【正文】 上海海洋大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 永磁直線發(fā)電機(jī)建模及其性能研究永磁直線發(fā)電機(jī)建模及其性能研究畢業(yè)論文目 錄第一章緒論 3 永磁直線發(fā)電機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 永磁直線發(fā)電機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 3 永磁直線發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn) 5 永磁直線發(fā)電機(jī)面臨的主要問題 5 磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)問題 5 控制問題 6 不可逆退磁問題 6 成本問題 6 橫向磁場電機(jī)工作原理及特點(diǎn) 6 8第二章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 海浪能工作特性 10 發(fā)電機(jī)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 10 11 12 發(fā)電機(jī)所采用的銣鐵硼永磁材料的工作特性 12第三章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機(jī)有限元模型建立和優(yōu)化設(shè)計(jì) 14 14 ANSOFT三維電磁場有限元分析軟件 15 17 17 20 21 21 永磁體優(yōu)化理論 21 永磁體優(yōu)化靜磁場模擬和分析 23第四章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)仿真分析及結(jié)果 26 26 27 29第五章 橫向磁場永磁直線發(fā)電機(jī)輸出電能轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì) 32 轉(zhuǎn)換裝置的整流電路部分 32 轉(zhuǎn)換裝置的逆變電路部分 32 逆變電路PWM控制的基本原理 32 逆變電路的控制方法 33第六章 結(jié)論和工作展望 35 35 36參考文獻(xiàn) 37致謝 38I上海海洋大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 永磁直線發(fā)電機(jī)建模及其性能研究第一章緒論海洋能是取之不盡、用之不竭的清潔能源?！?】利用海洋能發(fā)電能夠改善能源結(jié)構(gòu)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(jù)估計(jì)，波浪能量可達(dá)117億kw以上, 全球的可開發(fā)量遠(yuǎn) 遠(yuǎn)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(jī)是以磁場為媒介進(jìn)行機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。為了在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙 磁場，可以有兩種方法。一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁 場，例如普通的直流電機(jī)和同步電機(jī)。這種電勵(lì)磁的電機(jī)既需要有專門的繞組和相應(yīng)的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動(dòng)；另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場。由于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過預(yù)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(jī)結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。這就是永磁電機(jī)[2]。海浪能具有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，為了減小發(fā)電機(jī)體積，提高海浪能的利用效率，故而我們設(shè)計(jì)出了一種直線永磁發(fā)電機(jī)。 永磁直線發(fā)電機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 永磁直線發(fā)電機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀【2】 永磁電機(jī)的發(fā)展是與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)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(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)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(lǐng)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(jì)20年代出現(xiàn)的世界上第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生 勵(lì)磁磁場的永磁電機(jī)。但當(dāng)時(shí)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(jī)體積龐大，不久被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。 由于各種電機(jī)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(jī)理、構(gòu)成和制造技術(shù)進(jìn)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()等多種永磁材料。[3]特別是20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁（最大磁能積現(xiàn)可達(dá)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(dá)40kj/rr13)，磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機(jī)又紛紛使用永磁體勵(lì)磁。永磁電機(jī)的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)量急劇增加。相應(yīng)地，這段時(shí)期在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性進(jìn)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)，限制了它們在電機(jī)中的應(yīng)用范圍。一直到本世紀(jì)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(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的歷史時(shí)期。 稀土永磁材料的發(fā)展大致分為三個(gè)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(xué)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(chǎn)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(xué)式為RZC017，簡稱2；17型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積現(xiàn)已達(dá)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(shí)驗(yàn)室中的最大磁能積現(xiàn)高達(dá)431. 3kj/m3 (54. 2MG．Oe)，商品生產(chǎn)現(xiàn)已達(dá)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(jià)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(nèi)外磁學(xué)界和電機(jī)界的極大關(guān)注，紛紛投入大量人力物力進(jìn)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(fù)合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。 與此相對應(yīng)，稀土永磁電機(jī)的研究和開發(fā)大致可以分成三個(gè)階段【5】。 1) 60年代后期和70年代，由于稀土鉆永磁價(jià)格昂貴，研究開發(fā)重點(diǎn)是航空、航天用電機(jī)和要求高性能而價(jià)格不是主要因素的高科技領(lǐng)域。 2) 80年代，特別是1983年出現(xiàn)價(jià)格相對較低的釹鐵硼永磁后，國內(nèi)外的研究開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)到工業(yè)和民用電機(jī)上。稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)紛紛用稀土永磁電機(jī)來取代，而且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)所難以達(dá)到的高性能。3)進(jìn)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(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，除了大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用外，稀土永磁電機(jī)的研究開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段。一方面，正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺(tái)容量已超過1000kW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min，，長1. 2mm。另一方面，促使永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面的研究工作出現(xiàn)了嶄新的局面，有關(guān)的學(xué)術(shù)論文和科砑成果大量涌現(xiàn)，形成了以電磁場數(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。稀土永磁電機(jī)正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展，不斷擴(kuò)展新的電機(jī)品種和應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常樂觀。為了滿足需要，稀土永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造工藝尚需不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，電磁結(jié)構(gòu)將更為復(fù)雜，計(jì)算結(jié)構(gòu)將更為精確，制造工藝更為先進(jìn)適用。這些復(fù)雜問題需要應(yīng)用多學(xué)科理論和系統(tǒng)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高性價(jià)比，促進(jìn)電機(jī)等學(xué)科和行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。 我國的稀土資源豐富，稀土不稀，稀土礦的儲(chǔ)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(chǎn)量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)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(yīng)用以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對實(shí)現(xiàn)我國社會(huì)主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 永磁直線發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)【6】與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁電機(jī)具有運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕；損耗少，效率高等特點(diǎn)。（1）效率高永磁電機(jī)采用永磁材料勵(lì)磁，相比于以前的電勵(lì)磁電機(jī)，省略了維持產(chǎn)生氣隙磁場的電勵(lì)磁繞組，避免了勵(lì)磁繞組所消耗的電能。同時(shí)也免去了電勵(lì)磁換相所需的碳刷環(huán)節(jié)，避免了機(jī)械損耗，大大提高了發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)電機(jī)在1500rpm至6000rpm之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，普通電勵(lì)磁電機(jī)平均效率只有45％至55％，而永磁電機(jī)則可高達(dá)75％至80％，而專用永磁電機(jī)的效率則更高。（2） 體積小，重量輕 由于采用永磁材料進(jìn)行勵(lì)磁，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，使電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡單，排列更加有規(guī)律。可以有效的減小電動(dòng)機(jī)體積和重量。 （3）結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠 由于用永磁材料代替了傳統(tǒng)電機(jī)的電勵(lì)磁繞組。使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加安全可靠。1．2 永磁直線發(fā)電機(jī)面臨的主要問題 磁路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)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(jià)比高的永磁電機(jī)，就不能簡單套用傳統(tǒng)的永磁電機(jī)或電勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，必須建立新的設(shè)計(jì)概念，重新分析和改進(jìn)磁路結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及電磁場數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法的不斷完善，經(jīng)過電機(jī)學(xué)術(shù)界和工程界的共同努力，現(xiàn)已在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面取得了突破性進(jìn)展，形成了以電磁場數(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)軟件，并正在不斷完善中【6】。 控制問題永磁電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機(jī)難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，永磁直流電動(dòng)機(jī)不能再用改變勵(lì)磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。這些使永磁電機(jī)的應(yīng)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(shù)的迅猛發(fā)展，大多數(shù)永磁電機(jī)在應(yīng)用中，可以不必進(jìn)行磁場控制而只進(jìn)行電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)需要把稀土永磁材料、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行【2】。 不可逆退磁問題 如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械震動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無法使用。因而，既要研究開發(fā)適于電機(jī)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(jié)構(gòu)形式的抗去磁能力，以便在設(shè)計(jì)和制時(shí)，采用相應(yīng)措施保證永磁電機(jī)不失磁[2] 成本問題鐵氧體永磁電機(jī)，特別是微型永磁直流電動(dòng)機(jī)，由于結(jié)構(gòu)工