面向海洋能转换直驱运行的横向磁场直线发电机研究

摘要

目前中国能源紧缺问题和环境污染严重问题越来越严重，开发海洋能等新能源对解决这些问题有十分积极的意义。根据海洋的实际运行情况，本文对新型横向磁场永磁直线发电机进行了研究，使其能够满足海洋能转换的实际需求，合理组合定子和动子模块，从而很方便的适应低速运行时发电机输入能量的大小变化，而调整输出能量的大小与输入相匹配，以达到发电机适应于海洋运动特性的效果，实现海洋能的有效转换。
　　提出新型横向磁场发电机，发电机定子和动子齿极部分都由简单的平面硅钢片叠制而成，采用模块化的结构理念对发电机的定子部分和动子部分进行设计，打破传统发电机三相的概念，使发电机可以根据海洋运行的实际特性合理组合发电机定子和动子模块，实现海洋能的有效转换。动子齿部采用聚磁式结构，发电机能够提供复杂的三维磁路，同时气隙磁通密度高并且制造工艺简单、导磁性强。对新型横向磁场直线发电机进行定性分析，以这个分析结果为背景设计新型横向磁场直线发电机的基本结构，并对定、动子的尺寸进行初步设计。
　　由于新型横向磁场直线发电机具有较为复杂的磁路，依靠传统的理论和经验计处理难度大，传统的数值分析已经满足不了对发电机的设计要求。以响应面分析法和试验设计方法为基础，采用中心组合的响应面法建立发电机的优化设计模型，结合在Ansoft中建立的新型横向磁场直线发电机的电磁场有限元分析模型，对发电机进行科学优化设计，最终得到了发电机的所有结构尺寸和电气参数。其中充分考虑了铁心的饱和和磁路的各种漏磁等因素的影响，而且直接进行三维电磁场分析，保证了计算结果的精度。构建有限元分析模型，得出了优化前后发电机感应电动势输出波形，将两者的输出波形做了对比从而验证了优化后的结果是有效的。
　　新型横向磁场直线发电机的机械结构尺寸设计完成后，进行三维有限元动态分析后，以电磁理论为基础，建立电气参数的计算公式，通过电磁场有限元计算的方法进行辅助计算，对发电机的电气参数进行分析，以得到新型横向磁场直线发电机的各个电气参数。
　　最后构建有限元分析模型，在其基础上作了动态仿真分析，观察了动子在运动过程中的电磁场矢量的分布情况，确定发电机工作的有效性。最后，运行不同速度下的有限元模型，仿真0.5m/s、1m/s、1.5m/s和2m/s运行速度时的情况，利用有限元计算得到的数值，分别计算出不同速度下的感应电动势的有效值，对结构进行了分析。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究意义

1.2 研究背景

1.3 国内外相关领域的发展及研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 新型横向磁场永磁直线发电机的设计

2.1 新型横向磁场直线发电机的工作特性

2.2 新型横向磁场直线发电机结构设计

2.3 定动子尺寸初始设计

2.4 发电机总体结构及运行原理

第三章 新型横向磁场直线发电机的优化设计

3.1新型横向磁场直线发电机电磁场有限元模型

3.2 新型横向磁场直线发电机的优化

3.4 发电机各结构尺寸的最终确定

第四章 新型横向磁场直线发电机的电气参数

4.1 感应电动势的计算

4.2 线圈匝数的确定

4.3 相电阻和电感的计算

4.4 电机功率与损耗计算

4.5 发电机漏磁系数的计算

第五章 新型横向磁场直线发电机运行仿真分析

5.1 发电机动态仿真模型

5.2 发电机磁链和运行速度之间的关系

5.3 发电机感应电动势和运行速度之间的关系

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢