用于海浪发电的圆筒型永磁直线发电机性能分析_余海涛

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1、第31卷第4期海洋技术Vol.31，No.42012年12月OCEANTECHNOLOGYDec，2012用于海浪发电的圆筒型永磁直线发电机性能分析余海涛，施学庆，胡敏强，袁榜,刘春元（东南大学电气工程学院，江苏南京210096）摘要：波浪能是一种清洁的新能源，近几年提出的多种开发波浪能的方案，大多都在波浪能和发电机之间加入转化装置，这样效率低、成本较高。提出了圆筒型永磁直线发电机可以将波浪能直接转化为电能，详细阐述了该发电机的结构和工作原理。该发电机内的电磁场具有轴对称性，故将其三维电磁场简化为二维场。运用电磁场有限元分析软件对发电机

2、进行仿真，并研究其特性，如磁场分布、空载反电动势、绕组磁链、电磁力和绕组电感等，仿真结果可以指导圆筒型永磁直线发电机的理论研究。关键词：波浪能；圆筒型永磁直线发电机；电感中图分类号：P743.2，TM359.4文献标志码：A文章编号：1003-2029（2012）04-0079-04随着科学技术的发展和现代化进程的加快，人类对能源带动发电机的动子上下运动，当动子运动时磁场将切割定子的需求将越来越大，导致了一次能源的严重消耗，特别是石中绕组，从而在绕组中感应出电动势。图1为浮子和直线发油和天然气等资源已日益枯竭，同时也造成了严重的环境污电

3、机组成的发电系统。染。于是人们开始更多地去寻求洁净的、可再生的能源来发电。海浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，它是一1圆筒型永磁直线发电机结构种清洁无污染的可再生的新型能源。据世界能源委员会估计：每天可开发的海浪能超过2×109kW，照此估计每年就有本文所研究的发电机是短初级长次级的圆筒型永磁直1.752×1013kW·h的海浪能可供开发。而能够被人们实际转线发电机，其结构如图2所示。圆筒型永磁直线发电机是由换利用的海浪能每年约为2×1012kW·h[1-2]。定子和动子组成。定子上有24个饼式线圈，每槽线圈数为近年来，随着人们对

4、波浪能发电不断研究和应用，各种64匝，并且分两层排放，其中每8个饼式绕组连接成发电机波浪发电装置不断涌现。大部分都引入了能量转化装置，造的一相绕组，24个饼式绕组组成电机的三相绕组。动子由中成了能量转化效率的降低，并且成本较高[3]。本文提出了一种心轴、背铁和永磁体组成。中心轴采用质量较轻的非导磁材圆筒型永磁直线发电机，它往复的直线运动可以将波浪能直料，定子和动子上的背铁都是由硅钢材料构成，永磁体采用接转化为有用的电能。波浪发电系统由圆筒型永磁直线发电钕铁硼，作为发电机的磁源。发电机的定子长度为184mm。机和浮子组成，浮子和发电机的动

5、子相连，浮子的上下波动表1给出了圆筒型永磁直线发电机的主要尺寸。图2圆筒型永磁直线发电机的结构由于电机结构的特殊对称性，圆筒型发电机比扁平型发电机有更多的优点，例如没有横向边端效应、没有径向电磁力和漏磁较少等。图1浮子和直线发电机组成的发电系统收稿日期：2012-04-16基金项目：海洋能专项基金资助项目（GHME2011GD02）；国家自然科学基金资助项目（41076054）作者简介：余海涛（1965-），男，教授，博士生导师，能源学会理事，从事直线电机与控制技术、波浪发电、电机优化设计、工程电磁场理论在电气中应用等研究。Email：

6、htyu@seu.edu.cn80海洋技术第31卷表1发电机主要尺寸变量大小/mm定子槽宽11定子槽深14定子外径42定子内径21轴的半径16气隙长度1永磁体长度16永磁体厚度4图3仿真模型图4局部剖分图2有限元分析在有限元分析过程中，网格剖分也是一个很重要的步骤。网格剖分的质量和网格布局对求解的精确性及求解的效2.1磁场边值问题率有很大的影响，所以要选择合适的网格数量。一般需要在有限元法就是从变分原理或加权余量法出发，将场的边发电机的气隙处、齿顶部位划分的比较密一些，其它部位可值问题转化为求解对应能量泛函的极值问题，通过单元剖分以根据

7、具体尺寸调整网格密度。图4是发电机的局部网格剖和分片插值，把二次泛函的极值问题转化为普通多元二次函分图。数的极值问题[4]，从而将问题转化为求解多元线性代数方程组。3仿真结果因为永磁电机中存在永磁体，所以永磁电机内的电磁场边值问题需要考虑永磁体的影响。对于稀土永磁体，其工作3.1空载运行点的磁通密度B和磁场强度H具有如下关系：空载运行是发电机最简单的运行方式，是指将发电机的（1）定子绕组开路运行。本文通过在Ansoft中建立外电路来仿真发电机的空载运行。图5表示空载运行时的外电路连接图。式中：μ=μ0μr；Hc为计算矫顽力。L1，L2，

8、L3表示电机的三相绕组，一般取软件的默认值；R1，引入磁矢位A，并定义B=×A，结合Maxwell方程组可R2，R3分别是表示电机三相绕组的内阻，需要进行手算后进得永磁电机内电磁场的边值问题为：行赋值；R4