波浪能圆筒型永磁直线发电机优化设计

文/彭绍宇 罗朋 赵志伟

（广东海洋大学电子与信息工程学院 广东省湛江市 524088）

波浪能能量密度高，是近年来可再生能源开发热点[1]。直驱式圆筒型永磁直线电机具有结构简单、能量转换效率高、使用寿命长等优点，是波浪能转换装置研究的重要方向[2]。因此，研究更高效可靠的圆筒型永磁直线电机对新能源开发有重要意义。

目前国内外对圆筒型直线电机的研究以研究永磁体的尺寸和充磁方式为主[3]，文献[4]提出一种绕组和永磁体均位于初级的新型圆筒形初级永磁直线发电机，其拥有磁体定位力小、低速发电性能好等优点，但未对线圈绕组和磁铁参数进行详细优化，尚拥有较大发展空间；文献[5]中英国谢菲尔德大学的 Jiabin Wang团队对Halbach在电机上的应用进行了详细的解析分析，且设计出了三相和单相Halbach永磁直线电机，但Halbach阵列磁体存在高成本等问题，同时受到工艺水平的限制难以制作。因此设计更高效，制作简便的永磁直线发电机在波浪能发电领域意义非凡。

本文采用仿真软件ANSYS Maxwell进行电机的仿真建模，研究电机在不同绕组线径和槽距下的输出功率。同时根据对电机磁体的仿真分析，研究永磁体的不同充磁方式和磁密，优化电机参数，并且制作出样机进行下水实验，验证优化方案。

1 波浪发电机的设计

以实验室原有电机参数如表1，槽数为6。

为更大限度利用磁体，需确定电机的槽级数，根据文献[6]有周期数NP与极数和槽数之间的关系：

2 仿真建模优化

本节利用Maxwell12D搭建仿真模型，对绕组和磁铁结构有限元仿真，采集不同参数下的电机输出数据，依此修改电机参数，达到优化的目的。仿真图如图2所示。

2.1 绕组结构优化

2.1.1 线圈线径优化

对线圈在几种线径下的输出电压进行仿真，磁铁采用径向磁铁，运动速度0.4m/s，绕线的厚度6mm，宽度9mm，20℃时铜的电阻率为0.0172(μΩ.m)，直径31mm，采用AAA模块化绕组形式，得出不同线径下的各项结果。使用MATLAB对仿真电压进行拟合，得到如图3的线径-电压拟合曲线图。

表1：原有电机参数表

表2：优化后的主电机详细参数

结果显示线径取0.14～0.2mm时输出电压最为理想，因此线径合适的选择范围是0.14～0.2mm。

2.1.2 单槽厚度优化

研究线圈厚度对功率的影响，仿真采用轴向磁铁，绕组为AAA模块化绕组，运动速度为5cm/s，占空比0.8，线径0.14mm，对线圈厚度进行研究，在线圈厚度逐渐减少时，电压随之减少，电流逐渐增大。在厚度为7mm时电压输出功率较大，并且输出波形较为平滑，输出三相电压波形如图4所示。

因此选择单槽厚度为7mm的线圈最为合适。

2.2 磁铁结构优化

气隙磁场由永磁体提供，其取决于永磁体的材料和结构。永磁体一般采用磁性强且成本较低钕铁硼。永磁体充磁方式主要分三种：径向充磁、轴向充磁和Halbach充磁。下面通过有限元仿真，进行对比和可行性考虑，选择最合适的磁铁结构。

2.2.1 充磁方式优化

充磁方式有三种：径向充磁、轴向充磁、磁极径向轴向交替的“Halbach阵列”[7]。三种充磁方式的磁感线仿真结果如图5所示。

图1：直线发电机3D剖面图

图2：电机仿真模型

图3：线径-电压拟合图

图4：7mm电压波形图

在图5中，三种充磁方式的磁密分别为4.2271×10-5Wb/m，4.6468×10-5Wb/m和5.3523×10-5Wb/m，显然在永磁体数相同的条件下Halbach阵列具有更大的磁通密度，且更多链接到绕组的磁感线，气隙磁场变化平缓，周围磁场变化更平稳且接近正弦波。Halbach阵列相比另外两种的磁感应强度大出很多，减少磁体涡流和铁芯损耗[8]，若克服制作困难的问题，将是理想的充磁方式。

图5：充磁方式的磁感线仿真图

2.2.2 永磁体厚度优化

对轴性磁铁进行仿真，磁铁间有间距磁场强度更大，且占空比在0.62和0.89间的常规排列的情况下就能接近Halbach励磁的磁场[9]，大大降低了磁铁装配难度。占空比公式如下：

N为一对磁极磁铁个数，常规排列的磁铁N=2，Halbach排列的磁铁N=4，d为永磁体宽度，λ为极距。为选择最合适的占空比，分别取1、0.8、0.62、0.5四种占空比的磁铁进行分析，线圈为9槽，磁铁采用厚度为10mm的轴向磁铁，通过有限元仿真静磁场和瞬磁场，如图6和图7所示。

通过图6和图7可知：占空比为1时在静磁场时的磁力线和磁密线高，但在瞬磁场时0.8和0.62的输出电压比占空比为1时高出许多；占空比越大，齿宽越大，过小的占空比会造成成本的增加。

因此，最终选择0.8占空比厚度为10mm的轴向永磁体。

3 实验验证

根据电机不同绕组和磁体参数对电机性能的仿真结果,确定最优结构参数水平组合：采用轴向充磁，线圈线径取0.14～0.2mm、单槽线圈厚度为7mm、ABC绕组接法、轴向磁铁厚度为10mm（占空比为0.8），具体参数如表2所示。其中由于Halbach阵列制作技术水平限制，因此选择轴向充磁方式；

电机样机如图8所示，线圈母线接入三相整流桥，顶盖使用卧式底座固定镀络光轴和磁铁。样机置于实验池中，进行下水实验。

3.1 优化后的波浪发电实验分析

3.1.1 波浪参数测量

根据文献[6]可得单位波长的波浪总能量Pmcl的计算公式为：

式中，ρ为淡水密度；H为波浪高度；T为波浪周期。

对试验池的波浪进行测量，波浪运动类似简谐运动，根据实验结果，取平均值波高为5.7cm，周期为1.0625s，计算得到单位波长波浪总能量为0.188W，其中中间值为29.65cm，和静止水面测量值29.8cm接近。通过对运动时波浪的波峰进行测量，得到波长λ为48cm。

3.1.2 发电效率

如图9所示，装置的功率传递情况为波浪能量P1传递到浮体上，浮体对波浪吸收效率η1，除去水和浮体之间具有阻尼损耗Pz，得到浮体吸收的能量P2，机械功率P3为传到浮体和电机外壳，推动电机上下移动，其中有机械损耗Pm和附加损耗Pad，继而产生电流和铜损Pcu，电机输出经过整流的电压，并产生整流损耗PR，最后输出到负载上，输出功率为P4。

吸收效率η1和浮体的周期T有关，根据文献[10]和浮体的周期得到吸收效率η1大致为17.9 %。根据前文公式（4）对波浪能量的计算，单位波长的波浪的能量为0.188W，所以实际浮体吸收的能量由公式：

计算得出P2=0.0337W。

浮体吸收完能量后在经过电机初级、次级之间的摩擦导致的机械损耗Pm，其他的附加损耗Pad，铜线上的铜损Pcu，整流桥上的损耗PR，最后在负载上输出电功率。得出输出功率为3.2678mW。输出效率计算公式如下：

计算得到η2为9.697%。据相同的算法得出的初步电机模型的发电效率仅为6.439%，实验结果证明，该套优化理论可为圆筒型直驱式发电机的参数优化提供参考。

图6：磁感线仿真

图7：静磁场磁密云图

图8：整机装置实物图

图9：装置功率传递示意图

4 结论

本文以经典的圆筒型永磁波浪发电机为例，分别对电机线圈绕组和永磁体有限元仿真，研究了不同参数的电机性能和制作可行性，并设计样机试验计算输出功率，分析结果表明：

（1）线圈绕组参数的最佳范围：线圈线径为0.14～0.2mm，单槽厚度的为7mm；

（2）在制作工艺成熟的前提下，永磁体采用Halbach阵列是最佳选择，其次可选用为0.8占空比厚度为10mm的轴向永磁体；

（3）本优化方案能为低速运行下的波浪发电机提高电机输出效率，降低电机的制作成本提供参考。