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1、第31卷第4期海洋技術(shù)Vol.31，No.42012年12月OCEANTECHNOLOGYDec，2012用于海浪發(fā)電的圓筒型永磁直線發(fā)電機性能分析余海濤，施學慶，胡敏強，袁榜,劉春元（東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096）摘要：波浪能是一種清潔的新能源，近幾年提出的多種開發(fā)波浪能的方案，大多都在波浪能和發(fā)電機之間加入轉(zhuǎn)化裝置，這樣效率低、成本較高。提出了圓筒型永磁直線發(fā)電機可以將波浪能直接轉(zhuǎn)化為電能，詳細闡述了該發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。該發(fā)電機內(nèi)的電磁場具有軸對稱性，故將其三維電磁場簡化為二維場。運用電磁場有限元分析軟件對發(fā)電機
2、進行仿真，并研究其特性，如磁場分布、空載反電動勢、繞組磁鏈、電磁力和繞組電感等，仿真結(jié)果可以指導圓筒型永磁直線發(fā)電機的理論研究。關(guān)鍵詞：波浪能；圓筒型永磁直線發(fā)電機；電感中圖分類號：P743.2，TM359.4文獻標志碼：A文章編號：1003-2029（2012）04-0079-04隨著科學技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化進程的加快，人類對能源帶動發(fā)電機的動子上下運動，當動子運動時磁場將切割定子的需求將越來越大，導致了一次能源的嚴重消耗，特別是石中繞組，從而在繞組中感應出電動勢。圖1為浮子和直線發(fā)油和天然氣等資源已日益枯竭，同時也造成了嚴重的環(huán)境污電
3、機組成的發(fā)電系統(tǒng)。染。于是人們開始更多地去尋求潔凈的、可再生的能源來發(fā)電。海浪能是海洋能源中蘊藏最為豐富的能源之一，它是一1圓筒型永磁直線發(fā)電機結(jié)構(gòu)種清潔無污染的可再生的新型能源。據(jù)世界能源委員會估計：每天可開發(fā)的海浪能超過2×109kW，照此估計每年就有本文所研究的發(fā)電機是短初級長次級的圓筒型永磁直1.752×1013kW·h的海浪能可供開發(fā)。而能夠被人們實際轉(zhuǎn)線發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圓筒型永磁直線發(fā)電機是由換利用的海浪能每年約為2×1012kW·h[1-2]。定子和動子組成。定子上有24個餅式線圈，每槽線圈數(shù)為近年來，隨著人們對
4、波浪能發(fā)電不斷研究和應用，各種64匝，并且分兩層排放，其中每8個餅式繞組連接成發(fā)電機波浪發(fā)電裝置不斷涌現(xiàn)。大部分都引入了能量轉(zhuǎn)化裝置，造的一相繞組，24個餅式繞組組成電機的三相繞組。動子由中成了能量轉(zhuǎn)化效率的降低，并且成本較高[3]。本文提出了一種心軸、背鐵和永磁體組成。中心軸采用質(zhì)量較輕的非導磁材圓筒型永磁直線發(fā)電機，它往復的直線運動可以將波浪能直料，定子和動子上的背鐵都是由硅鋼材料構(gòu)成，永磁體采用接轉(zhuǎn)化為有用的電能。波浪發(fā)電系統(tǒng)由圓筒型永磁直線發(fā)電釹鐵硼，作為發(fā)電機的磁源。發(fā)電機的定子長度為184mm。機和浮子組成，浮子和發(fā)電機的動
5、子相連，浮子的上下波動表1給出了圓筒型永磁直線發(fā)電機的主要尺寸。圖2圓筒型永磁直線發(fā)電機的結(jié)構(gòu)由于電機結(jié)構(gòu)的特殊對稱性，圓筒型發(fā)電機比扁平型發(fā)電機有更多的優(yōu)點，例如沒有橫向邊端效應、沒有徑向電磁力和漏磁較少等。圖1浮子和直線發(fā)電機組成的發(fā)電系統(tǒng)收稿日期：2012-04-16基金項目：海洋能專項基金資助項目（GHME2011GD02）；國家自然科學基金資助項目（41076054）作者簡介：余海濤（1965-），男，教授，博士生導師，能源學會理事，從事直線電機與控制技術(shù)、波浪發(fā)電、電機優(yōu)化設(shè)計、工程電磁場理論在電氣中應用等研究。Email：
6、htyu@seu.edu.cn80海洋技術(shù)第31卷表1發(fā)電機主要尺寸變量大小/mm定子槽寬11定子槽深14定子外徑42定子內(nèi)徑21軸的半徑16氣隙長度1永磁體長度16永磁體厚度4圖3仿真模型圖4局部剖分圖2有限元分析在有限元分析過程中，網(wǎng)格剖分也是一個很重要的步驟。網(wǎng)格剖分的質(zhì)量和網(wǎng)格布局對求解的精確性及求解的效2.1磁場邊值問題率有很大的影響，所以要選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量。一般需要在有限元法就是從變分原理或加權(quán)余量法出發(fā)，將場的邊發(fā)電機的氣隙處、齒頂部位劃分的比較密一些，其它部位可值問題轉(zhuǎn)化為求解對應能量泛函的極值問題，通過單元剖分以根據(jù)
7、具體尺寸調(diào)整網(wǎng)格密度。圖4是發(fā)電機的局部網(wǎng)格剖和分片插值，把二次泛函的極值問題轉(zhuǎn)化為普通多元二次函分圖。數(shù)的極值問題[4]，從而將問題轉(zhuǎn)化為求解多元線性代數(shù)方程組。3仿真結(jié)果因為永磁電機中存在永磁體，所以永磁電機內(nèi)的電磁場邊值問題需要考慮永磁體的影響。對于稀土永磁體，其工作3.1空載運行點的磁通密度B和磁場強度H具有如下關(guān)系：空載運行是發(fā)電機最簡單的運行方式，是指將發(fā)電機的（1）定子繞組開路運行。本文通過在Ansoft中建立外電路來仿真發(fā)電機的空載運行。圖5表示空載運行時的外電路連接圖。式中：μ=μ0μr；Hc為計算矯頑力。L1，L2，
8、L3表示電機的三相繞組，一般取軟件的默認值；R1，引入磁矢位A，并定義B=×A，結(jié)合Maxwell方程組可R2，R3分別是表示電機三相繞組的內(nèi)阻，需要進行手算后進得永磁電機內(nèi)電磁場的邊值問題為：行賦值；R4
