【正文】 the output voltage of generator coil curve with the rotor speed position change, and and do the generator coil’s magic field lines and magic induction intensity distribution And on the basis to determine the size and material of each part of permanent magic generator. Then use the power electronic devices for processing the output voltage of the generator,. Finally, calculated the size of permanent magic materials to meet the highest rate when the permanent mag material design requirements for the application of the theory, and analyzed by static magic field, the simulation results verify the theoretical analysis. Key words： Wave。 Energy generating linear permanent mag generator。 Ansoft 上海海洋大學 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 永磁直線發(fā)電機建模及其性能研究 第 3 頁 共 41 頁 第一章緒論 海洋能是取之不盡、用之不竭的清潔能源。 【 1】 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機械能和電能相互 轉換的電磁裝置。為了在電機內建立進行機電能量轉換所必需的氣隙 磁場，可以有兩種方法。一種是在電機繞組內通以電流來產生磁 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生磁場。由于永磁材料的固有特性，它經過預先磁化（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。 永磁直線發(fā)電機的國內外研究現(xiàn)狀 永磁直線發(fā)電機的發(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/rD3)、鈷鋼 (最大磁能積約 )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、 工農業(yè)生產和日常生活中得到廣泛應用，產量急劇增加。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 (36～ 160kA/m)，鐵氧體永磁的剩磁密度不高 (o． 2～ 0. 44T)，上海海洋大學 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 永磁直線發(fā)電機建模及其性能研究 第 4 頁 共 41 頁 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 K． J． Strnat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，產品的最大磁能積現(xiàn)已超過 199kj/m3 (25MG． Oe)。 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，產品的最大磁能積現(xiàn)已達 258. 6kj/rr13(32. 5MG． Oe)。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. 2MG． Oe)，商品生產現(xiàn)已達 397. 9kj/rri3 (50MG． Oe)，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， 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，國內外的研究開發(fā)重點轉到工業(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，加上永磁電機研究開發(fā)經驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業(yè)生產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（高轉速、高轉矩）、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，最高轉速已超過 300000r/min， 最 低轉速低于 ，最小電機的外徑只有 ，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設計軟件。 稀土永磁電機正向大功率化（高轉速、高轉矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展，不斷擴展新的電上海海洋大學 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 永磁直線發(fā)電機建模及其性能研究 第 5 頁 共 41 頁 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。 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 資料統(tǒng)計，當電機在 1500rpm至 6000rpm之間的轉速范圍內運行時，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。 1． 2 永磁直線發(fā)電機面臨的主要問題 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 ，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)上海海洋大學 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 永磁直線發(fā)電機建模及其性能研究 第 6 頁 共 41 頁 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】 。 控制問題 永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機難以從外部調節(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節(jié)其轉速。這些使永磁電機的應用范圍受到了限制。但是，隨著 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】 。 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，在沖擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產生不可逆退磁，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 [2] 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，例如計算機磁盤驅動器的音圈電動機，采用釹鐵硼永 磁后性能提高，體積質量顯著減小，總成本反而降低。在設計時既需根據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]。 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，其表達式為 [8]： ddI??F l B （ 11） 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。 上海海洋大學 2021 屆畢業(yè)設計（論文） 永磁直線發(fā)電機建模及其性能研究 第 7 頁 共 41 頁 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