（电机与电器专业论文）海浪发电用永磁直线同步电机的设计与研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a v ee n e r g yi sc l e a nr e b i r t he n e r g yw h i c hd o e s n tb r i n ga n yp o l l u t i o n w a v e g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yh a st h ee x c e l l e n c eo fl a r g er e s e r v e s ，r e b i r t h ，n 0p o l l u t i o na n ds o o n , i th a st h em e a n i n go f s o l v i n gt h ee n e r g yp r o b l e m 1 1 伦m o v e m e n to f w a v ec o n t a i n s h u g ee n e r g y , h o wt oc o n v e r tt h ee n e r g yi st h ek e yo f w a v eg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y w a v e e n e r g yc o n v e r t e ra sac o n v e r t i n ge q u i p m e n t , h a sa d v a n t a g ea sab r i d g e t 1 l er e s e a r c ho f w a v em o v e m e n ta n dw a v ee n e r g yc o n v e r t e rh a v ead i r e c te f f e c tt o w a v eg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y s ot h i st h e s i ss t u d yt h er u l eo fw a v ea n dt h ee l e c t r i c a l m a c h i n eo f w a v ee n e r g yc o n v e r t e r , d e s i g n i n gt h ee l e c t r i c a lm a c h i n ei sap o i i i t n l er e s e a r c ho fw a v eg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yh a sf a r - r e a c h i n gm e a n i n go f e x p l o i t i n g n e wr e s o u r c e n l i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g eo fw a v eg e n e r a l l ya n dt h e c o m p u t a t i o no fw a v ec h a r ta n dw a v ee n e r g y , a n da l s oi n t r o d u c e ss e v e r a lw a v ee n e r g y c o n v e r t e r sa n dt h e i rw o r k i n gp r i n c i p l e l i n e a rm o t o ra sa p a r to ft h ew a v ee n e r g y c o n v e r t e r , t h ed e s i g no f i t ss t m e t u r eh a si m p o r t a n tm e a n i n g t i l i st h e s i sp u tf o r w a r dt h e d e s i g n i n gs e h e m ef o rs t r u c t t t r ea n dp a r a m e t e ro fl i n e a rg e n e r a t o ru s e di nw a v ee n e r g y c o n v e r t e r , a d o p t st h ep e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rf p m l s g ) 1 1 l e d e s i g no ft h ee l e c t r i c a lm a c h i n ei n c l u d e st h ed e s i g n i n gs i z e ，c h o o s em a t e r i a la n d d e s i g n i n gp a r a m e t e r 1 1 l e nt h em o d e lo fe l e c t r i c a lm a c h i n ea n a l y z e db ya n s y s g e t v a r i o u sp a r a m e t e r sa b o u te l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h e no p t i m i z et h ed e s i g no f g e n e r a t o r ， t og e tt h ef e a s i b l es c h e m ef m a l l y k e yw o r d s ：w a v ec h a r t , p m l s g ，g e n e r a t i n gd e s i g n , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或者其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确表示并表示了谢意。 学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸制论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或者部分内容。论文的公 布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 乞针 日期；鱼丝：! ：o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 海洋占地球表面7 0 8 的面积。海浪能是一种不产生任何污染的可再生清洁能源，取之不 尽，用之不竭。有科学家估算，如果将全球可利用的海浪能转换成电能，可产生数万亿千瓦 的电能。即使是把其中的0 。1 的能量转化成电能，其发电量可超过目前世界发电总量的5 倍。 另外，海浪发电有储量大、可再生、无污染、可就近开发利用等优点，对解决世界的能源问 题有着重大的意义“1 。 海浪的运动蕴藏着巨大的能量，如何将这些能量转换为电能，是利用海浪发电的关键所 在”。海浪能量转换器，作为海浪能和电能的中间转换装置，无疑起到了桥梁的重要作用。 海浪发电的装置大致可以分为三种：一是建立在海岸线上的，二是近海岸线的，三是远离海 岸的“。目前已经有建成的海浪发电实验设备，图1 1 就是在葡萄牙的海岸建立的海浪发电 设备“1 。海浪发电装置的不同。则海浪能量转换器的设计也会不同。发电机是能量转换器的 重要组成部分，电机的结构和参数设计成为研究的重点。 图1 1 海浪发电的实验设备 海浪的运动规律。海浪能量转换器的研究，对海浪发电都有着直接的影响，所以在本文 中对海浪的运动规律进行了简要的研究，着重研究了海浪能量转换器中的发电机的设计 1 2 海浪能量转换器研究现状 1 2 1 漂浮式海浪能量转换器 漂浮式海浪发电站是其中的一种发电装置，直接利用机械装置抽取海浪的动能发电。这 种发电原理是将发电机的定子固定在海底或者固定在井架等不动的地方，动子固定在漂浮物 上。当漂浮物随着海浪上下运动时，转子( 动子) 随着漂浮物一起运动。这种相对运动使动 子上的磁场运动切割定子电枢，产生感生电动势，产生电能”1 。1 9 6 4 年e 1 本利用这一原理研制 东南大学硕士学位论文 成了世界上第一个海浪发电装置航标灯。虽然这台发电机发电的能力仅有6 0 瓦，只够一 盏灯使用，然而它却开创了人类利用海浪发电的新纪元。7 0 年代末期，日本研制成了一种大 型海浪能发电船，并进行了海上试验。它能发出1 0 0 1 5 0 千瓦的电能，而且具有远离海岸的 电力传输装置。美国俄勒冈州立大学的一个研究小组设计了一个高l o m 、直径6 m 的浮动发电 机，装机容量达到2 5 0 k v 。可支持约9 0 个家庭使用。英国爱丁堡大学s t e p h e ns a l t e r 教授用油 船研制出这种装置，提高了海浪能量的捕捉率。 图1 - 2 漂浮式海浪能量转换器原理图 图l o 是漂浮式海浪能量转换器的一种简单模式，漂浮在波面上的浮子随着海浪的上下 运动带动了直线电机中动子的运动。 1 2 2 振荡水柱式的能量装换器“” 海浪运动时，使空气容器中的空气做活塞式的来回运动，通过管子推动水轮机运动。它 的原理跟利用水流推动发电机一样，所不同是海浪发电用的是空气流而不是水流。这种水轮 机有一个独特的性能，即不管气流的方向如何，水轮机的旋转方向是一样。 振荡水柱式的能量转换器的装置如图l - 3 所示。 图i - 3o w c 的装置图 2 第一章绪论 一个o w c 装置包含了淹没在水下的用钢铁或混凝土筑成的空气舱，空气舱在水下有一 个孔，前面有面墙。这个装置装入了很大体积的空气，空气随着海水表面的运动而被压缩成 空气流，这个压缩的空气流可以通过海水上方的一个孔流出，从而驱动涡轮发电机。当里面 的水下降，空气流的压力减小，空气流从涡轮机中流回。 这种装置还有一个特点是能将海浪的动能通过动力疮中的空气压力传递到岸上。在设计 中采用沟渠的方法。在此方法中，沟渠使o w c 离海岸线有了一个小的距离。这样的好处是 装置可以建立在陆地上。沟渠的装置如图1 4 。 图中，( a ) 是初始的形状；( b ) 是挖去了中间的固体；( c ) 是装置的结构：( d ) 是完整 的装置。 徘插函 ( a )( b ) 国画 图1 4 沟渠的设计 英国率先利用这一原理，英国女皇大学的w e l l 教授在h e b r i d e a n 岛建造了7 5 k w 的海浪发电 站，1 9 9 2 年又建造了最大输出功率为5 0 旰瓦的岸边发电站。在靠近海岸边的1 5 米海底正在建 造一个2 m w 的发电站。 虽然海浪能量巨大、发电有成本低、清洁环保等优点，然而恶劣的气候条件制约着这种技 术的发展，使得实际海浪发电的应用较少。飓风掀起的海浪高达十几米。每米的海浪能量从 几千瓦到兆瓦级。目前所设计的装备在这种环境下能使用几年，几年后多数装置会受到严重 损坏。例如第一台2 m w 的海浪发电机在固定在海底之前就被菲里克斯飕风破坏。其次海浪能 源丰富，但是目前海浪发电装置多数只具有捕捉单一运动方向的海浪动能，造成海浪能量转 化为电能的效率低。还有目前已经建成海浪发电装置使用传统的旋转发电机。这种发电站需 要使用涡轮机构带动发电机，因此，增加了中间环节，不仅提高了发电机组成本，还使发电 机的效率较低。 1 2 3 阿基米德式海浪能量转换器“” 阿基米德式海浪能量转换器( a w s ) 是荷兰学者于1 9 9 3 年提出来的，适应于离岸式建设 的海浪发电站。它是一个充满空气的容器，底部固定于海底。顶上一个活动的盖子。当海浪 3 东南大学硕士学位论文 波峰到来时，盖子受到海浪的压力向下运动，使阿基米德容器体积缩小，而当海浪波谷到来 时，盖子受到海浪的压力减小，使阿基米德容器增大。这种装置能在水下工作，使得整个发 电系统不易受到风暴损害，而且水下发电站看不见。更容易被公众接受。这种能量转换器的 上下运动可以直接用于驱动直线电机发电，因此直接推动了永磁直线电机在海浪发电中的应 用。装置的原理图见图1 - 5 。 图1 5a w $ 的运行原理图 在发电过程中，将直线的浮子运动转换为旋转运动来带动旋转电机运动是可能的，但是 要建造一个坚固的，低维护成本的齿轮传动装置就比较难了，所以，在采用了直线电机作为 发电装置。 将电机设计得足够大来收集所有可能的海浪产生的能量几乎是不可能的，所以a w s 也 有水流节制闸，这样可以产生很大的力量。这就意味着在电机设计时，折中考虑能量场大小 和设备维护成本。 1 3 直线电机概述“。 在海浪发电的几种不同装置中，一般都采用了直线电机，就是因为直线电机直接驱动的 特性，其好处是省去了中间的传动装置，矗接将海浪的运动转换为电机动子的运动。 采用直线电机驱动的装置和其他非直线电机驱动的装置相比，它具有以下优点： i ) 采用直线电机驱动的传动装置，它不需要任何转换装置而直接产生推力。因此，他可 以省去中间转换机构，简化了整个装置或系统，保证了运行的可靠性、传递效率提高、制造 成本降低、易于维护。 2 ) 普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制。而直线电机运行时，它 的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用，因而它的直线速度可以不受限 制。 3 ) 直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，它在驱动装置当中，其运动可以无机 械接触，使传动零部件无磨损。从而大大减少了机械损耗，例如直线电机驱动的磁悬浮列车 就是如此。 4 ) 旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构转换成直线运动，这些转换机构在运行 中，其噪声是不可避免的，而直线电机是靠电磁推力驱动装置运行的，故整个装置或系统噪 声很小或无噪声，运行环境好。 4 第一章绪论 5 ) 由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体，所 以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用；可在有腐蚀性其他或有毒、有 害气体中应用；亦可在几千度的高温下或零下几百度的低温下使用。 6 ) 由于直线电机结构简单，直线电机的散热效果也较好，特别是常用的扁平型短初级直 线电机，初级的铁心和绕组端部直接曝露在空气中，同时次级很长，具有很大的散热面，热 量很容易散发掉，所以这一类直线电机的热负荷可以取得较高，并且不需要附加冷却装置。 永磁同步电机兼有永磁和直线电机的双重特点，具有高精度、大行程、高速度、小电气 时间常数等优点，在机械加工、地面高速运输线、往复伺服系统、垂直提升系统等场合正越 来越受到重视，具有广阔的应用前景。所以，在本文海浪发电的研究中采用永磁同步直线电 机。 1 4 各章内容综述 本论文全文共分六章。各章的内容简介如下： 第一章简述了研究的目的和意义，分析了海浪发电的现状和前景，提出了用直线电机进 行海浪发电的方案，并用有限元分析的方法对直线电机进行分析计算。 第二章介绍了有关海浪的理论，计算了p - m 谱和海浪能量及能量转换器的应用。 第三章给出了直线电机的结构设计，电机的尺寸，永磁体材料的选取。线圈的匝数等。 第四章介绍了有限元分析的理论基础，建立初步设计的电机的有限元模型，利用a n s y s 对之进行有限元分析，得到电磁场的各种参数，计算磁通和感应电势。 第五章在第四章的基础上，对设计方案进行优化设计。并进行各种方案的性能比较，得 到晟佳的设计的方案。 东南大学硕士学位论文 2 1 前言 第二章海浪谱的基本理论及海浪能计算 流体力学无疑是研究液体波动的有力工具，但将这些波动理论直接应用于海浪是困难的。 所谓海浪通常是指风浪与涌，它们是风生成的。风的作用远比重力复杂，此复杂性也必然反 映到海浪。海面上的海浪高低长短不齐，杂乱无章，此起彼伏，瞬息万变，初观之下似无规 律可循。海浪具有明显的随机性，以可确定的函数描述是困难的。如何研究复杂随机的海浪? 远自5 0 年代初，人们已经将多数振幅、频率、方向、相位不同的简单波动叠加起来以代表海 浪。但和上面提到的液体波动理论中的叠加不同的是，此处规定组成波的振幅或相位是随机 的量，从而叠加的结果必然是随机函数，它适用于反映海浪的随机性。这种研究方法被证明 是有效的，并成为研究海浪的主要手段“”。 2 2 海浪的随机性质 2 2 1 海浪波高的随机性质 在假定海浪是正态分布的前提下，验证海浪波高的平稳性质。海浪波高可表示为 f ( f ) = ( x c o s t o t + y s i n o j t ) ( 2 1 ) n - i 式中以( 1 玎) ，e ( 1 月) 为互不相关的实随机变量序列，其均值l ：l = 0 ，e 匕= 0 ( 1 行) ；e x 。= 0 ( 1 m ，行s ) ；e e j 0 = e 圪= 盯2 8 ( n 一册) q ，哆，鸭x o 为任意正实数。j 0 一m ) 为k r o n e r k e t 万函数。 结论：海浪波高f ( f ) = ( k c f + s m f ) 为平稳随机过程，其中 f 0 0 n = l 证明： e ( ( t ) = e ( x n c o s c a , , t + y s i n c o j ) = 【e 以c o s 硝) + e 暇s i i l 蛳” ，芦- = ：0 则f ( f ) 的均值为常值。海浪波高的相关函数： e f o + r ) f ( f ) ) 6 第二章海浪谱的基本理论与算法及海浪能计算 n = e z x c o s ，( f + f ) + s m o ，n ( t + f ) 】乏：【瓦c o s t o , + y s i n r a j n=l，#i = ，r 2 c o s 口，f ( 2 2 ) = 砖c o s f ( 2 2 n = d 由此得出：海浪波高f ( f ) 为二阶矩过程，其均值为常值，相关函数仅为时间差的函数，即海 浪波高为宽平稳随机过程。由于假定f ( ，) 为正态分布，则f ( f ) 的宽平稳过程就是严平稳过程 简称海浪波高为平稳过程。验证海浪过程的各态历经性是否符合遍历性的充要条件是困难的， 与处理大部分工程实际闯题一样。首先假定海浪过程具有遍历性，然后通过测量数据验证。 2 2 2 海浪波高分解为傅氏级数 在推导这一结论之前，首先给出下述结果： 若 x ( f ) ，t c o ) 是以五为周期的实值均方连续平稳随机过程，e x ( o = o ，则x ( f ) 可作如下正交收敛的调和傅氏级数分解： 其中： x ( f ) = 口o + a = c o s m o o t + b = s i n m o o t m = - i r o o = 2 x l 正，= 击岛即) s i i l 删 而 口。，k ，m = 1 ，2 ， 为互不相关的随机变量序列，即： 1 e ) = 鲁厶万咖一帕，e k 蝣= 等巧洄一刀) ，e k ) = o j ( 2 3 ) 式中万( 肌一胛) 为k r o n e e k e r函数。过程 x ( f ) ，j f i o o ) 的相关函数r ( f ) 也可作傅氏级数展 开： 式中： r ( f ) = 专以+ 丢薹( 4 c o 妇r + 嘎c s m | i f ) ( 2 4 a = 鸟矗c f l 4 = 鸯r c 力c 。s 后r 死反= 鸟r s m 豇谢f 其中t = l 2 ，3 ， 7 东南大学硕士学位论文 上述结论简略说明如下： x ( r ) ，川 o ) 、2 7 r 0 则4 、e 的联合概率密度函数也可r h 下式绘出： 八4 ，最) = 南e x p 卜碡1 、 2 + 磅) 又4 = 厶e o s s ，色= s i n e ， 雅可比变换为： j = 巩讹 8 na 8 n 勰na b h a n8 s 。 聪砧= 南唧t 一勃 隔) = r ”i ( g ，岛比= 矗州一身 9 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 东南大学硕士学位论文 其中：0 幺 ，0 毛s 2 7 r ，即海浪波幅服从瑞利分布。 瑞利分布的定义是：一个均值为0 ，方差为盯2 的平稳窄带高斯过程，其包络的一维分布 是瑞利分布。其表达式为厂( 2 ) 2 争c x p ( 一丢7 ) ? 2 o 及概率密度如图所示 一一2 图2 - l 瑞利分布曲线 瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变 特性的一种分布类型。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。 海浪正弦波的相位的概率密度豳数： 厂( 晶) = f r o ，矗) d 厶= 万1 ， o 晶2 万 ( 2 1 4 ) 即海浪正弦波相位毛服从 o ，2 石】的均匀分布。 2 3海浪谱的基本理论 在线性海浪理论中。认定海浪是平稳正态过程且具有各态历经性。目前应用较为广泛的海 浪模型为：l o n g u e g 卜。h i g 舀n s 模型、p i c r s o n 模型及广义傅氏变换描述海浪波面模型。这三种模 型都是将线性的简单波动迭加起来，并假定这些组成波是随机的且相互独立，迭加结果为具有 各态历经性的平稳正态过程。这种理论代表了目前海浪研究的主要方向。它具有许多优点和 应用上的方便。首先，由组成波的叠加可导出一系列的海浪要素的统计分布。这些模型中都 引入了谱的概念。迄今海浪谱主要得自观测资料。 可以看出，为了描述海浪并在此基础上研究海浪，必须已知它的谱，故谱构成目前海浪 研究的中心问题，从海浪本身到海浪理论的应用都与谱密切有关。在海浪谱中，频谱，特别 是风浪频谱，得到最广泛的研究。迄今已提出许多风浪频谱。本论文就其中一种形式p m 谱 ( p i e r s o n - - - m o s c o w i 乜单参数谱) 进行介绍。 1 0 第二章海浪谱的基本理论与算法及海浪能计算 卜m 谱o a i e r s o r r - - m o s c o w i t z 单参数谱) 公式为： 跏) = 吁0 7 8 ) c x p 嗉等】 式中，为圆频率，h l a = 0 0 2 1 4 u 2 ，u 为海面上1 9 5 m 处风速。本文计算公式中的量均处理为 无量纲数。随着风速的增大，谱曲线下面积亦增大，且谱宽度亦增大。不同风速下的p m 谱 频率范围见下表2 1 。 表2 1 不同风速下的卜m 谱频率范围 风速m j 一1( i c a = ) l s 一1 o j p l s 一1 3 1 7 9 0 9 2 2 0 2 8 7 51 0 7 4 ，5 5 3 21 7 2 70 7 6 7 ，3 9 5 21 2 3 9 0 5 9 7 ，3 0 7 30 9 6 1 1 0 4 8 眈5 1 5 0 7 8 1 30 4 1 3 2 1 2 80 6 6 1 50 3 5 8 1 8 4 40 5 7 1 7 0 3 1 6 ，1 6 2 70 5 1 由此表可看出，当风速增大时，海浪谱的高频部分增多，海浪变得更混沌、更无规则性 该谱特点如下： 乱谱中参量为风速，适用于充分发展的海浪。 b 谱蜂处的频率及周期为 谱峰频率。= o 8 7 7 9 u 谱峰周期乙2 2 2 8 j r 。u g 式中g 为重力加速度。 c 平均周期t = i 6 2 # u i g d 有效波高q ”= 0 2 0 8 【，2 ，g 其谱特点为： a 该谱是p m 谱的派生形式，适用于充分发展的海浪， b 以q 。为谱参量， c 谱峰处的频率与谱峰值为： 哆= 1 2 5 6 础s v = o 0 1 7 1 6 磁 d 平均周期于= 1 1 3 万磁 东南大学硕士学位论文 c 以充分的海浪观测资料为依据，谱结构简单 第十一届国际船模水池会议将该谱定为标准海浪谱 不同风速下国际标准海浪谱频率范围见下表2 2 ： 表2 2 不同风速下国际标准海浪谱频率范围 风速m s 一1 mi c o n ) i s 。s 一1 3。2 4 3 8 1 6 4 4 44 0 5 51 4 6 3 9 8 6 62 4 3 71 0 4 5 7 0 4 71 7 4 9o 8 1 3 1 5 4 8 1 1 3 5 1 lo 6 6 5 4 4 8 5 1 1 l 1 30 5 6 3 3 7 9 50 ，9 4 1 50 4 8 们2 8 9o 8 l 1 70 4 3 0 ，2 。9 0 20 7 2 2 4 海浪谱的线性叠加 2 4 1 基本概念和公式 海浪可以看作一平稳随机过程，它可由如下多数( 理论上应为无穷多个) 不同周期和 不同随机初始相位的余弦波叠加而成。 ，7 ( x ，f ) = qc o s ( k ：一q ，+ 岛) l - 1 ( 2 1 6 ) 式中，( o ，2 石) ，7 ( x ，) 为固定点工处的波动水面相对于静止水面在f 时刻的瞬时高度；q 为 第i 个组成波的振幅；q ，毛为第f 个组成波的圆频率和波数 q = 2 石，z ，毫= 2 # 2 ￥= 砰g ；茗和f 分别为位置和时问( 对于固定位置，可取茗= 0 ； 对于固定时间，可取t = 0 ) ；t 为第f 个组成波的初始相位。此处取为( o ，2 石) 中的随机变 量。 当通过频谱来模拟海浪时，设欲模拟的对象谱( 靶谱) ，7 ( 五f ) = 2 s ( 匆) q 】2 s ( 砰耳g 一匆r + 毛) ( 2 1 7 ) i = l 1 2 第二章海浪谱的基本理论与算法及海浪能计算 s ( 国) 的能量绝大部分分布在口t n k 范围内。其余部分可忽略不计。把频率范围划分为n 个区间，其间距为哆= q 一哆一i ，若取 龟= ( q + 哆。) 2 则可将代表个区间内波能的个余弦波动叠加起来，即得海浪波面 ，7 ( 墨，) = 【2 s ( 商) q 】l ” z - i c o s ( 砰x g - c b , t + 毛) ( 2 1 8 ) 式中西为第f 个组成波的代表频率。 2 4 2 卜m 谱的算法 对于给定的谱函数s ( ) 计算海浪数据很简单，知道风速u 、采样的空问问隔j 、时间间 隔r 和采样总数，按下面流程就可算出：选择海浪谱计算得出缈。，采用二分法计算s ( 叻 的频率范围q 出和吼。，代数据到反演公式得出结果。 选择了海浪谱后，再在o o o o 0 0 1 到& 0 区间采用二分法找到两个零点q 血和吼。，参考前 面海浪谱的波形可以认为该谱频率范围就在( q 血，懈) 。频率间隔可取 晚产f 盘一r a m = l 5 0 ，哆5 吐k + 越甜，现在所有的参数都已经知道，每个采样点的数据用 下面的代码就可算出： f l o a tc a l c u l a t e ( f l o a tkf l o a tt ) i n ti ；f l o a ts u m = o o ； f o r ( i = o ；i 5 0 ；j + + ) s u m + - - s q r t ( 2 * s ( i ) * z w ) * c o s ( k ( i ) * x - w ( i ) * t + e i ) ； r e t u r ns u m ； s ( i ) 为谱方程，e i 为随机噪声，x 和t 对应空间时间间隔。 循环n 次( 比如2 5 6 。5 1 2 等) ，即可得到海浪的数据。表( 2 3 ) 显示的卜m 谱在风速u = i 0 m s ， 空间采样间隔x = l m ，时间采样间隔t = l s ，采样总数n = 5 1 2 时的海浪数据，波形可见下图2 - 2 。 表2 3嗍谱海浪数据 采样点 海浪数据采样点 海浪数据 12 5 21 5 0- 0 0 0 9 22 4 61 5 l- 0 0 3 6 32 1 41 5 2- 0 0 3 3 4 1 8 01 5 30 0 0 0 3 5 51 5 51 5 40 0 2 4 东南大学硕士学位论文 1 螳监血二。陋 图2 - 2 风速为s i n s ( 5 级) 时的卜m 海浪 由上图可见此时的海浪呈现出混沌且平稳( 均值不大) 的状态5 级风是海上比较常见的海 况，可以看到海浪一般表现出如此形式。 由于风速是海浪形成的决定因素，当风速变化时，波浪也明显跟着变化。风小的时候， 海浪比较平稳而且起伏；风大的时候，可从海浪数据明显看出在大起大落的波峰和波谷间徘 徊，波高浪大是其明显特征( 见下图) 。 ( a )( b ) 訇2 - 3 不同风速( ( a ) 6 级t ( ”为8 级) 下的卜m 海浪 时间采样间隔大小对于海浪的波形没有明显的影响，这是因为海浪是一种混沌的随机序 列，时间相关性并不是很强，见下图。 ( a )( b ) 图2 4 不同时间采样间隔( ( a ) 为0 i s ，( b ) 为2 o s ) 下的卜m 海浪 川m )4 ( m ) ( a )( b ) 图2 - 5 不同空间采样间隔( ( a ) 为i m ，( b ) 为l o m ) 下的p - - m 海浪 空间采样间隔对海浪波形则有明显影响。因为当采样总数固定时，改变采样空间间隔， 就相当于改变采样区域的长度，当采样总长度小于海浪波长时，看起来更明显( 趋向海浪的 包络) 。如上图所示，在波形图上的改变则相当于按空间间隔缩放横坐标( x 轴) 。 2 5 海浪的能量计算 1 4 第二章海浪谱的基本理论与算法及海浪能计算 海浪的成长取决于能量的输入，海浪的计算总是根据某种形式的能量平衡进行。利用海 浪谱可以计算海浪的能量，由于研究时问有限，本论文采用简单波动的能量计算方法。下面 就介绍深水二维进行波的动能和势能。 如果深水二维进行波的波面由g - = a s m ( h o j t ) 表示，则其势函数便由 矿一詈矿c o s ( 缸唰) ( 2 21 9 ) 9脚l 1 ) 矿= 贴i 表示。设于波中去相距一个波长l 并垂直于传播方向的两铅直平面a a 和b b ( 图2 - 6 ) ， 一一、 、， 一l ，- - 。 b 图2 - 6 波动能量的积分区域 两平面问的流体上界为自由面，下界伸向无限深处，流体沿o y 轴方向的厚度为1 。根据计算 公式，所考虑区域内的波动动能为 以= 圭p 咖挚= 丢p rc 9 争l 。出 在得到后一等式时，去掉了沿从和b b 部分的积分，因为妒娑在这两部分量值相等而符号 相反；而沿下界积分为零，因为在该处娑= o 同时根据小振幅的假定，波面极其平缓，可 近似地用d x 代替波面弧长幽。将式( 2 1 9 ) 代入，得到一个波长范围内的波动动能为 乓2 言牌2 上 ( 2 2 1 ) 至于所考虑区域内的波动势能，易于证明为 乞= j 1 昭r f 2 矗= 丢艘2 眩：， 比较上面两式可知，在一个波长范围内，波动动能和势能相等，其和为 e = e t + e p = 妥p 晷矛l q 2 3 ) 单位面积水柱内的平均波动总能量为 主= ：1 缪2 l ( 2 2 4 ) 东南大学硕士学位论文 2 6 海浪能量转换器的应用 绪论中介绍了三种不同的海浪能量转换器，以及它们的基本工作原理。在本文中，采用 漂浮式海浪能量转换器作为海浪发电的转换机构。 图2 - 7 直线电机漂浮式海浪发电装置 在海浪发电的几种不同装置中，一般都采用了直线电机，就是因为直线电机直接驱动的 特性，其好处是省去了中间的传动装置，直接将海浪的运动转换为电机动子的运动。图2 7 就 是利用直线电机作为发电机的漂浮式海浪发电装置。 直线电机的动子。一端通过绳索连接在漂浮在海面的浮子上，随着海浪的上下运动而运 动，另一端用弹簧固定在水底。图2 - 8 表示了海浪发电装置中浮子。动子，和弹簧之间的运 动关系。 一 。 l f r- l 一陬 一lr 一一可 丫；诲底 图2 8 动子随海浪运动的示意图 动子的运动方程为： m害：只。+e。+。dtz ) 1 3 ”。1 s 这里，e 。是浮子所受的反作用力，巳是电磁力，j j m 是连接装置所受的力 1 6 第二章海浪谱的基本理论与算法及海浪能计算 = p g a v 一 这里= 锄g ，p 是水的密度； 当浮子完全在水中的时候，矿= k 一竺笋； 当浮子没有完全在水中的时候，a v = ( w x ) s 0 。， 这里s o 是浮子的截面积。 。= 一e + h 磊是静态弹簧所受的力，助弹簧系数； 巳= 差三争 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 矿是气隙包围的体积；l 还可以用功率和速度来表示，即瓦= 詈= 堡v r ，这里v = 妄。 利用m a n a b 求解位置方程，得到下图两种情况下位置x 随时问t 的变化趋势。 ( a )( b ) 图2 9 动子随时间的运动情况( ( a ) 为浮子完全在水中；( b ) 为浮子没有完全没在水中) 2 7 本章小结 本章概述了海浪的基本知识。进行了海浪p _ m 谱和海浪能量的计算，得出海浪运动的基 本规律。并研究了漂浮式海浪能量转换器各个组成部分的运动关系，为能量转换器中的电机 设计奠定了研究基础。 1 7 东南大学硕士学位论文 第三章永磁直线同步电机的初步设计 在上一章海浪能量转换器的介绍中，直线电机作为中阃转换装置。有着重要的作用。其 结构设计对于海浪能量的转换有着直接的影响。 3 1 直线发电机的结构设计 鉴于直线电机的优点和海浪运动的特点，本文采用永磁直线电机进行海浪发电。永磁直 线同步发电机不仅具有永磁发电机的特点，而且兼有直线发电机的性能。同时钕铁硼永磁材 料具有强磁力和较高矫顽力，在设计电机时可以减小电机体积，从而减轻电机设备的重量。 目前已建成的海浪发电站使用的电机都是传统的旋转电机。永磁直线同步发电机与旋转 发电机相比较，有以下特点； ( 1 ) 直线电机运动是直线的，符合海浪运动的特点。海浪运动促使动力舱的压力发生变化， 可以带动直线电机的动子来回运动。用直线发电机替代传统的电机，省去中间机构，节省成 本。 ( 2 ) 永磁直线同步电机中用永磁体代替电励磁，使直线发电机结构更为简单，电气控制更 为简便，且钕铁硼永磁材料性能稳定，增强电机的耐用性。 3 0 ! 1 发电机的整体结构分析 如图3 1 所示，考虑到直线发电机在运行时，动子与定子之间会产生横向的力的作用， 为了发电机能平衡平稳定地工作，选择双边扁平型的永磁直线发电机的结构。这样两边产生 的横向的力的作用相互抵消另外，永磁体为动子部分，为了保持绕组始终保持切割磁场的 状态，选用长动子短定子的结构。初步设计中要求制作出发电机的实物模型。所以，动子部 分连接一个弹簧，以达到提供上下运动的动力的要求。 图3 0 l 永磁同步发电机的整体结构 3 1 2 主要尺寸 在进行永磁直线同步发电机的设计时，我们把次级铁芯的极距f 和气隙的纵向长度作 l s 第三章永磁直线同步电机的初步设计 为主要尺寸，( 一般情况下，认为就是初级铁芯的纵向长度) 。初步设计的发电机的结构图 如图3 - 2 所示。圉示为一对极6 个绕组，进行有限元分析时就对这部分进行分析。 其中，a 3 。a 6 ，a 7 ，a 8 ，a 9 ，a 1 0 。a l l ，a 1 2 ，a 1 3 ，a 1 4 ，a 1 5 ，a 1 6 这1 2 个区域 为绕组；a 1 ，a 2 两个区域为永磁体；a 1 8 ，a 1 9 两个区域为气隙；a 2 0 ，a 2 1 两个区域为 硅钢片。 厂i盈 i 一 j 厂i盈 l 一 j 广万盈 i 一 j - 1 91 2 l 厂万盈 1 一j 广i 盈 。f 盈 1 一 u 图3 - 2 永磴直线发电枫结钩圈 3 1 3 电磁负荷的选择 电磁负荷也就是电负荷和磁负荷，因为本设计主要是对发电机结构中磁场的分部进行分 析，磁负荷是指气隙中等效基波磁通密度的幅值( 以取。表示) 。之所以要引入这个等效基波 磁通密度。是由于在直线电机中气隙磁通密度分布较为复杂，纵向和横向边端效应造成了磁 场的畸变为了便于比较可用等效气隙磁通密度来代替实际的磁通密度。 关于磁负荷的选择，由于直线电杌的电磁气隙通常比旋转电机大，为了减小励磁电流 提高功率因数。通常b i 选用较低的值。电磁气隙愈大，岛l 值愈低。对于非磁性次级，b l 可取o 1 0 - 0 3 5 t ( 即1 0 0 0 - 3 5 0 0 g u a s s ) ，电磁气隙小而极距大的电机，岛l 取较大的值，反之， 则取较小的值。永磁直线同步电机见，的选择还要受到永磁体材料磁化曲线的限制，对于钕 铁硼永磁材料，b ，通常取为0 6 - 0 8 t 电磁气隙小而极距大的电机，饬l 取值要大，反之， 取较小的值。 总而言之。电磁负荷选择时要考虑的因素很多，很难单纯从理论上来确定。通常主要参 考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与已有电机之问在使用材料，结构、 技术要求等方面的异同后进行选取。 东南大学硕士学位论文 3 2 永磁直线同步机的参数设计 3 2 1 设计原始数据 1 ) 结构型式：双边扁平型 2 ) 相数：m = 3 3 ) 电磁负荷：a t = 1 0 0 0 a c m = 1 0 a m 岛l = 0 ，8 t 4 ) 取每极每相稽数：q = l ，3 = 3 5 ) 选取钕铁硼牌号为n t p - 2 6 4 h ，剩磁b r 为1 1 5 ，磁感矫顽力为8 7 5 e + 5 a m ，硅钢片 相对磁导率a , = 6 0 0 0 3 。2 2 初级铁心结构参数的设计计算 t ，极距：f = 鲁= 器一o ，m 2 ) 绕组系数的计算：d ：三：；里：1 0 4 7 m q ， s i l l 丝c o s 丝 绕组系数： 如- = 孕= 0 5 q s i n i 3 ) 槽型尺寸： 槽距：f ：三：旦三：0 1 m m q3 x 1 齿宽；6 = 0 5 t = 0 ，0 5 m 槽高：吃= 吃= 0 0 5 m 绕组高度：丸= k 墨吃= 0 0 4 1 m ，为方便计算取丸卸0 4 5 m 轭部高度：】j l 。= 0 2 5 f = o 0 7 5 m 3 2 3 永磁体尺寸的设计 1 ) 瓦不能过薄。这主要是从两方面考虑：一是k 太薄将导致永磁体生产的废品率上升， 永磁体成本高。且使永磁体不宣运输和装配：二是永磁体太薄将使其易于退磁。 2 ) 磁化方向长度k 在某个范围内，无载平均磁密随磁化方向长度k 的增加快速增加， 达到一定程度后，再增加，无载平均磁密增加很小，曲线趋于平缓。这说明，磁化方向长 度超过某个范围后，漏磁明显增大，从而造成穿过气隙到达电枢槽区的有效磁通增大很小。 因而。在要求一定磁密的情况下，永磁俸磁化方向长度有最佳值。 在选择永磁体磁化方向长度时，应综合考虑它对各参数的影响，选择合理的永磁体磁 化方向长度d 初步选择k 2r = 0 0 3 7 5 m ( 初步为绘图方便，取其近似值o 0 4 m ) ，在设计 后面结构有变动。 3 ) 永磁体纵向长度l 第三章永磁直线同步电机的初步设计 初步选择长度为f ，在电机优化设计时可以调整这个参数达到优化的目的。 4 ) 次级宽度氟 设计的初步方案永磁体动予部分鬼即为次级宽度，动子单纯由永磁体组成，不加硅钢片 等其他材料。 3 2 3 性能指标 1 ) 同步速：k = 3 0 m s = 1 0 8 k m h 2 ) 频率：户5 0 h z 3 ) 额定电压：v = l o o o v 4 ) 额定电流：= 1 0 0 a 3 3 本章小结 本章主要研究了海浪能量转换器中电机的初步设计采用永磁同步直线电机作为设计对 象，对其进行结构和参数的基本设计，井给出性能指标，为下一章的电磁分析做好准备。 2 1 东南大学硕士学位论文 第四章永磁直线同步电机的有限元分析 磁路设计是电机设计的主要部分，工程上磁场分析一般有解析法和数值计算两种方法 在永磁电机的设计中，由于其边端、漏磁效应比普通电机明显增大，用一般的解析法时，需 要引入大量的假设，这会给计算结果带来较大误差。为了保证计算的精确，现在对永磁直线 电机的研究大都采用数值计算方法。常见的数值计算方法有有限差分法和有限元法。 4 1 有限元方法简介 有限元方法是一种较普遍应用的数值计算方法，它透过离散化来求取偏微分方程的数值 解。其主要步骤是：首先将场的方程等价为一个条件变分问题，荐将条件变分问题离散为代 数方程组，最后解代数方程组得到各点的场值。与解析法相比，它可以处理介质非线性的场 区域问题，在计算过程中不需要进行简化或近似处理，计算结果的精确度较高；与有限差分 法相比，它在网格剖分上更具灵活性，能对不规则的边界形状进行充分逼近，对边界条件的 利用度高，易于解决边界形状或内部分界线比较复杂的问题，能够保证较高的计算精度。近 年来，随着计算机制造技术和计算理论的进一步发展，有限元方法在工程应用中已占据了重 要的地位，在电机的电磁场分布、局部应力的计算及电机性能计算等诸多研究方面都得到了 广泛应用。 电磁场分析的问题实际是求解给定边界条件下的麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组问题。分 析具有永磁体和电枢绕组的永磁直线电机电磁系统，采用矢量磁位a 表征磁场强度较为方便。 为简化分析，假设：电机内磁场及矢量磁位a