圆筒永磁直线发电机在直驱式波浪发电系统的应用研究

摘要

波浪能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。在海洋中的储量巨大，且能量密度远大于太阳能和风能，因此开发和利用波浪能对解决能源危机和环境保护具有重要的意义。直驱式波浪能转换系统由于缺少中间转换装置如液压装置和齿轮等，具有结构简单、能量转换效率高、易维护等优点，现今得到了许多专家学者的青睐。圆筒型永磁直线电机的整个饼式绕组都是有效边，不存在绕组端部，提高了绕组的利用率。永磁直线发电机与圆形浮筒通过螺栓连接在一体，便于系统的集成与安装。
　　本文首先从永磁直线电机的结构入手，分析了短初级、长次级结构的圆筒型直线电机适合应用于波浪发电系统。根据有限元法和傅里叶分解，优化了电机结构，提出了凸初级结构类型的结构能够很大的抑制直线电机的边端力。根据设计的电磁参数，加工了2台用于波浪发电系统的电机，其中一台小功率的，用于实验室验证电机的参数和探讨应用于直驱式波浪发电系统的可行性。在实验室的研究成果基础上，设计了另一台功率更大的电机，并制作了一套漂浮直驱式的波浪发电系统，经过海试实验，证明此种结构的永磁直线发电机能够很好的将波浪能转换为电能。
　　论文主要研究成果包括以下几个方面:
　　从波浪理论出发，推导了海平面的波浪运动方程，并在此基础上计算得到波浪能量。利用捕获宽度，设计了浮子的大小。根据牛顿第二定律，建立了直驱式波浪发电系统的运动方程，对分析浮子的运动具有指导意义。
　　利用有限元方法对圆筒型永磁直线电机进行建模、仿真，对该电机的磁场分布和电磁参数进行了计算。
　　利用数值分析方法，分别就轴向、径向、quasi-halbach以及8片永磁体构成的halbach结构的充磁方式进行了分析。得到采用8片halbach的电机结构气隙磁密无论在正弦程度还是数值上，都优于其他结构形式。
　　根据傅里叶分解和有限元分析相结合，推导出直线电机的定位力和槽极数之间的关系，通过分析，同样长度的初级，8极12槽结构的定位力明显要大于9极10槽结构。提出了利用凸初级和辅助槽可以很大的改善直线电机的边端力。通过优化电机的结构提高了其电磁性能。
　　利用数值分析和有限元分析相结合，分析了各种充磁方式的气隙磁密。同样尺寸的halbach充磁方式的气隙磁密在数值上高于其他充磁方式，且气隙磁密的正弦程度也优于其他结构。
　　根据有限元分析，外次级结构的永磁直线电机可以提高其功率密度。计算结果表明，在体积相同的前提下，外次级永磁直线电机的功率密度为内次级结构的6～8倍。
　　根据计算及优化的结果，加工了一套用于实验室环境下的直驱式波浪发电系统平台，并在波浪水池实验室进行了空载和负载实验，验证了电机的相关参数，并为海试积累了宝贵的经验。
　　设计并制作了一种漂浮直驱式的波浪发电系统，并在连云港海域中进行了一系列相关实验，验证了该种直驱式系统能够很大的提取海洋能且结构简单，转换效率高。为以后大规模和商业化的推广具有重要的指导作用。

目录

声明

摘要

图录

表录

第1章 绪论

1．1 课题的背景、目的及意义

1．1．1 课题的研究背景及意义

1．1．2 课题的研究目的及意义

1．2 波浪发电的国外研究状况

1．2．1 振荡水柱式

1．2．2 漂浮振荡水柱式

1．2．3 振荡浮子式

1．3 波浪发电的国内研究状况

1．4 永磁直线电机的研究进展

1．5 本课题主要的研究内容和论文结构

1．5．1 本课题研究的主要内容

1．5．2 论文结构

参考文献

第2章 波浪理论及运动方程

2．1 波浪理论

2．2 波面方程

2．3 波浪的速度

2．4 波浪能量

2．5 捕获宽度

2．6 运动方程

2．6．1 波浪力

2．6．2 机械阻力

2．7 本章小结

参考文献

第3章 圆筒型永磁直线电机的设计基础

3．1 概述

3．2 适合波浪发电用的永磁直线发电机

3．2．1 波浪发电机考虑因素

3．2．2 适合用于波浪发电的永磁直线电机结构

3．3 永磁直线电机的工作原理和基本结构

3．3．1 演变过程

3．3．2 永磁直线电机的主要参数

3．3．3 电磁负荷的选择

3．3．4 绕组形式

3．3．5 极槽数组合

3．4 充磁方式的选择

3．5 数值计算

3．5．1 轴向充磁

3．5．2 径向充磁

3．5．3 quasi-halbach充磁

3．5．4 8片halbach充磁

3．5．5 与有限元比较

3．6 磁链、感应电动势

3．7 本章小结

参考文献

第4章 永磁直线电机定位力优化

4．1 定位力的产生机理

4．1．1 边端力

4．1．2 齿槽力

4．1．3 槽极数之间的定位力关系

4．2 定位力优化

4．2．1 齿槽宽度对定位力的影响

4．2．2 极弧系数对定位力的影响

4．2．3 凸初级铁芯和辅助槽对定位力的影响

4．2．4 气隙对定位力的影响

4．3 实验验证

4．4 本章小结

参考文献

第5章 圆筒型永磁直线电机的电磁性能分析

5．1 永磁直线电机的分析方法

5．1．1 磁路法

5．1．2 解析法

5．1．3 有限元法

5．2 圆筒型永磁直线发电机(TPMLG)的有限元分析模型

5．3 永磁直线电机的结构

5．4 电磁分析

5．4．1 空载磁场分析

5．4．2 气隙磁密分布

5．4．3 空载感应电动势

5．4．4 阻性负载分析

5．4．5 阻感性负载分析

5．4．6 正弦速度下的各种性能分析

5．4．7 功率密度

5．4．8 固有电压调整率及其降低措施

5．5 损耗以及功率

5．6 海试用圆筒型永磁直线电机的结构

5．6．1 空载磁场分析

5．6．2 感应电动势

5．7 本章小结

参考文献

第6章 直驱式波浪发电系统实验

6．1 实验室试验

6．1．1 电机加工

6．1．2 浮筒设计

6．1．3 双浮子漂式直驱式波浪发电系统

6．1．4 实验室试验

6．2 海试

6．2．1 系统结构

6．2．2 电机加工

6．2．3 电机测试

6．2．4 电子舱设计

6．2．5 电源后处理

6．2．6 实验

6．3 本章小结

参考文献

第7章 总结和展望

7．1 全文总结

7．2 课题展望

攻读博士学位期间学术成果

致谢