永磁直线发电机建模及其性能研究毕业论文.docx

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1、永磁直线发电机建模及其性能研究毕业论文第一章绪论11.1 永磁直线发电机的国内外研究现状11.1.1 永磁直线发电机的发展及研究现状11.1.2 永磁直线发电机的主要特点31.2 永磁直线发电机面临的主要问题31.2.1 磁路结构和设计问题31.2.2 控制问题41.2.3 不可逆退磁问题41.2.4 成本问题41.3 横向磁场电机工作原理及特点 41.4 本文研究的主要内容6第二章横向磁场永磁直线发电机的结构设计82. 1海浪能工作特性82.1 发电机模块化结构设计81 .2.1动子模块化结构结构82 . 2. 2定子模块化结构结构92.2 发电机工作过程102.3 发电机所采用的锄铁硼永磁

2、材料的工作特性10第三章 横向磁场永磁直线发电机有限元模型建立和优化设计 123.1发电机电磁场分析原理和电磁场的计算方法 123. 2 ANS0FT三维电磁场有限元分析软件133.3发电机有限元分析模型建立153. 3. 1发电机整体模型151.1. 2发电机局部模型181.3. 3发电机有限元分析模型网络划分 193.4永磁体尺寸的优化设计191.4. 1永磁体优化理论193. 4.2永磁体优化静磁场模拟和分析22第四章横向磁场永磁直线发电机动态仿真分析及结果243.1. 发电机动态仿真分析方法244. 2发电机动态仿真分析过程255. 3发电机动态仿真分析结果27第五章横向磁场永磁直线发

3、电机输出电能转换装置设计306. 1转换装置的整流电路部分305.2转换装置的逆变电路部分305.2 . 1逆变电路PWM控制的基本原理305.3 .2逆变电路的控制方法 31第六章结论和工作展望336. 1结论336.2工作展望34参考文献35致谢36上海海洋大学2009届毕业设计（论文）永磁直线发电机建模及其性能研究第一章绪论海洋能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。利用海洋能发电能够改善能源结构和环境，有利于解决我国能源长期的需求短缺问题。海洋能作为一种新型的可再生能源，据估计，波浪能量可达117亿kw以上，全球的可开发量远远超过目前的发电功率，大规模地开发海洋能可以缓解能源紧缺,是解决中国

4、能源问题的一条有效途径。众所周知，电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和同步电机。这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，乂需要不断供给能量以维持电流流动；另一种是由永磁体来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。这就是永磁电机。海浪能具有直线往复运动的特点，为了减小发电机体积，提高海浪能的利用效率，故而我们设计出了一种直线永磁发电机。1.1 永磁直线

5、发电机的国内外研究现状1.1.1 永磁直线发电机的发展及研究现状永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。早在两千多年前，我国就已利用永磁材料的磁特性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为我国古代四大发明之一。19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生 励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe304）,磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深人研究，相继发现了碳钢、鸨钢（

6、最大磁能积约2. 7kj/rD3）、钻钢（最大磁能积约7.2kj/IH3）等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝银钻永磁（最大磁能积现可达85 kj/rT13）和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积现可达40kj/rrl3）,磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生产和口常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是，铝裸钻永磁的矫顽力偏低（36160kA/m）,铁氧体永磁的剩

7、磁密度不高（o. 20. 44T）,限制了它们在电机中的应用范围。一直到本世纪60年代和80年代，稀土钻永磁和铉铁硼永磁(二者统称稀土永磁)相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段。1967年美国K. J. Strnat教授发现的铁钻永磁为第一代稀土永磁，其化学式可表示成RCos (其中R代表铁、错等稀土元素)，简称1:5型稀土永磁，产品的最大磁能积现已超过199kj/m3 (25MG. 0c)。1 973年乂出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为RZC017,

8、简称2； 17型稀土永磁，产品的最大磁能积现己达258. 6kj/rrl3(32. 5MG. 0e) o1983年口本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功铉铁硼(NdFeB)永磁，在实验室中的最大磁能积现高达431. 3kj/m3 (54. 2MG. 0e),商品生产现已达397. 9kj/rri3 (50MG. 0e),称为第三代稀土永磁。由于被铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钻永磁材料，在稀土矿中铉的含量是铁的十几倍，而且不含战略物资一一钻，因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如彩铁氮永磁

9、、纳米复合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。与此相对应，稀土永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段。1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钛铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机匕 稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。3)进入90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是彼铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善

10、和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和口常生活等方面获得越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开发进入一个新阶段。一方面，正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过lOOOkW,最高转速已超过300000r/min,最低转速低于0. 01r7min,最小电机的外径只有0.8mm,长L 2mm。另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了以电磁场数值计

11、算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件。稀土永磁电机正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展，不断扩展新的电机品种和应用领域，应用前景非常乐观。为了满足需要，稀土永磁电机的设计和制造工艺尚需不断地进行创新，电磁结构将更为复杂，计算结构将更为精确，制造工艺更为先进适用。这些复杂问题需要应用多学科理论和系统工程进行优化设计，提高性价比，促进电机等学科和行业进一步发展。我国的稀土资源丰富，稀土不稀，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因

12、此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。1.1.2 永磁直线发电机的主要特点与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有运行可靠，结构简单，体积小,质量轻；损耗少，效率高等特点。（1）效率高永磁电机采用永磁材料励磁，相比于以前的电励磁电机，省略了维持产生气隙磁场的电励磁绕组，避免了励磁绕组所消耗的电能。同时也免去了电励磁换相所需的碳刷环节，避免了机械损耗，大大提高了发电机的发电效率。据资料统计，当电机在1500rpm至6000rpm之间的转速范围内运行时,普通电励磁电机平均效率只

13、有45%至55%,而永磁电机则可高达75%至80%,而5用永磁电机的效率则更高。（2）体积小，重量轻由于采用永磁材料进行励磁，与传统电机相比，使电机的机械结构更加简单，排列更加有规律。可以有效的减小电动机体积和重量。（3）结构简单，运行可靠由于用永磁材料代替了传统电机的电励磁绕组，所以省去了碳刷.滑环结构.简化了电动机结构，避免了电励磁绕组容易断线烧毁和碳刷.滑环容易磨损的缺点。使电动机运行更加安全可靠。1. 2永磁直线发电机面临的主要问题1.1.1 磁路结构和设计问题为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优异磁性能，制造出性价比高的永磁电机，就不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电

14、机的结构和设计计算方法，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构。随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术等现代化设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的共同努力，现已在永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面取得了突破性进展，形成了以电磁场数第3页共38页上海海洋大学2009届毕业设计(论文)永磁直线发电机建模及其性能研究值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助分析、设计软件，并正在不断完善中对。1.1.2 控制问题永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外

15、部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。这些使永磁电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁电机在崭新的工况下运行。1.2 . 3不可逆退磁问题如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钛铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既要研究开发适于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制时.，采用相应措施保证永磁电机不失磁1.2.4成本问题铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。