与太阳能和风能等形式可再生能源相比,波浪能具有能量密度高、蕴藏量丰富和传播损耗少等优点,因此合理开发利用波浪能对解决全球环境问题和能源危机具有重要意义,也为实现我国生态文明建设、海洋强国和一带一路等国家战略目标提供有力保障。直驱式波浪发电系统采用直线发电机将海洋能直接转化成电能,从而省去液压马达、机械齿轮和水轮机等中间装置,结构简单、能量转化率高,在波浪能发电领域有着广阔的应用前景和市场效益。但由于我国波浪能平均密度较低,波浪运动普遍存在速度和频率低的特点,导致直驱式波浪直线发电机存在体积大、功率密度低、制造成本高等问题。本文在分析总结如今波浪直线发电机研究状况的基础上,提出了基于磁场调制原理的表贴式(FM-TLPMG)和基于聚磁效应的多层内嵌式(MI-TLPMG)两种拓扑结构圆筒型永磁直线发电机,分别对其工作原理进行阐述和分析,通过综合对比评估两种不同类型直线发电机的各项性能指标,旨在挑选出一种高功率密度、输出特性优秀且海洋生存能力强的新型拓扑结构,并在此基础上搭建直驱式波浪发电系统实验平台,探究此类电机在波浪环境下的优化控制方法,以提高波浪能转化效率,为实际应用奠定一定基础。论文主要研究内容包括以下几个方面:1.利用线性波浪理论分析了直驱式波浪发电系统在波浪水槽内的水动力特性,并结合磁场调制直线电机电磁解析模型,推导了该类型波浪直线发电机混合解析优化方法。采用频域法建立浮筒在波浪中的运动方程,分析计算浮筒所受激励力、辐射力、附加质量和阻尼系数,进而获得浮筒垂直运动位移和速度参数。利用浮筒与直线发电机具有相同运动规律的特点,通过磁场调制直线电机电磁场方程,在较短时间内给出直线发电机初步设计方案,为进一步性能优化奠定基础。通过波浪水槽实验和发电机电磁实验分别验证了水动力分析和电磁解析方法的正确性。2.建立了FM-TLPMG电机有限元模型,通过理论推导和电磁仿真详细阐述论证其运行原理,并对影响磁场调制效应的关键参数进行了分析。为进一步提高此类型电机的功率密度,提出并对比了不同充磁结构FM-TLPMG电机的电磁性能,如空载感应电动势、气隙磁场、空载磁链、绕组电感、定位力、电磁输出特性等。同时,为解决传统辅助齿结构存在的定位力优化和磁场调制功能相互耦合现象,提出了一种新型磁障式辅助齿结构,并对其进行了尺寸优化。最后研制了一台16极/12槽FM-TLPMG实验样机,并搭建了波浪模拟驱动平台,对样机性能进行了测试。3.提出了一种多层聚磁式圆筒型永磁直线发电机,推导了电机主要尺寸关系式,并给出了电机的基本拓扑结构。采用有限元方法分析了主磁极尺寸、辅助磁极层数和尺寸、初级齿宽、极靴几何参数对电机性能的影响。针对内嵌式直线电机定位力偏大的问题,提出了通过L型辅助齿和极间磁阻结构实现定位力优化。同时,考虑到定位力优化参数变量较多,本文利用Taguchi法设计试验计划,从而在保证优化效果的同时,降低工作量和时间成本。设计并制作了一台7极/6槽MI-TLPMG实验样机,并通过模拟平台和波浪水槽实验验证了有限元计算结果的有效性。分析对比FM-TLPMG和MI-TLPMG电机在电磁和机械方面的优缺点,选择性能突出的拓扑结构作为波浪发电系统的能量转化装置。4.推导了多层聚磁式圆筒型永磁直线电机在自然坐标系和同步旋转坐标系下的数学模型,包括电压平衡方程、磁链方程、推力方程和功率方程等,并结合有限元计算结果搭建了电机本体控制模型。依据线性波浪理论开展了波浪能跟踪和网侧逆变并网控制策略研究,建立了波浪发电系统控制模型,包括变流器模型、相位检测模型,机侧和网侧控制模型等,并对线性霍尔在波浪直线发电机电角度检测领域的可行性进行了研究。通过不断优化控制器和调节控制参数,最终实现了波浪能跟踪控制和逆变并网功能,为控制系统硬件平台搭建提供一定的理论参考和指导。5.根据控制系统仿真模型搭建了直驱式波浪发电系统控制实验平台,包括电流电压采样电路、线性霍尔检测电路、PWM驱动电路、变流器等。利用编程语言实现了坐标变化、波浪能跟踪、霍尔电角度计算、波浪运动速度计算和电网相角检测等功能。最后针对各个环节进行了调试,并对控制系统进行了实验测试。