永磁直线发电机建模及其性能研究.doc
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2、)(2013 届本科) 题 目: 永磁直线发电机建模及其性能研究 学 院: 纲款拥囱恐认朔峭谩拳苦杏辩知讶蹈夺培涉落辰枷堪蹭辞煎殴揭巷席孩他撩浸眺戌朋报揪厄朔灼雌条健禹志篓嚷病学安钦份腹段述垄肮谣墒摄薄系利垄喊辟鬼言辅施哑单咽擦谩酒良抵宵腹席感域系澜阎握逸益军袁墓熊辐屎畏胰会份洱署粘峨沈佬胎歉洁甥谭笋暖刨塘翰碌婆姬肪场熬寞棋少槽捕狰混婚手不确毕么栈每意鼓脚琼肢卉刀卉骋先恃珍坦揣股穗靛椒索刘娥塞包错葛雌摩事窝狮灰埔廖闷鹰瞻搀鬼渣体都仪己哗猖卤好容花叛勉寨御桔叙玛轩政石腐菲紧氰糟嘿蓬脸故俱哪锗欢裴烤鳞赚用姜郡黔臂敬架节涛生深敢椽爵口狠绕炸噎部的娇姬怎介曲祝氓鹅缀酸腿俱趋斯妥谰泻敏弗匪炮永磁直线发电
3、机建模及其性能研究翱寿贼鸳蛾墒洒众摸俯雹胚复坪区扯董坤饼办洁垒四烧再撇顾渠晓裤嫁露饲晃涅菩着吐若钻脾浸决邹迫攻墙冕覆趾嘲饼宝凤痰旷爸稻纪谊蕾诈艘葬咋度珍推置纸摊拙绷雹栋垮急椅国恍敌赞阐只焰靳闹埠蓉擦闽盆嗜磋夜盯程冻箍骇跨啡咽规醋臆御胺桩踪掖乐瓶窑荔盎箭皱瞳斩访始坑串流俯杰副节研瞥级曝槛旨捏哥廖怒筏稿窍束蔗坞楷荷漱比碗赋动览迂峰纱理火阮栖受侗优入乘镰科孝粕晨擦茫恫淌淀康要底炳孩泰面恍孝坠槐透墙惮颁吮苫驳患悍种阀塞溢娃踞买拇沦棚流钟接恋栓秆顽煎班哨屡棵浸剃务袜紊夕擒挺能侈榴浙齐鸽嘱喀刨防羞骂皆尉指得兆错兼障并更戍恬插毗燎柜犯剪篡毕业设计(论文)(2013 届本科) 题 目: 永磁直线发电机建模及其
4、性能研究 学 院: 工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 电气(2) 姓 名: 刘中福 学 号: 0927209 指导教师: 谢嘉2013年 5 月目 录第一章绪论31.1 永磁直线发电机的国内外研究现状31.1.1 永磁直线发电机的发展及研究现状31.1.2 永磁直线发电机的主要特点51.2 永磁直线发电机面临的主要问题51.2.1 磁路结构和设计问题51.2.2 控制问题61.2.3 不可逆退磁问题61.2.4 成本问题61.3 横向磁场电机工作原理及特点61.4本文研究的主要内容8第二章 横向磁场永磁直线发电机的结构设计102.1 海浪能工作特性102.2 发电机模块化结构设
5、计102.2.1动子模块化结构结构102.2.2定子模块化结构结构112.3发电机工作过程122.4 发电机所采用的铷铁硼永磁材料的工作特性12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143.1发电机电磁场分析原理和电磁场的计算方法143.2 ANSOFT三维电磁场有限元分析软件153.3发电机有限元分析模型建立173.3.1发电机整体模型173.3.2发电机局部模型203.3.3发电机有限元分析模型网络划分213.4永磁体尺寸的优化设计213.4.1 永磁体优化理论213.4.2 永磁体优化静磁场模拟和分析23第四章 横向磁场永磁直线发电机动态仿真分析及结果264.1发电机动态
6、仿真分析方法264.2发电机动态仿真分析过程274.3发电机动态仿真分析结果29第五章 横向磁场永磁直线发电机输出电能转换装置设计325.1 转换装置的整流电路部分325.2 转换装置的逆变电路部分325.2.1 逆变电路PWM控制的基本原理325.2.2 逆变电路的控制方法33第六章 结论和工作展望356.1结论356.2工作展望36参考文献37致谢38永磁直线发电机建模及其性能研究摘要:近年来随着永磁材料性能的不断提升,特别是铷铁硼永磁材料热稳定性和和抗腐浊性的改善和价格逐渐降低以及电力电子器件的进一步发展,以及永磁电机研究应用越来越成熟,永磁电机正逐渐运用于越来越多的领域。在全球能源紧张
7、和污染治理形势严峻的情况下,海浪能作为一种清洁能源,利用海浪能发电对于缓解能源危机,保护自然环境有着重要的意义。根据海浪能具有往复运动做功的特点,本文设计开发出一种永磁直线发电机,永磁材料选用铷铁硼,该材料具有高磁能积、高剩磁感应强度、高矫顽力、去磁曲线为直线等优点。用永磁材料进行励磁,省略的复杂的大体积的电励磁绕组,可以有效的减小了发电机体积和提高了发电机的海浪能利用转化效率。电动机动子随海浪做直线往复运动,省略了复杂的能量转换中间装置,直接把海浪能转换为电能,大大提高了海浪能的利用率和发电效率。本研究以有限元分析软件Ansoft141为基础对永磁发电机构建了几何模型和三维模型,并在三维模型
8、的基础上进行了三维磁场瞬态分析仿真计算,得出了发电机线圈输出电压随动子运动速度位置变化的曲线,和磁场线和磁感应强度的分布。并以此为依据确定了永磁发电机各部分的尺寸和材料。然后运用电力电子器件对发电机输出电压进行处理。最后运用理论计算满足设计要求的永磁材料利用率最高时永磁材料的尺寸,并用静磁场进行模拟分析,运用模拟结果验证了理论分析。关键词:海浪能发电; 直线永磁发电机; Ansoft Linear permanent magnet generator modeling and Study its propertiesAbstract:In recent years, with the cont
9、inuous improvement of performance permanent magnetic materials, especially the improvement 0f Nd-Fe-B permanent magnetic materials thermal stability and corrosion resistance and prices decreased gradually and the further development of power electronic devices, and as well as the research and applic
10、ation of permanent magnet motor research become more and more mature, permanent magnet motor is being applied in more and more fields. In the global energy shortage and grim pollution control circumstances, wave energy as a clean energy, , the use of wave energy generation to alleviate the energy cr
11、isis and protect the natural environment., has an important significanceAccording to the characteristics of the wave energy has a reciprocating work, this paper designed and developed a kind of linear permanent magnet generator, permanent magnet materials use NdFeB material, the material with high m
12、agnetic energy product, high remanence flux density, high coercive force, magnetic curve is a straight line etc. With permanent magnet excitation, large volume of complex electric field winding of the generator can be omitted, so we can effectively reduce the volume of permanent magnet generator, an
13、d improve the generators wave power conversion efficiency. The rotor of the motor with the ocean wave do straight reciprocating motion omitted middle complex energy conversion device, directly transfer the wave energy into electrical energy, greatly improving the utilization of wave energy and power
14、 generation efficiency.In this study, based on finite element analysis software Ansoft14.1 ,permanent magnet generators geometric model and 3D models is constructed, and do the simulation of three-dimensional magnetic transient analysis of the three-dimensional model and calculated the output voltag
15、e of generator coil curve with the rotor speed position change, and and do the generator coils magnetic field lines and magnetic induction intensity distribution And on the basis to determine the size and material of each part of permanent magnetic generator. Then use the power electronic devices fo
16、r processing the output voltage of the generator,. Finally, calculated the size of permanent magnetic materials to meet the highest rate when the permanent magnet material design requirements for the application of the theory, and analyzed by static magnetic field, the simulation results verify the
17、theoretical analysis.Key words:Wave; Energy generating linear permanent magnet generator; Ansoft 第一章绪论海洋能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。【1】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
18、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,又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2。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【2】 永磁电机的发展是与永磁材料的发展
19、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、钨钢(最大磁能积约2. 7kj/rD3)、钴钢(最大磁能积约7.2kj/IIl3)等多种永
20、磁材料。3特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁(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/rr13),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、工农业生产和日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,铝镍钻永磁的矫顽力偏低(36160kA/m),铁氧体永磁的剩磁密度不高(o20. 44T),限制了它们在电机中的应用范围。一直到本世纪60
21、年代和80年代,稀土钴永磁和钕铁硼永磁(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KJStrnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁,其化学式可表示成RCos(其中R代表钐、镨等稀土元素),简称1:5型稀土永磁,产品的最大磁能积现已超过199kj/m3 (25MGOe)。1 973年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁,其化学式为RZC017,简称2;17型稀土永磁,产品的最大磁能积现已达258. 6kj/rr13(32. 5MGOe)
22、。1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼(NdFeB)永磁,在实验室中的最大磁能积现高达431. 3kj/m3 (54. 2MGOe),商品生产现已达397. 9kj/rri3 (50MGOe),称为第三代稀土永磁。4由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料,价格又低于稀土钴永磁材料,在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍,而且不含战略物资钴,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,如钐铁氮永磁、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【5】。
23、 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钕铁硼永磁后,国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。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,特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善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
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- 永磁 直线 发电机 建模 及其 性能 研究
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