CN101355284A - 一种波浪直驱动式直线磁阻发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪直驱动式直线磁阻发电系统，包括一个发电机、一个功率变换器和一个逆变器，发电机的初极三相绕组输出连接功率变换器的输入，功率变换器的输出连接逆变器，逆变器的输出连接电网或用户负载，其特征在于，所述发电机为一个直驱动式直线开关磁阻发电机，其包括嵌有三相绕组的初极铁芯和置于初极铁芯中的带齿槽的次极动子，初极铁芯、次极动子均由硅钢片叠成，所述次极动子下端通过一个弹性部件固定在发电机底座上，次极动子上端弹性连接波能吸收装置。本发明以直线开关磁阻发电机替代永磁同步直线电机，省去二级能量转换装置，既可简化发电系统的结构和体积，提高波能发电效率，又避免了永磁体的腐蚀、失磁等问题。

Description

一种波浪直驱动式直线磁阻发电系统

技术领域

本发明涉及一种波能转换装置，特别涉及一种波浪直驱动式直线磁阻发电系统。

背景技术

波浪发电作为波能利用的主要方式，它是通过波浪能转换装置，将波浪能首先转换为机械能，再最终转换成电能。目前波浪能利用装置的种类很多，总结现有波浪能利用装置的特点，可知现有的波浪能利用装置一般源于以下几种基本原理：1)利用物体在波浪作用下的振荡和摆动；2)利用波浪压力的变化；2)利用波浪的沿岸爬升将波浪能转化为水的势能。现有的波浪发电装置大都可看作为一个包括三级能量转换的系统，一级能量转换机构直接与波浪相互作用，将波浪能转换成装置的动能，或水的位能或中间介质(如空气)的动能与压能；二级能量转换机构将一级能量转换得到的能量再转换成旋转机械的动能，如水力透平、液压马达等；三级能量转换将旋转机械的动能通过发电机转换成电能。

分析已有的波能转换技术可知，虽然过去几十年中波能转换技术得到快速发展，建造技术趋于成熟，能量转换效率成倍增加，特别是多共振振荡水柱，对称翼透平和相位控制技术的发展以及后弯管装置和聚波水库等技术的应用起到关键作用，但是其主要研究集中在一级能量转换，即波能的获取。电能的转换大都采用高速旋转发电机，如异步电机、同步电机。波浪的典型波速为0.5～2米/秒，为提升如此低的速度以驱动高速旋转发电机，通常采用液压、气压装置。可见将低速的波运动转换为高速旋转运动去驱动高速旋转发电机是波能利用中最大的瓶颈。如果用波的运动直接驱动直线运动的发电机，可以省去普通波能转换装置的升速环节，从而解决了二级能量转换效率低的问题，也使得整个波能转换装置大大简化。目前波浪发电中涉及的直线电机主要有圆筒型永磁直线电机、双边纵向磁通永磁直线电机、横向磁通永磁直线电机、游标尺型永磁直线电机等，其各有优缺点。

专利号为“CN101106316A”、名称为“用于海浪发电的直线发电机”的专利，公开了一种永磁直线同步电机，包括电机初极铁芯、初极三相绕组、电机次极永磁体通过弹簧安装在浮标上，电机初次极均为长方形结构。利用波浪压力变化直接驱动直线发电机动子永磁体往复运动，切割直线电机初极绕组产生感生电势，再利用变频装置将发出的电能转换为工频，从而供给用户或电网。专利号为“CN1603610A”的专利公开了一种“基于永磁振子的波浪发电装置”，其特征在于：该装置中心有一个重锤，通过钢丝绳连接多个发电机的永磁振子做往复运动，通过电磁感应使安放在发电机定子上的绕组输出电能。上述永磁类直线电机具有较高的功率密度，但因为永磁体的使用及其造价高，同时永磁体在恶劣环境下容易失磁和锈蚀，影响其长期运行的可靠性和经济性。

发明内容

为了解决现有波能发电装置所存在的长期运行的可靠性较差、造价高不经济等问题，本发明提供了一种波浪直驱动式直线磁阻发电系统，可简化波能发电系统的结构和体积，省去二级能量转换装置，提高波能发电效率，同时可避免永磁体的腐蚀、失磁。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种波浪直驱动式直线磁阻发电系统，包括一个发电机、一个功率变换器和一个逆变器，发电机的初极三相绕组输出连接功率变换器的输入，功率变换器的输出连接逆变器，逆变器的输出连接电网或用户负载，其特征在于，所述发电机为一个直驱动式直线开关磁阻发电机，其包括嵌有三相绕组的初极铁芯和置于初极铁芯中的带齿槽的次极动子，初极铁芯、次极动子均由硅钢片叠成，所述次极动子下端通过一个弹性部件固定在发电机底座上，次极动子上端弹性连接波能吸收装置。

上述方案中，所述初极铁芯及次极动子为平面矩形双边结构，其可以做成定子6齿极/转子4齿极、或定子12齿极/转子8齿极结构。初极铁芯及次极动子也可为圆筒型形结构，即初极铁芯由硅钢片叠成圆筒形，初极绕组为饼式线圈，依次叠压在圆筒铁芯布线槽内；次极动子由硅钢片叠成带齿槽的环状铁芯，并紧套于一个非导磁的实心金属圆柱体外径上，环状铁芯外层再由由一个不导磁金属薄壁圆筒紧箍。

本发明提出将直线开关磁阻发电机应用于波能转换装置，利用波能直接驱动直线开关磁阻电机发电运行，从而可省去波能发电系统中的二级能量转换装置，解决普通波能转换装置二级能量转换效率低的问题。本发明直线开关磁阻电机为初、次极凸极结构，初极集中绕组、次极无绕组，尤其是次极铁芯采用带齿槽的硅钢片叠片而成，并由不导磁金属薄壁圆筒紧箍的结构，由于不采用永磁，可避免永磁动子的腐蚀和失磁等问题。与现有技术相比，本发明以直驱动式直线开关磁阻发电机代替永磁同步直线电机，既实现了波能的直接转换，又避免了永磁体的腐蚀、失磁等问题，具有结构简单、造价低、容错性好、维护简单及适宜长期可靠运行等优点。

附图说明

图1为本发明发电系统结构图。图中：1-波能吸收装置；2-直线开关磁阻发电机；3-功率变换单元；4-逆变单元；5-直线开关磁阻发电机初极(定子)；6-初极三相绕组；7-具有齿槽的次极(动子)；8-弹簧。

图2为图1中直线开关磁阻发电机的一种双边型结构的剖面图。图中：5a-矩形初极叠片；7a-次极(动子)叠片；9-初极齿；10-次极齿。

图3为图1中直线开关磁阻发电机的另一种圆筒型结构的剖面图。图中：5b-筒形叠片初极铁芯；7b-环状次极(动子)叠片；11-实心金属圆柱体；12-薄壁圆筒。

图4为图1中功率变换器的电路原理图，其为典型的不对称半桥拓扑结构。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

结合1、图2和图4，本发明波浪发电系统包括波能吸收装置1、直线开关磁阻发电机2、功率变换单元3及逆变单元4。其中直线开关磁阻发电机2由硅钢片叠成的初极5a、初极三相绕组6及硅钢片叠成的具有齿槽的次极7a构成。动子7下端通过弹簧8安装于发电机底座上，动子7上端与波能吸收装置1弹性连接。整个发电系统可由容器安装在海底，运行时波浪的运动带置于水下或水面的波能吸收装置1上下运动，由此带动直线开关磁阻发电机2的动子7上下运动。波能吸收装置1具有在共振频率下获得最大能量的特点，这就要求发电系统运动部分实现调谐控制，满足在不同的波速下，直线开关磁阻电机始终工作在系统的共振频率，从而始终具有吸收最大波能的特点，获得最佳的发电性能，从而在直线开关磁阻发电机的各相绕组中产生电能。幅值和频率变化的电能通过功率变换单元3和逆变单元4变为工频电能，供给用户或电网。本实施方式中直线开关磁阻发电机的初极铁芯及次极动子为平面型、双边结构，如图2中所示。初极为矩形叠片5a、次极为矩形带齿槽叠片7a。其可以做成定子6齿极/转子4齿极、或定子12齿极/转子8齿极等结构。该结构可以提高发电机的输出力，从而进一步提高发电机的功率密度，同时消除单边磁拉力造成的影响。

实施例二

结合图1、图3和图4，在实施例一的基础上，将图2所示的初极铁芯及次极动子双边型结构替换为图3所示的圆筒型结构。该圆筒型型开关磁阻直线电机初极铁芯叠片为筒型铁芯5b、初极绕组6为饼式线圈，依次叠压在圆筒铁芯布线槽内；次极动子由硅钢片叠成带齿槽的环状铁芯7b，并紧套于一个非导磁的实心金属圆柱体11的外径上，外层再由一个不导磁金属薄壁圆筒12紧箍。相对于单边型结构和双边型结构，圆筒型结构的优点是漏磁少，效率更高。

本发明提出的波浪发电用直线磁阻发电机的工作原理如下所述。当磁路不饱合时，直线开关磁阻电机产生的电磁力如式(1)所示。

$F=\frac{1}{2}{i}^2\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dx}}---\left(1\right)$

式(1)中，i是相电流，L是相绕组电感，x是动子位移。由式(1)可知直线开关磁阻电机电磁力取决于相电流脉冲和相电感的变化率dL/dx。一般而言，当定子5凸极中心线与动子7凹槽中心线重合时，相电感最小。当定子、动子凸极中心线对准时，相电感达到最大值。因此，随着动子的运动，相电感在最小值与最大值间连续变化。当在相电感增加(dL/dx＞0)区域，直线开关磁阻电机需要作电动运行，触发该相功率开关器件，相绕组电流接通，电磁力与动子运动方向相同，直线开关磁阻电机电动运行。当达到最大电感后，进入相电感减少区域。在相电感减少区域(dL/dx＜0)，电磁力与运动方向相反，波浪机械能转化为电能，此时开关磁阻电机作发电运行。发电运行时，开关磁阻电机的发电控制可分为自励和他励两种控制模式，直流励磁电压即可以由蓄电池直接提供，也可以通过对交流电整流得到。

Claims (3)

1.一种波浪直驱动式直线磁阻发电系统，包括一个发电机、一个功率变换器和一个逆变器，发电机的初极三相绕组输出连接功率变换器的输入，功率变换器的输出连接逆变器，逆变器的输出连接电网或用户负载，其特征在于，所述发电机为一个直驱动式直线开关磁阻发电机，其包括嵌有三相绕组的初极铁芯和置于初极铁芯中的带齿槽的次极动子，初极铁芯、次极动子均由硅钢片叠成，所述次极动子下端通过一个弹性部件固定在发电机底座上，次极动子上端弹性连接波能吸收装置。

2.如权利要求1所述的波浪直驱动式直线磁阻发电系统，其特征在于，所述初极铁芯及次极动子为平面矩形双边结构，其可以做成定子6齿极/转子4齿极，或定子12齿极/转子8齿极结构。

3.如权利要求1所述的波浪直驱动式直线磁阻发电系统，其特征在于，所述初极铁芯及次极动子为圆筒型形结构，即初极铁芯由硅钢片叠成圆筒形，初极绕组为饼式线圈，依次叠压在圆筒铁芯布线槽内；次极动子由硅钢片叠成带齿槽的环状铁芯，并紧套于一个非导磁的实心金属圆柱体外径上，环状铁芯外层再由由一个不导磁金属薄壁圆筒紧箍。

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