【摘 要】
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波浪能作为一种广泛存在于海洋之中的自然能源,具有分布面广、能量密度及持续性高等特点;基于直线发电机的波浪发电系统,无需考虑传动、变速等复杂的机械结构设计,具有结构简单、换能效率高、维护方便等优点,易于小体积结构、高性能输出的性能设计,现今受到了业界广泛关注。目前,特殊用途的小功率发电系统已经在航海灯、海洋观测仪器等小型设备中得到了广泛的推广和应用。针对小型自供能技术中波能发电对发电机输出电能质量、
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波浪能作为一种广泛存在于海洋之中的自然能源,具有分布面广、能量密度及持续性高等特点;基于直线发电机的波浪发电系统,无需考虑传动、变速等复杂的机械结构设计,具有结构简单、换能效率高、维护方便等优点,易于小体积结构、高性能输出的性能设计,现今受到了业界广泛关注。目前,特殊用途的小功率发电系统已经在航海灯、海洋观测仪器等小型设备中得到了广泛的推广和应用。针对小型自供能技术中波能发电对发电机输出电能质量、功率密度等的需求,本文提出高性能圆筒型永磁直线发电机(Tubular Permanent Magnet Linear Generator,TPMLG)设计的研究,从结构设计、工作模态、结构优化、性能分析等方面,系统的探讨了适用于波浪发电技术的TPMLG的设计经验及准则。在TPMLG的结构设计方面,对应用环境及结构特点进行分析,确立外长次级结构作为发电机的主体方案;采用无槽结构,降低初级铁芯的含量及质量,同时削弱齿槽效应对TPMLG性能影响,以提高复杂环境波浪能量应用的可靠性;在结构方案的基础上,结合波浪发电技术的应用需求,着重讨论电磁负荷、永磁体阵列、绕组形式、磁场校核等因素下TPMLG的设计准则。采用有限元分析方法,完成TPMLG电磁方案的设计及结构参数的优化;以提高电能质量和运行稳定性为主要目标,研究了永磁体厚度、径向/轴向充磁的永磁体结构下径向截面面积比、气隙长度、绕组径向/轴向厚度等结构参数对电动势和定位力的影响。在此基础上,讨论了有效降低电动势波形畸变率和定位力、提高电动势幅值的方法,以完成TPMLG结构参数的优化,并讨论了空载和负载情况下TPMLG的输出特性;结合结构方案的对比、电压波形质量分析、带载运行特性讨论,提出了外径、体积等结构参数限制下TPMLG高功率密度设计的准则。在发电模型建立方面,采用有限元法提取TPMLG磁链等电磁参数作为输入量,结合小振幅波理论,建立基于波浪运动的发电系统数学模型;讨论波浪能的波幅、周期因素对发电机输出性能的影响,总结得到波浪能波幅、周期对发电机输出性能相关性的内在规律,为后续系统模型的精确建立提供理论指导。
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