网标灯用Halbach式永磁直线发电机仿真设计

2015-05-07宋伟彭欣

机械工程师 2015年5期

宋伟，彭欣

（浙江大学舟山海洋研究中心，浙江舟山316021）

0 引言

网标灯是帆张网、流刺网等海洋捕捞网具在夜间作业所必需的照明工具，其能够标识渔网的作业范围，避免其它渔船在该区域重复撒网作业，并警示过往船舶绕开布网海域。目前，网标灯普遍采用干电池供电，所产生的废旧干电池大多被渔民随手扔入海中，这导致海水重金属严重超标，严重地污染了海洋生态环境［1］。

针对该问题，本文提出一种利用波浪能发电的点吸收式网标灯，其基本工作原理如图1所示［2］：浮子俘获波浪能，带动永磁直线发电机的动子运动，进而将波浪能转换为电能，以提供给网标灯工作。

图1 点吸收式波浪能发电工作原理

永磁直线发电机是该网标灯的关键部件。本文所选取的直线发电机为动圈式圆筒型结构，永磁体充磁方式为Halbach阵列结构；利用JMAG电磁仿真软件对比分析了不同Halbach阵列对直线发电机工作性能的影响，确定了直线发电机的最优永磁体阵列结构。

1 Halbach式直线发电机

19世纪80年代，美国Klaus Halbach发明了Halbach永磁体阵列结构，其采用特殊的磁体单元排列，增强阵列一侧的磁场而减弱另一侧的磁场［3］。该特点使得采用Halbach永磁体阵列的电机具有功率密度大、齿槽效应力矩小、动子可采用非铁心材料、永磁体利用率高、可采用无槽结构等优点［4］。

图2 常见的Halbach永磁体阵列

常见的Halbach永磁体阵列如图2所示。其中：图2（a）为径向充磁结构，其通常需要动子轭部导磁以形成完整的磁回路，因而径向结构较大、动子质量较大；图2（b）为轴向充磁结构，永磁体阵列没有轭部导磁的限制，通过2块永磁体之间的导磁材料将轴向磁场转为径向；图2（c）所示的Halbach阵列不需要动子轭部导磁，也不需要在2块永磁体之间安装导磁材料，其通过径向、轴向充磁永磁体的间隔排列，以获得特殊的空间磁场分布；图2（d）所示Halbach阵列中永磁体充磁方向更为复杂，相比图2（c）所示的永磁体阵列，能够产生更接近正弦（或余弦）曲线的空间磁场分布。

虽然图2（d）所示Halbach阵列能够获得更好的空间磁场分布，但永磁体充磁难度更大，成本更高。因而，本文只对图2（a）～（c）所示Halbach永磁体阵列做磁场分析，以获得最优永磁体阵列结构。为了方便描述，分别称上述3种阵列为径向结构、轴向结构和Halbach结构。

不同于已有波浪能发电装置，网标灯应具备体积小、重量轻和成本低等特点，且本文所讨论网标灯的外形尺寸要求不大于 50 mm×50 mm×100 mm（不包含浮子）。因而，网标灯直线发电机的永磁体基本结构参数如表1所示。

表1 网标灯直线发电机永磁体结构参数

2 电磁场仿真模型

本文利用JMAG电磁仿真软件建立网标灯直线发电机的轴对称结构电磁场模型，如图3所示。

图3 直线发电机电磁场模型

2.1 线圈

该直线发电机的动子共有6个磁极、5个线圈，相邻槽线圈的绕向相反，所有线圈连接在一起，其等效电路如图4所示。其中，绕向相同的线圈视为同一个线圈，即标号CO1的3个线圈视为Coil1，标号CO2的2个线圈视为Coil2。由于线圈匝数与绕线线径有关，在此假设Coil1共有150圈、电阻5Ω，Coil2共有 100圈、电阻3.3Ω。

图4 直线发电机电磁场模型

2.2 永磁体

根据永磁体阵列结构的不同，直线发电机的静子具有不同的组成。1）对径向结构和轴向结构，动子由永磁体和磁导体组成。其中，永磁体根据充磁方向可分为2组，标号分别为PM1和PM2，PM1共有4块，PM2共有3块；永磁体中间为磁导体，标号为YK。2）对Halbach结构，动子由永磁体组成，根据充磁方向可分为4组，标号分别为 PM1、PM2、PM3 和 PM4，PM1 有 4 块，PM2、PM3和PM4都分别共有3块。

2.3 材料

永磁体材料选用铷铁硼，材料库对应牌号为NEOMAX-42，其性能曲线如图5所示。磁导体材料选用硅钢，材料库对应牌号为35H210，其性能曲线如图6所示。线圈材料为铜。

图5NEOMAX-42材料性能曲线

图6 35H210材料性能曲线

3 仿真结果

在此考察动子运动速度为1 m/s时，不同阵列结构所对应的电磁场变化。

当动子移动位移为1个极距时，磁感线的分布如图7所示。易知，轴向结构和Halbach结构的动子具有较好的磁回路；而该两种结构中，轴向结构的静子具有较均匀的磁回路。

图7 磁感线分布

图8和图9是该过程中的电压和功率变化曲线。易知，动子运动过程中的电压呈交变变化，即生成单相交流电。在该3种阵列结构中，轴向结构和Halbach结构能够产生较大的电压和功率，且两者有着近似的变化曲线。其中，轴向结构具有最大的电压和功率，最大电压值约为-28.2 V，最大功率值约为0.044 W。考虑到永磁体加工成本，轴向结构是该3种结构中的最优阵列。