網(wǎng)標(biāo)燈用Halbach式永磁直線發(fā)電機(jī)仿真設(shè)計(jì)

宋偉， 彭欣

（浙江大學(xué)舟山海洋研究中心，浙江舟山316021）

0 引言

網(wǎng)標(biāo)燈是帆張網(wǎng)、流刺網(wǎng)等海洋捕撈網(wǎng)具在夜間作業(yè)所必需的照明工具，其能夠標(biāo)識漁網(wǎng)的作業(yè)范圍，避免其它漁船在該區(qū)域重復(fù)撒網(wǎng)作業(yè)，并警示過往船舶繞開布網(wǎng)海域。目前，網(wǎng)標(biāo)燈普遍采用干電池供電，所產(chǎn)生的廢舊干電池大多被漁民隨手扔入海中，這導(dǎo)致海水重金屬嚴(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重地污染了海洋生態(tài)環(huán)境［1］。

針對該問題，本文提出一種利用波浪能發(fā)電的點(diǎn)吸收式網(wǎng)標(biāo)燈，其基本工作原理如圖1所示［2］：浮子俘獲波浪能，帶動永磁直線發(fā)電機(jī)的動子運(yùn)動，進(jìn)而將波浪能轉(zhuǎn)換為電能，以提供給網(wǎng)標(biāo)燈工作。

圖1 點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電工作原理

永磁直線發(fā)電機(jī)是該網(wǎng)標(biāo)燈的關(guān)鍵部件。本文所選取的直線發(fā)電機(jī)為動圈式圓筒型結(jié)構(gòu)，永磁體充磁方式為Halbach陣列結(jié)構(gòu)；利用JMAG電磁仿真軟件對比分析了不同Halbach陣列對直線發(fā)電機(jī)工作性能的影響，確定了直線發(fā)電機(jī)的最優(yōu)永磁體陣列結(jié)構(gòu)。

1 Halbach式直線發(fā)電機(jī)

19世紀(jì)80年代，美國Klaus Halbach發(fā)明了Halbach永磁體陣列結(jié)構(gòu)，其采用特殊的磁體單元排列，增強(qiáng)陣列一側(cè)的磁場而減弱另一側(cè)的磁場［3］。該特點(diǎn)使得采用Halbach永磁體陣列的電機(jī)具有功率密度大、齒槽效應(yīng)力矩小、動子可采用非鐵心材料、永磁體利用率高、可采用無槽結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)［4］。

圖2 常見的Halbach永磁體陣列

常見的Halbach永磁體陣列如圖2所示。其中：圖2（a）為徑向充磁結(jié)構(gòu)，其通常需要動子軛部導(dǎo)磁以形成完整的磁回路，因而徑向結(jié)構(gòu)較大、動子質(zhì)量較大；圖2（b）為軸向充磁結(jié)構(gòu)，永磁體陣列沒有軛部導(dǎo)磁的限制，通過2塊永磁體之間的導(dǎo)磁材料將軸向磁場轉(zhuǎn)為徑向；圖2（c）所示的Halbach陣列不需要動子軛部導(dǎo)磁，也不需要在2塊永磁體之間安裝導(dǎo)磁材料，其通過徑向、軸向充磁永磁體的間隔排列，以獲得特殊的空間磁場分布；圖2（d）所示Halbach陣列中永磁體充磁方向更為復(fù)雜，相比圖2（c）所示的永磁體陣列，能夠產(chǎn)生更接近正弦（或余弦）曲線的空間磁場分布。

雖然圖2（d）所示Halbach陣列能夠獲得更好的空間磁場分布，但永磁體充磁難度更大，成本更高。因而，本文只對圖2（a）～（c）所示Halbach永磁體陣列做磁場分析，以獲得最優(yōu)永磁體陣列結(jié)構(gòu)。為了方便描述，分別稱上述3種陣列為徑向結(jié)構(gòu)、軸向結(jié)構(gòu)和Halbach結(jié)構(gòu)。

不同于已有波浪能發(fā)電裝置，網(wǎng)標(biāo)燈應(yīng)具備體積小、重量輕和成本低等特點(diǎn)，且本文所討論網(wǎng)標(biāo)燈的外形尺寸要求不大于 50 mm×50 mm×100 mm（不包含浮子）。因而，網(wǎng)標(biāo)燈直線發(fā)電機(jī)的永磁體基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)標(biāo)燈直線發(fā)電機(jī)永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 電磁場仿真模型

本文利用JMAG電磁仿真軟件建立網(wǎng)標(biāo)燈直線發(fā)電機(jī)的軸對稱結(jié)構(gòu)電磁場模型，如圖3所示。

圖3 直線發(fā)電機(jī)電磁場模型

2.1 線圈

該直線發(fā)電機(jī)的動子共有6個磁極、5個線圈，相鄰槽線圈的繞向相反，所有線圈連接在一起，其等效電路如圖4所示。其中，繞向相同的線圈視為同一個線圈，即標(biāo)號CO1的3個線圈視為Coil1，標(biāo)號CO2的2個線圈視為Coil2。由于線圈匝數(shù)與繞線線徑有關(guān)，在此假設(shè)Coil1共有150圈、電阻5Ω，Coil2共有 100圈、電阻3.3Ω。

圖4 直線發(fā)電機(jī)電磁場模型

2.2 永磁體

根據(jù)永磁體陣列結(jié)構(gòu)的不同，直線發(fā)電機(jī)的靜子具有不同的組成。1）對徑向結(jié)構(gòu)和軸向結(jié)構(gòu)，動子由永磁體和磁導(dǎo)體組成。其中，永磁體根據(jù)充磁方向可分為2組，標(biāo)號分別為PM1和PM2，PM1共有4塊，PM2共有3塊；永磁體中間為磁導(dǎo)體，標(biāo)號為YK。2）對Halbach結(jié)構(gòu)，動子由永磁體組成，根據(jù)充磁方向可分為4組，標(biāo)號分別為 PM1、PM2、PM3 和 PM4，PM1 有 4 塊，PM2、PM3和PM4都分別共有3塊。

2.3 材料

永磁體材料選用銣鐵硼，材料庫對應(yīng)牌號為NEOMAX-42，其性能曲線如圖5所示。磁導(dǎo)體材料選用硅鋼，材料庫對應(yīng)牌號為35H210，其性能曲線如圖6所示。線圈材料為銅。

圖5NEOMAX-42材料性能曲線

圖6 35H210材料性能曲線

3 仿真結(jié)果

在此考察動子運(yùn)動速度為1 m/s時，不同陣列結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的電磁場變化。

當(dāng)動子移動位移為1個極距時，磁感線的分布如圖7所示。易知，軸向結(jié)構(gòu)和Halbach結(jié)構(gòu)的動子具有較好的磁回路；而該兩種結(jié)構(gòu)中，軸向結(jié)構(gòu)的靜子具有較均勻的磁回路。

圖7 磁感線分布

圖8和圖9是該過程中的電壓和功率變化曲線。易知，動子運(yùn)動過程中的電壓呈交變變化，即生成單相交流電。在該3種陣列結(jié)構(gòu)中，軸向結(jié)構(gòu)和Halbach結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大的電壓和功率，且兩者有著近似的變化曲線。其中，軸向結(jié)構(gòu)具有最大的電壓和功率，最大電壓值約為-28.2 V，最大功率值約為0.044 W。考慮到永磁體加工成本，軸向結(jié)構(gòu)是該3種結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)陣列。

圖8 電壓變化

圖9 功率變化

4結(jié)語

本文運(yùn)用JMAG電磁仿真軟件分析了常見的3種永磁體Halbach陣列對直線發(fā)電機(jī)工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)軸向結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大的電壓和功率，且具備較好的加工性能和較低的成本。因此，基于上述分析，本文確定直線發(fā)電機(jī)的永磁體采用軸向Halbach陣列結(jié)構(gòu)。

［1］ 甘豐錄.新型網(wǎng)標(biāo)燈治污染［N］.中國船舶報(bào),2010-12-15.

［2］ 訚耀保.海洋波浪能綜合利用［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,2013.

［3］ Halbach K.Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material［J］.Nuclear Instruments and Methods，1980，169（1）：1-10.

［4］ 蔣廷松.浙江省海域的波浪數(shù)值模擬與波浪能資源分析［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2013.