圓筒型halbach永磁直線發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
楊恒山，余海濤，胡敏強(qiáng)
（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京210096）
摘要：為了提高永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率和永磁體的利用率，提出了一種新型的用于海浪發(fā)電的圓筒型halbach永磁直線發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)具有軸對(duì)稱(chēng)性，故將其三維電磁場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維場(chǎng)進(jìn)行分析，建立了二維有限元方程。應(yīng)用ansys軟件對(duì)使用常規(guī)永磁陣列與haffiach永磁陣列時(shí)發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行了比較，也對(duì)halbach永磁陣列中相鄰永磁體塊的磁化角度差6度。分別為45度、60度、90度。時(shí)發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行了比較，得出了結(jié)果較優(yōu)的方案，結(jié)果可靠。
關(guān)鍵詞：halbach永磁陣列；圓筒型直線發(fā)電機(jī)；海浪能；優(yōu)化；有限元方程
中圖分類(lèi)號(hào)：tm313；tm359. 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)02-0026-04
0引 言
海浪能是一種清潔無(wú)污染的、而且取之不盡用之不竭的能源。占地球表面百分之71的海洋中蘊(yùn)藏著約500億千瓦的能量，其中海浪能約為25 x l08kw。據(jù)世界能源委員會(huì)估計(jì)：每天可開(kāi)發(fā)的海浪能超過(guò)2×l012w，照此估計(jì)每年就有17520×l012w．h的海浪能可供開(kāi)發(fā)。而能夠?yàn)槿藗儗?shí)際轉(zhuǎn)換利用的海浪能每年約為2000×l012w．h。因此海浪能越來(lái)越受到人們的青睞。
從研制成世界上第一個(gè)海浪發(fā)電裝囂開(kāi)始，海浪發(fā)電的研究已進(jìn)行了四十多年。早期研究的發(fā)電裝置都是通過(guò)中間轉(zhuǎn)換裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)發(fā)電的，這給海浪發(fā)電機(jī)造成兩大弊端：一是由予中間機(jī)構(gòu)的存在，使得發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)體笨重；二是由于中間機(jī)構(gòu)中的能量損失，造成發(fā)電的效率不高。因此，人們開(kāi)始研究將不需中間機(jī)構(gòu)的直線電機(jī)用于海浪發(fā)電。目前，將直線電機(jī)用于海浪發(fā)電尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，還沒(méi)有正式投入使用。國(guó)內(nèi)對(duì)此的研究也剛剛起步。本文提出一種用于海浪發(fā)電的圓筒型halbach永磁直線發(fā)電機(jī)。并且對(duì)halbach永磁陣列中相鄰永磁體塊的磁化角度差6度分別為45度、60度、90度時(shí)發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)也進(jìn)行了比較。得到了可靠的結(jié)果。
1 圓筒型直線電機(jī)有限元方程
1.1磁場(chǎng)邊值問(wèn)題
因?yàn)橛来烹姍C(jī)中存在永磁體，所以需要對(duì)永磁體進(jìn)行處理，本文采用永磁體直接離散處理法。對(duì)于稀土磁體，其回復(fù)線和退磁曲線重合。則永磁體工作點(diǎn)的b和日的關(guān)系為：
式中，μ=μ0μτ，hc為計(jì)算矯頑力。
引入磁矢位a，并定義b=v xa，根據(jù)麥克斯韋方程，永磁電機(jī)的電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題可以表述為：
對(duì)于本文所研究圓筒型halbach永磁直線發(fā)電機(jī)，其磁場(chǎng)中沒(méi)有勵(lì)磁電流，且使用齊次邊界條件，所以其邊值問(wèn)題可表示為：
1.2有限元方程
與式(3)表示的邊值問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的等價(jià)變分可表述為
因?yàn)樗芯侩姶艌?chǎng)為軸對(duì)稱(chēng)電磁場(chǎng)，所以可以簡(jiǎn)化為二維情況進(jìn)行分析。應(yīng)用二維有限元方法，則有  式(4)的變分方程可進(jìn)一步表示為
將求解區(qū)域v1+ v2劃分成e0個(gè)三角形單元，所有三角形單元形成n個(gè)節(jié)點(diǎn)。若求w（a）的最小值w只需形對(duì)a的偏導(dǎo)為零，即：
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