关于低频状态下永磁同步直线发电机的电磁结构参数优化的文献综述
摘要
直线电机已经发展一百多年，随着技术的逐步 成熟以及新的稀土材料的问世，新型的直线电机已逐步投入商业运行，收到良好的效益，受到人们的青睐。随着电机的应用领域不断扩大，工作性能的要求越来越高，需求控制精度高、结构简单、振动小、噪声小及磁阻阻力小等特点的电机。因为无槽永磁直线同步电动机具有初级无开槽、绕组嵌放简单、槽满率高、温度系数低、磁阻阻力小、推力脉动小、控制精 度高以及工艺简单等特点，因此受到世界各国极大重视，成为电机研究领域的前沿课题和热点之一。作为一门新的研究课题，从目前所检索到的资料而言，国内基本没有开展，国外对无槽永磁直线同步电动机的研究还处于初级阶段，理论上还没有完善，在某种程度上它已经影响了该电机的应用发展。而Halbach结构充磁方式不但可以提高整个系统的效率，而且还利于环境保护。因此，急需加快对无槽永磁直线同步电动机的研究具有十分重要的意义。
关键词：参数优化 直线发电机 Halbach充磁
- 引言
目前移动式的发电机应用十分广泛，进出口的贸易额十分巨大。该发电机的工作原理大多数都是电励磁的工作方式，通过励磁绕组产生励磁磁场。因此由于励磁绕组会发热而消耗许多电能，从而效率不高。并且由于发热而导致励磁绕组易烧毁、断线、碳刷易损等问题也显著存在。在倡导绿色生活，节能减排的今天，这些缺点无法满足这些要求。而永磁同步直线发电机具有体积小，损耗低，效率高等优点，对其研究就显得非常有必要【1】。而直接利用直线运动机械能发电是电机史上的一次重大突破。相比于传统的旋转电机，直线电机省去了链条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠和涡轮等中间转换装置，克服了传统机构传动链条长、效率低、体积大、精度差的缺陷【2】。选择Halbach充磁方式不仅可以提高系统的效率，而且电机转子的材料选择有很大的余地，动子轭部也可以基本取消【3】。
- 本课题的背景和意义
永磁同步直线发电机的应用场合已经十分广泛不仅可以利用海洋波浪发电还可以利用在风力发电。但目前的设计专项性较强，在某一通用状态下的问题依然存在。虽然已经有各种各样的发电机面世，但还是有一些问题需要我们重视和解决，可以在降低一些损耗，提高一些效率。因此，本仿真针对在低频工作这一特定工作环境下，采用有限元分析的方式分析永磁直线电机其次级永磁体结构参数、永磁体材料、充磁方式及背铁厚度等对发电效率的影响,优化设计一种适合低频工作的永磁同步直线电机的次级结构尺寸，提高电机的发电效率，减小感应电动势畸变。
- 国内外概况
美国加利福尼亚Berkeley实验室的Klaus Halbach教授首先提出了Halbach永磁阵列的概念【3-4】， Halbach阵列是将不同磁化方向的永磁体按照一定的规律排列，使得永磁体阵列一侧的磁场显著增强而另一侧显著减弱，且很容易实现磁场的空间正弦分布。Halbach 磁体结构作为一种针对实际需要发展起来的永磁体结构，从它被提出 开始就引起广大学者的关注。Halbach阵列思想的发源地美国 Berkeley实验室，研究了最基本的两种Halbach阵列结构，曲面体 Halbach 阵列和平面 Halbach阵列的磁场分布。Sheffield大学的Z.Q.Zhu 教授较为系统地整理了Halbach 电机的各种理论，同时也对 Halbach电机做了较为深入的解析分析研究，提出了一套 Halbach电机设计方法，对Halbach电机的实际应用也做出了比较大的贡献，而且把 Halbach 磁体结构应用到了实际产品中【4-8】。
具体到应用，例如在车用发电机的发展过程中，车用发电机主要经历了为两个发展阶段：上世纪六十年代以前，车用发电机主要是直流发电机；上世纪六十年代以后到现在，人们主要采用硅整流发电机。直流发电机，利用电刷 和换向器，使交流电转变为直流电【9】。但是在换向时，由于摩擦，换向器与电刷之间常产生火花，容易导致电刷和换向器损坏，发电机转速越高，换向器的火花也越大，甚至产生火环而使发电机无法工作，直流发电机的工作转速一般3000rpm以上【10】。直流发电机结构和生产工艺比较复杂，其故障率也较高，已被市场淘汰。上世纪六十年代之后，交流发电机基本取代了直流发电机。交流发电机经过二极管整流，输出直流电，由于整流二极管是硅材料的，故也被称为硅整流发电机。目前，国内外车用发电机几乎都是硅整流发电机。这是因为交流发 电机与直流发电机相比，具有质晕轻、能节省大量铜材、维修方便、体积小、结构简单、寿命长、发动机低速时充电性能好、配用的调节器结构简单、产生的无线电干扰信号弱等优点，因此，自从硅整流交流发电机诞生以来得到了迅速的普及。硅整流交流发电机推广应用近半个世纪来，已完全取代了直流发电机。
在永磁电机的发展于永磁材料的研究密不可分，正如美国Dayton大学的K．J．Strant教授所说：稀土永磁材料的应用引起了电机的革命【11】。
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