【正文】 運(yùn)動(dòng)的區(qū)間。所以在這里要設(shè)置線圈的匝數(shù)，設(shè)定畫面如下： 圖 42線圈匝數(shù)設(shè)定畫面 由于計(jì)算機(jī) 資源有限，所以本次只能進(jìn)行局部模型的模擬，所以本次還要設(shè)定邊界條件，由于模型圍繞 Z軸對(duì)稱，所以本次設(shè)定為對(duì)稱邊界條件，設(shè)定效果畫面如下： 上海海洋大學(xué) 2021 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 28 頁 共 41 頁 圖 43邊界條件設(shè)定 所有一切設(shè)定完成后 ，開始軟件的自檢，這樣查看是否有錯(cuò)誤，假如沒有則點(diǎn)開始，軟件開始計(jì)算模擬，這一步十分重要，因?yàn)橛邢拊M特別是三維動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算模擬每次計(jì)算所花的時(shí)間非常多，通常都在 10個(gè)小時(shí)以上，假如檢查沒檢查好，很可能在實(shí)際運(yùn)算過程中報(bào)錯(cuò)，然后終止執(zhí)行，這樣十分浪費(fèi)時(shí)間和經(jīng)歷。 ◆把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波 部分的中點(diǎn)重合，且使 矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部 分面積（沖量）相等，這就是 PWM 波形 ◆對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM波形。）充電，在發(fā)電機(jī)正弦波的負(fù)半部分則通過Ｄ３和 D４向電容充電。所以發(fā)電機(jī)發(fā)出來的電能無 法被直接使用，必須要經(jīng)過整流處理，我所選著的方案是交 — 直 — 交方案。 在輸出曲線中我們可以看到第二 動(dòng)子 和第三 動(dòng)子 期間的電壓最大值要大與第一和第四 動(dòng)子 的電壓最大值，這個(gè)是因?yàn)殡m然我們用絕磁材料盡量限制磁路都只通過 動(dòng)子 面向 Z軸的正下方，但實(shí)際上有漏磁，故而在中間位置時(shí)，定子正好在整個(gè) 動(dòng)子 塊的中間，氣隙磁場最強(qiáng)，故而輸出電壓更大。 設(shè)定過程見上文。這樣在整個(gè)分析時(shí)間內(nèi) 動(dòng)子 將走*1m==150MM。S =36mm2。漏磁系數(shù).Kad． KFd．Ｋ ｕ ．Ｋ φ ，變化不大。量的乘積，并不是同一工作點(diǎn)的二者乘積。由所數(shù)學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)工作點(diǎn) A 在回復(fù)線的中點(diǎn)有最大磁能的永磁體最佳工作點(diǎn)的標(biāo)么值 bD=0. 永磁發(fā)電機(jī)的額定容量（ KVA） ： (37) 式中 M—— 相數(shù)； 圖 37 發(fā)電機(jī)向量圖 圖373E INXS UN IN 圖 3－ 6 最大磁能時(shí)的永磁體 上海海洋大學(xué) 2021 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 22 頁 共 41 頁 UN—— 發(fā)電機(jī)的額定相電壓（ V）； IN—— 發(fā)電機(jī)的額定相電流（ A）； 為了便于求的空載感應(yīng)電壓 E和 Un之間的關(guān)系可利用右邊的向量圖，并假設(shè)繞組電阻為 0得： （ 38） (39) 式中 Xs—— 同步電抗 將（ 38）（ 39）代入到 37 中可得 （ 310） 式中 Ku—— 電壓系數(shù)， ,它由相對(duì)電壓 Un/E 和功 率因數(shù)的大小決定，即取決于發(fā)電機(jī)外特性的硬度； Ik—— 三項(xiàng)穩(wěn)定短路電流（ A）， Ik=E/Xs。 圖 35電機(jī)的 六 分之一模型 上海海洋大學(xué) 2021 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 21 頁 共 41 頁 由于邊界的影響只有中間的那根線上的電壓是正確的，旁邊的都不真實(shí)。 兩個(gè) 動(dòng)子 之間的絕磁材料定義為 alumina_96pct ，理想化的把它的導(dǎo)磁率定義為 0 綜上所述就生成了發(fā)電機(jī)的幾何模型。 動(dòng)子 厚度 18MM，共 4個(gè) 動(dòng)子 ， 4個(gè) 動(dòng)子 沿一根中軸線（ z軸）相隔 18MM排布，兩個(gè) 動(dòng)子 之間以alumina96pct這中絕磁材料填充。 4． 瞬態(tài)場求解器 瞬態(tài)場求解器可方便的求解任意波形電壓、電流及包括直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)問題，例如電動(dòng)機(jī)、斷路器、軸承等，瞬態(tài)求解器可同時(shí)求解磁場、電路及運(yùn)動(dòng)等強(qiáng)耦合的方程，因?yàn)榭梢苑治龈餮b置的性能，其優(yōu)點(diǎn)可以利用線路圖繪制器和嵌入式仿真器與外部電路協(xié)同仿真，從而支持包括電力電子開關(guān)電 路和繞組連接方式在內(nèi)的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真。它求解場頻率范圍可由 0 赫茲到數(shù)百兆赫茲，可應(yīng)用于對(duì)母線、電機(jī)、變壓器、繞組及無損系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。 它目前可以求解下列場： 1． 靜磁場求解器 靜磁場求解器可用于分析由恒定電流源、電壓源永磁體及外部激勵(lì)引起的磁場，適用于分析激勵(lì)器、傳感器、電機(jī)、永磁體等。 Ansoft不僅可以對(duì)單個(gè)電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，還可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真。 7． 阻抗邊界條件 阻抗邊界是用來模擬薄介質(zhì)層的邊界條件，主要應(yīng)用于交變電場中的電阻邊界和渦流場中的阻抗邊界。偶對(duì)稱指在對(duì)稱面兩側(cè)的電流、電荷、電位、磁位等物理量滿足大小相等，符號(hào)相同。一般電磁場問題中將諾依曼邊界條件稱為第二類邊界條件，它規(guī)定了邊界處勢(shì)的法向?qū)?shù)分布，在 Ansoft 計(jì)算中提到的齊次諾依曼邊界條件，即法向?qū)?shù)為零，為默認(rèn)邊界條件，不需要用戶指定。當(dāng)為零時(shí)稱此狄利克萊邊界齊次邊界條件。未附加定解條件的描寫普遍規(guī)律的微分方程稱為泛定方程。 有限元法是將整個(gè)求解區(qū)域離散化，分割成許多小的區(qū)域，稱之為“單元”或“有限元”，傳統(tǒng)的有限元法以變分原理為基礎(chǔ)，把所要求解的微分方程型數(shù)學(xué)模型 — 邊值問題，首先轉(zhuǎn)化為相可以應(yīng)的變分問題，及泛函求極值問題；然后利用剖分插值，離散化變分問題為普通多元函數(shù)的極值問題，及最終歸結(jié)為一組多元的代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解 電磁場的分析和計(jì)算通常歸結(jié)為求微分方程的解。 在三維瞬態(tài)場中采用的是 T ?Ω 算法，但是可以采用局部剖分法來計(jì)算三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)所帶來的效應(yīng)。一般的釹鐵硼永磁材料在高溫下使用時(shí)，其退磁曲線的下半部分要產(chǎn)生彎曲，為此使用普通釹鐵硼永磁材料時(shí)，一定要校核永磁體的最大去磁工作點(diǎn)，以增強(qiáng)其可靠性。m。 釹鐵硼永磁材料的不足之處是居里溫度較低，一般為 310～ 410℃左右；溫度系數(shù)較高， Br的溫度系數(shù)可達(dá) 0. 13%K1， Hcj的溫度系數(shù)達(dá) (0. 6～ )%K1。它的磁性能高于稀土鈷永磁。 定子由定子鐵芯和定子繞組組成，定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，厚度為 18MM，為了便于下線 ，且能卡住定子繞組，定子槽型采用矩形開口，槽口共有 18個(gè)，定子槽與線圈鐵芯之間留有 1MM的氣隙，在這個(gè)氣隙中，線圈圍著鐵芯環(huán)繞，由于本發(fā)電機(jī)發(fā)出的是單項(xiàng)交流電，為了簡化結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高輸出電壓和功率 ，故而把所有的線圈串聯(lián)起來，僅在線圈外引出兩根導(dǎo)線。同樣為了提高氣隙磁場強(qiáng)度，使磁路主要從線圈中通過而不是從 動(dòng)子 之間的氣隙通過，故而兩個(gè) 動(dòng)子 之間以 alumina96pct這中絕磁材料填充，從而強(qiáng)迫磁路從線圈中通過。 【 11】 所以海浪能具有周期性類似直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，但受季節(jié)單天不同時(shí)間其運(yùn)動(dòng)的幅度頻率都稱不規(guī)律性。波浪能是由大氣層和海洋在相互影響的過程中，由于在風(fēng)和海水重力作用下形成永不停息、周期性上下波動(dòng)的波浪，這種波浪具有一定的動(dòng)能和勢(shì)能。同時(shí)由于永磁體較為昂貴，所以我們對(duì)永磁體的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來提高單位體積永磁體的功率。電角度）時(shí)，相應(yīng)的改變內(nèi)外定子電樞線圈中電流的方向，就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的同一運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)矩使電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖中內(nèi)外電樞線圈分別穿過內(nèi)外 U形定子鐵心，定子齒部分平行于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向的橫截面和電樞線圈的橫截面在空間上相互垂直，使得電負(fù)荷和磁負(fù)荷在空間上解耦，這樣電機(jī)齒部運(yùn)動(dòng)方向的尺寸和通電線圈橫截面的大小就相互獨(dú)立，這兩個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)就可以任意選取，這是傳統(tǒng)徑向磁場電機(jī)無法做到的，這也正是 TFM 最大的優(yōu)勢(shì)所在。轉(zhuǎn)子采用聚磁式結(jié)構(gòu)，沿運(yùn)動(dòng)方向永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心均勻分布，相鄰永磁體極性相反，分別在轉(zhuǎn)子鐵心上聚磁成N、 S極；沿運(yùn)動(dòng)垂直方向并排的永磁體也極性相反，它們之間用隔磁材料將磁路隔開，在隔磁材料兩邊的鐵心中形成相反極性，和內(nèi)外定子鐵心的極性配合。 【 9】 在電樞直徑一定的情況下，要想提高電負(fù)荷，即增加電流量，那么在電流密度一定的情況下，只能通過增加齒槽截面積來實(shí)現(xiàn)，這樣就會(huì)導(dǎo)致齒部寬度的減小，從而造成磁路磁阻的增加，磁通密度 B 就會(huì)減小，即造成磁負(fù)荷減小，這樣的結(jié)果未達(dá)能到增加電磁力的目的；同理，增加磁負(fù)荷也會(huì)因?yàn)閷?dǎo)致齒槽截面積的減少而減小電負(fù)荷，這時(shí)電磁力提高的目的也不能達(dá)到。那么假設(shè)電機(jī)中氣隙處的磁場是均勻的，對(duì)長度為 L 的導(dǎo)線進(jìn)行矢量積分，并且考慮到導(dǎo)線與磁通密度 B是垂直的，由式 （ 11） 就可獲得下式： wF BIL? （ 12） 式中 ： F —— 長度為 Lw 的導(dǎo)線，其上流過電流 I 時(shí)，其在磁通密度 B 的磁場中所獲得的電磁力 /N。 橫向磁場電機(jī)工作原理及特點(diǎn) 電機(jī)的運(yùn)行依賴于電磁力，根據(jù)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(dá)式為 [8]： ddI??F l B （ 11） 式中： dF —— 磁場中某點(diǎn)電流元所受到的電磁力元 /N； Idl —— 位于磁場中某點(diǎn)的電流元 /A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)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。這些使永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。 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)。 （ 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。 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)。 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(hào)稱“稀土王國”。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。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。 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)。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。 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。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。 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。 Energy generating linear permanent mag generator。最后運(yùn)用理論計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求的永磁材料利用率最高時(shí)永磁材料的尺寸，并用靜磁場進(jìn)行模擬分析，運(yùn)用模擬結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。電動(dòng)機(jī) 動(dòng)子 隨海浪做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，省略了復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換中間裝置，直接把海浪能轉(zhuǎn)換為電能，大大提高了海浪能的利用率和發(fā)電效率。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （ 2021 屆本科） 題 目 ： 永磁直線發(fā)電機(jī)建模及其性能研究 學(xué) 院： 工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣（ 2） 姓 名： 劉中福 學(xué) 號(hào)： 0927209 指導(dǎo)教師： 謝嘉 2021年 5 月 上海海洋大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）