2定子沖片圖圖2-3線圈2.3發(fā)電機工作過程動子上安放著永磁體，當動子向定子做直線位移時，隨著動子和定子之間的距離越來越

39、近，定子的磁場強度也越來越強，當動子和定子在Z軸的投影重合時磁場強度達到最大，然后兩者之間又慢慢分離，當完全分離時磁場強度變?yōu)?，此時下一個動子的在Z軸的投影開始和定子在Z軸的投影開始重合，又重復上邊的情形，但由于相鄰兩個動子永磁材料的相對的磁化方向正好相反，所以磁場強度的方向也正好相反，假如上個動子運動是定子線圈所感應出來的電壓為正電壓，下一個正好相反為負，兩者共同構成了一個正弦波。感應電動勢設為E，磁鏈為，則它們之間的關系如下【12】： E=ddt=ddsdsdt=ddsV (2-1)其中V為動子移動的速度2.4 發(fā)電機所采用的銣鐵硼永磁材料的工作特性【13】釹鐵硼永磁材料是1983年問世

40、的高性能永磁材料。它的磁性能高于稀土鈷永磁。室溫下剩余磁感應強度Br，現(xiàn)可高達1. 47T，磁感應矯頑力Hc。可達992kA/m (12. 4kOe)，最大磁能積高達397. 9kj/m3(50MGOe)，是目前磁性能最高的永磁材料。由于釹在稀土中的含量是釤的十幾倍，資源豐富，鐵、硼的價格便宜，又不含戰(zhàn)略物資鈷，因此釹鐵硼永磁的價格比稀土鈷永磁便宜得多，問世以來，在工業(yè)和民用的永磁電機中迅速得到推廣應用。 釹鐵硼永磁材料的不足之處是居里溫度較低，一般為310410左右；溫度系數(shù)較高，Br的溫度系數(shù)可達-0. 13%K-1，Hcj的溫度系數(shù)達- (0. 60.7)%K-1。因而在高溫下使用時磁損

41、失較大。由于其中含有大量的鐵和釹，容易銹蝕也是它的一大弱點。所以要對其表面進行涂層處理，目前常用的涂層有環(huán)氧樹脂噴涂、電泳和電鍍等，一般涂層厚度為1040m。不同涂層的抗腐蝕能力不一樣，環(huán)氧樹脂涂層抗溶劑、抗沖擊能力、抗鹽霧腐蝕能力良好；電泳涂層抗溶劑、抗沖擊能力艮好，抗鹽霧能力極好；電鍍有極好的抗溶劑、抗沖擊能力，但抗鹽霧能力較差。因此需根據(jù)磁體的使用環(huán)境來選擇合適的保護涂層。 另外，由于釹鐵硼永磁材料的溫度系數(shù)較高，造成其磁性能熱穩(wěn)定性較差。一般的釹鐵硼永磁材料在高溫下使用時，其退磁曲線的下半部分要產(chǎn)生彎曲，為此使用普通釹鐵硼永磁材料時，一定要校核永磁體的最大去磁工作點，以增強其可靠性。對

42、于超高矯頑力釹鐵硼永磁材料，內(nèi)稟矯頑力已可大2000kA/m，國內(nèi)有的廠家已有試制產(chǎn)品，其退磁曲線在150時仍為直線。圖2-4不同溫度下的不同型號的銣鐵硼的內(nèi)稟退磁曲線和退磁曲線圖2-5不同溫度下銣鐵硼的內(nèi)稟退磁曲線和退磁曲線（NTP-208UH）第三章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機有限元模型建立和優(yōu)化設計3.1發(fā)電機電磁場分析原理和電磁場的計算方法【14】電磁場的經(jīng)典描述是麥克斯韋方程組，電機電磁場分析般采用位函數(shù)表示，位函數(shù)比場量本身更容易建立邊界條件。位函數(shù)包括磁矢位A 和磁標位 ，由于使用磁矢位可以很方便地給出磁力線分布并求出磁通。 在三維瞬態(tài)場中采用的是T 算法，但是可以采用局部剖分法來計

43、算三維瞬態(tài)運動所帶來的效應。對于低頻瞬態(tài)磁場，麥克斯韋方程組可以寫為式(3-1)形式。 H=E2H=BTB=0 (3-1)在（3-1)式的基礎上，可以構造出兩個恒等式，如式(3-2)所示。 H+BTB=0 =0 (3-2)在求解三維瞬態(tài)磁場時，其棱邊上的矢量位自由度采用了一階元計算，而節(jié)點上的標量位自由度采用二階元計算。 有限元法是將整個求解區(qū)域離散化，分割成許多小的區(qū)域，稱之為“單元”或“有限元”，傳統(tǒng)的有限元法以變分原理為基礎，把所要求解的微分方程型數(shù)學模型邊值問題，首先轉(zhuǎn)化為相可以應的變分問題，及泛函求極值問題；然后利用剖分插值，離散化變分問題為普通多元函數(shù)的極值問題，及最終歸結為一組多

44、元的代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解電磁場的分析和計算通常歸結為求微分方程的解。對于常微分方程，只要由輔助條件決定任意常數(shù)之后，其解就成為唯一的。對于偏微分方程，使其能成為唯一的輔助條件可以分為兩種，一種是表達場的邊界所處的物理情況，稱為邊界條件；一種種是確定場的初始狀態(tài)，稱為初始條件。邊界條件和創(chuàng)始條件合稱為定解條。未附加定解條件的描寫普遍規(guī)律的微分方程稱為泛定方程。泛定方程是解決問題的依據(jù)，但不能確定具體的物理過程，它的解的個數(shù)是無限多的。泛定方程和定解條件作為一個整體，稱為定解問題。電磁場求解過程中有各種各樣的邊界條件，Ansoft 求解過程中，具體包括以下幾類：1 狄利克萊邊界

45、條件 |=g() (3-3)其中，為狄利克萊邊界，g()是位置函數(shù)，可以為常數(shù)和零。當為零時稱此狄利克萊邊界齊次邊界條件。一般電磁場問題中將狄利克萊邊界條件稱為第一類邊界條件，在有限元計算中，稱其為約束邊界條件或本質(zhì)邊界條件，它規(guī)定了邊界處勢的分布。2 諾依曼邊界條件 n|+f|=h() (3-4)其中，為諾依曼邊界，n 為邊界的外法線矢量。f ()和h()為一般函數(shù)，可以為常數(shù)和零，當為零時稱齊次諾依曼邊界條件。一般電磁場問題中將諾依曼邊界條件稱為第二類邊界條件，它規(guī)定了邊界處勢的法向?qū)?shù)分布，在Ansoft 計算中提到的齊次諾依曼邊界條件，即法向?qū)?shù)為零，為默認邊界條件，不需要用戶指定。3

46、 自然邊界條件媒質(zhì)分解面上的邊界條件，即不同媒質(zhì)交界面場量的切向和發(fā)向邊界條件屬于自然邊界條件，在Ansoft 計算中是系統(tǒng)的默認邊界條件，不需要用戶指定。4 對稱邊界條件對稱邊解條件施加與求解場在物理或幾何上嚴格對稱，包括奇對稱和偶對稱兩大類。奇對稱指在對稱面兩側(cè)的電流、電荷、電位、磁位等物理量滿足大小相等，符號相反。偶對稱指在對稱面兩側(cè)的電流、電荷、電位、磁位等物理量滿足大小相等，符號相同。使用對稱邊界條件時可以減小模型的尺寸，節(jié)省計算資源與時間，但在進行實際操作中要保證對稱面處剖分節(jié)點的嚴格一一對應。5 周期邊界條件周期邊界條件在 Ansoft 中亦稱之為匹配邊界條件，是計算周期性重對稱

47、結構時采用的邊界條件，使主邊界和從邊界場量具有相同的幅度、相位，和相同或相反的方向。6 氣球邊界條件氣球邊界是 Ansoft 中常用的一種邊界條件，指定求解區(qū)域外邊界處，一般用于絕緣系統(tǒng)，亦可用于模擬無限元邊界。7 阻抗邊界條件阻抗邊界是用來模擬薄介質(zhì)層的邊界條件，主要應用于交變電場中的電阻邊界和渦流場中的阻抗邊界。3.2 ANSOFT三維電磁場有限元分析軟件Ansoft Maxwell作為世界著名的商用低頻電磁場有限元軟件之一，在各個工程電磁領域都得到了廣泛的應用H91。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?。Ansoft軟件的界面友好，操作容易

48、，計算準確，為工程師們進行工程設計和科學研究中提供了有力的支持。Ansoft不僅可以對單個電磁機構進行數(shù)值計算，還可以對整個系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真。作為我國引入較早的一款電磁場有限元分析軟件，其使用領域包括電器、機械、石油化工、汽車、冶金、水利水電、航空航天、船舶、電子、核工業(yè)、兵器等眾多行業(yè)，為各領域的科學研究和工程應用做出了巨大的貢獻。隨著Ansoft公司多年的發(fā)展，公司在總結前期版本的經(jīng)驗和教訓基礎上，不斷更新和改進，軟件的功能模塊的集成度，界面的友好性，可操作性和軟件的擴展性都得到了較好的發(fā)展。 Ansoft maxwell分為2D和3D兩個模塊，2D是3D的一個特例，由于這個軟件定位于有限

49、元計算分析軟件，所以繪圖功能不是很強大，在這里我們可以自己繪制一些簡單的模型，同時它自己也有一些模型庫，我們只需設定其中的參數(shù)即可，這個軟件能夠很好的與如等專業(yè)繪圖軟件兼容，我們可以在這些專業(yè)繪圖軟件內(nèi)繪制一些復雜模型，然后將它導入進ansoft內(nèi)進行分析。它目前可以求解下列場：1 靜磁場求解器靜磁場求解器可用于分析由恒定電流源、電壓源永磁體及外部激勵引起的磁場，適用于分析激勵器、傳感器、電機、永磁體等。它可以分析包括非線性和各向異性材料，可直接計算磁場強度和電流分布，自動計算磁場力、轉(zhuǎn)矩、電感和儲能。2 靜電場求解器靜電場求解器用于分析由直流電壓源、永久極化材料、高電壓

50、絕緣體中的電荷/電荷密度、套管、斷路器及其它靜態(tài)裝置所引起的靜電場，可分析材料類型包括絕緣體及理想導體，可自動計算力、轉(zhuǎn)矩、電容及儲能等參數(shù)。3 渦流場求解器渦流場求解器用于分析受渦流、集膚效應、鄰近效應所影響的系統(tǒng)。它求解場頻率范圍可由0 赫茲到數(shù)百兆赫茲，可應用于對母線、電機、變壓器、繞組及無損系統(tǒng)的評價?？勺詣佑嬎銚p耗、鐵損、不同頻率下所對應的阻抗、力、轉(zhuǎn)矩、電感與儲能。在三維渦流場中可采用吸收邊界條件來仿真裝置的輻射磁場，全波特性使其亦可分析探測天線類低頻系統(tǒng)。在渦流場求解中，可以云圖和矢量圖的形式給出整個相位的磁力線、磁通密度和磁場強度的分布、電流分布、能量密度分布等結果。4 瞬態(tài)場

51、求解器瞬態(tài)場求解器可方便的求解任意波形電壓、電流及包括直線和旋轉(zhuǎn)運動問題，例如電動機、斷路器、軸承等，瞬態(tài)求解器可同時求解磁場、電路及運動等強耦合的方程，因為可以分析各裝置的性能，其優(yōu)點可以利用線路圖繪制器和嵌入式仿真器與外部電路協(xié)同仿真，從而支持包括電力電子開關電路和繞組連接方式在內(nèi)的任意拓撲結構的仿真。5 交直流傳導求解器主要用來求解由恒定電壓或時變電場在導體中產(chǎn)生的傳導電流及介電損耗問題。 本文所設計的發(fā)電機由于它的動子運動方向和它本身不再一個平面上，所以只能采用三維瞬態(tài)磁場進行分析。3.3發(fā)電機有限元分析模型建立3.3.1發(fā)電機整體模型由于ansoft模型庫中并沒有我們所設計電機的模型

52、，所以我是運用ansoft的繪圖功能在其中繪制，繪制的電機主要參數(shù)如下表：10 表3-1發(fā)電機主要參數(shù)表 極數(shù)18每槽線圈匝數(shù)167定子內(nèi)徑20mm相數(shù)1定子外徑50mm常規(guī)氣隙厚度1mm定子槽數(shù)18動子之間絕磁材料外徑62MM定子軸向厚度18mm動子之間絕磁材料內(nèi)徑51mm動子內(nèi)徑51mm動子之間絕磁材料軸向厚度18mm動子外徑63mm永磁體長12動子軸向厚度18mm永磁體寬3其中的定子槽如下圖：11圖3-1定子槽圖線圈軸與線圈槽各部分之間距離為1MM本文中的電機是直線永磁無刷發(fā)電機，動子永磁體材料選用銣鐵硼，定子鐵心選用硅鋼片疊壓而成。動子厚度18MM，共4個動子，4個動子沿一根中軸線（z

53、軸）相隔18MM排布，兩個動子之間以alumina-96pct這中絕磁材料填充。本電機的主視圖如下圖3-2發(fā)電機主視圖圖3-3發(fā)電機俯視圖然后設置各部分的材料,其中定子和動子框架材料都指定為steel-1010，該材料的B-H曲線如下： 圖3-4 定子動子材料的B-H 曲線圖線圈材料定義為copper，永磁體的材料為銣鐵硼，在材料庫中定義為NDFE35zuo和NDFEyou 這主要是它們之間磁化方向的不同。即相鄰的永磁材料的NS極相反。他們的矯頑力H890KA，剩磁1.09977T。兩個動子之間的絕磁材料定義為alumina_96pct ，理想化的把它的導磁率定義為0綜上所述就生成了發(fā)電機的幾何模型。 為了分析，軟件上還要求對動子的運動域進