網標燈用Halbach式永磁直線發電機仿真設計

宋偉， 彭欣

（浙江大學舟山海洋研究中心，浙江舟山316021）

0 引言

網標燈是帆張網、流刺網等海洋捕撈網具在夜間作業所必需的照明工具，其能夠標識漁網的作業范圍，避免其它漁船在該區域重復撒網作業，并警示過往船舶繞開布網海域。目前，網標燈普遍采用干電池供電，所產生的廢舊干電池大多被漁民隨手扔入海中，這導致海水重金屬嚴重超標，嚴重地污染了海洋生態環境［1］。

針對該問題，本文提出一種利用波浪能發電的點吸收式網標燈，其基本工作原理如圖1所示［2］：浮子俘獲波浪能，帶動永磁直線發電機的動子運動，進而將波浪能轉換為電能，以提供給網標燈工作。

圖1 點吸收式波浪能發電工作原理

永磁直線發電機是該網標燈的關鍵部件。本文所選取的直線發電機為動圈式圓筒型結構，永磁體充磁方式為Halbach陣列結構；利用JMAG電磁仿真軟件對比分析了不同Halbach陣列對直線發電機工作性能的影響，確定了直線發電機的最優永磁體陣列結構。

1 Halbach式直線發電機

19世紀80年代，美國Klaus Halbach發明了Halbach永磁體陣列結構，其采用特殊的磁體單元排列，增強陣列一側的磁場而減弱另一側的磁場［3］。該特點使得采用Halbach永磁體陣列的電機具有功率密度大、齒槽效應力矩小、動子可采用非鐵心材料、永磁體利用率高、可采用無槽結構等優點［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）為徑向充磁結構，其通常需要動子軛部導磁以形成完整的磁回路，因而徑向結構較大、動子質量較大；圖2（b）為軸向充磁結構，永磁體陣列沒有軛部導磁的限制，通過2塊永磁體之間的導磁材料將軸向磁場轉為徑向；圖2（c）所示的Halbach陣列不需要動子軛部導磁，也不需要在2塊永磁體之間安裝導磁材料，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雜，相比圖2（c）所示的永磁體陣列，能夠產生更接近正弦（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，以獲得最優永磁體陣列結構。為了方便描述，分別稱上述3種陣列為徑向結構、軸向結構和Halbach結構。

不同于已有波浪能發電裝置，網標燈應具備體積小、重量輕和成本低等特點，且本文所討論網標燈的外形尺寸要求不大于 50 mm×50 mm×100 mm（不包含浮子）。因而，網標燈直線發電機的永磁體基本結構參數如表1所示。

表1 網標燈直線發電機永磁體結構參數

2 電磁場仿真模型

本文利用JMAG電磁仿真軟件建立網標燈直線發電機的軸對稱結構電磁場模型，如圖3所示。

圖3 直線發電機電磁場模型

2.1 線圈

該直線發電機的動子共有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，即標號CO1的3個線圈視為Coil1，標號CO2的2個線圈視為Coil2。由于線圈匝數與繞線線徑有關，在此假設Coil1共有150圈、電阻5Ω，Coil2共有 100圈、電阻3.3Ω。

圖4 直線發電機電磁場模型

2.2 永磁體

根據永磁體陣列結構的不同，直線發電機的靜子具有不同的組成。1）對徑向結構和軸向結構，動子由永磁體和磁導體組成。其中，永磁體根據充磁方向可分為2組，標號分別為PM1和PM2，PM1共有4塊，PM2共有3塊；永磁體中間為磁導體，標號為YK。2）對Halbach結構，動子由永磁體組成，根據充磁方向可分為4組，標號分別為 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，材料庫對應牌號為NEOMAX-42，其性能曲線如圖5所示。磁導體材料選用硅鋼，材料庫對應牌號為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 仿真結果

在此考察動子運動速度為1 m/s時，不同陣列結構所對應的電磁場變化。

當動子移動位移為1個極距時，磁感線的分布如圖7所示。易知，軸向結構和Halbach結構的動子具有較好的磁回路；而該兩種結構中，軸向結構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種陣列結構中，軸向結構和Halbach結構能夠產生較大的電壓和功率，且兩者有著近似的變化曲線。其中，軸向結構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?？紤]到永磁體加工成本，軸向結構是該3種結構中的最優陣列。

圖8 電壓變化

圖9 功率變化

4結語

本文運用JMAG電磁仿真軟件分析了常見的3種永磁體Halbach陣列對直線發電機工作性能的影響，發現軸向結構能夠產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，本文確定直線發電機的永磁體采用軸向Halbach陣列結構。

［1］ 甘豐錄.新型網標燈治污染［N］.中國船舶報,2010-12-15.

［2］ 訚耀保.海洋波浪能綜合利用［M］.上海：上?？茖W技術出版社,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值模擬與波浪能資源分析［D］.杭州：浙江工業大學,2013.