CN102570770A - 低速大转矩永磁游标直线波浪发电机 - Google Patents

低速大转矩永磁游标直线波浪发电机 Download PDF

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张丽
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Abstract

本发明涉及一种低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，该电机包括电机初级、与电极初级隔有气隙的电机次级；电机初级包括圆柱状的初级铁芯(1)、初级绕组(2)、磁通调制极(3)；初级铁芯(1)的外周设有突出其表面的凸齿，在凸齿上设有磁通调制极(3)，初级绕组(2)嵌入初级铁芯(1)的相邻凸齿之间的线槽内，初级铁芯(1)固定于水底；电机次级包括永磁体(4)、圆筒状的动子铁芯(5)、浮筒(6)；低速侧的永磁体(4)沿圆筒状的动子铁芯(5)表面轴向等间距分布，动子铁芯(5)固定在浮筒(6)内。本发明能提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低动子铁芯磁轭的磁通密度及铁芯损耗。

Description

低速大转矩永磁游标直线波浪发电机
技术领域
本发明涉及一种Halbach低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，属于波浪发电技术领域。
背景技术
水体蕴藏着巨大的能量，在世界能源日益紧张的今天，波浪发电成为发展新能源的重要方向。而传统波浪发电机所采用的是旋转电机，在低速时效率低、耐久性差，成为制约波浪发电发展的重要因素。近年来，我国学者提出采用直线电机直接利用波浪的上下垂直位移作为动力，驱动电机次级直线运动产生电能，可使整个系统效率提高、寿命增长等。但是由于波浪运动速度较低，传统采用齿轮箱作为中间环节进行调速，以增加电机次级速度，而齿轮箱使整个传动系统体积和重量增加，同时还有噪声、磨损、响应时间长等问题。
若采用Halbach低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，通过初级铁芯上磁通调制极的引入，省去了传统磁齿轮中的高速侧以及独立的调磁环结构，使得电机结构更为简单，既可以调节速度，又解决了机械齿轮传动系统噪声高、效率低、传输精度低、响应慢、机械磨损等问题。因此，有必要提出一种的直线电机装置以推动波浪发电的发展。
发明内容
技术问题：本发明针对波浪发电现有技术的缺陷，提出一种低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，利用电机初级铁芯上磁通调制极的调制作用，省去传统磁齿轮结构中的调磁环以及磁齿轮高速侧，将磁齿轮低速侧作为电机次级永磁体，使结构更加简单，并减少了电机损耗、体积和重量，提高了效率和耐久性。同时次级永磁体采用特殊的Halbach阵列，可以提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，减少动子铁芯磁轭的磁通密度，降低铁芯损耗。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，该电机包括电机初级、与电极初级隔有气隙的电机次级；
电机初级包括圆柱状的初级铁芯、初级绕组、磁通调制极；初级铁芯的外周设有突出其表面的凸齿，在凸齿上设有磁通调制极，初级绕组嵌入初级铁芯的相邻凸齿之间的线槽内，初级铁芯固定于水底；
电机次级包括永磁体、圆筒状的动子铁芯、浮筒；低速侧的永磁体沿圆筒状的动子铁芯表面轴向等间距分布，动子铁芯固定在浮筒内，动子铁芯和浮筒作为一个整体漂浮在水面上。
优选的，动子铁芯与初级绕组之间有气隙。
优选的，永磁体的材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份，每份充磁方向不同，使磁场沿轴向按正弦分布。
优选的，电机初级铁芯和动子铁芯材料均为硅钢片。
优选的，浮筒材料为不导磁材料。
优选的，永磁体极对数nr与初级绕组极对数np之和为磁通调制极的个数ns。
有益效果：
（1）    省去了机械变速齿轮箱，不存在齿轮箱的机械磨损、维护和噪音问题，提高了电机可靠性。同时提高了电机转速，减小了电机的体积、重量和制造成本；
（2）    电机为单气隙结构，加工工艺简单，稳定性及可靠性得到提高；
（3）    电机中有更多的磁力线通过气隙，因此气隙磁通密度的有效谐波成份值比普通磁场调制式永磁电机高，输出转矩增大；
（4）    电机动子铁芯磁轭磁通密度可以大量减少，这将减少动子铁芯磁轭铁芯损耗，缩小动子铁芯轭部大小，节省材料；
（5）    电机次级永磁体之间通过铁心隔离，阻断了各永磁体中涡流电流的相互流动，降低了永磁体中的涡流损耗；
（6）    动子铁芯采用高磁能积钕铁硼励磁，没有滑环和电刷，无需外加电源励磁，具有结构简单、体积小重量轻、功率密度高、效率高以及可靠性好等优点。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中有：初级铁芯1、初级绕组2、磁通调制极3、永磁体4、动子铁芯5、浮筒6、水面7；
图2为本发明磁齿轮低速侧局部永磁体充磁方向示意图；
其中有：初级铁芯1、初级绕组2、磁通调制极3、永磁体4、动子铁芯5。
永磁体4每个极被分成三份，图中箭头所指方向为该份永磁体的充磁方向，每份永磁体的宽度和充磁方向均可调节，以达到最大的功率输出。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明涉及一种低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，它通过电机初级铁芯上磁通调制极的磁场调制作用，能在保证磁齿轮电机优点的同时省去传统磁齿轮结构中的调磁环以及磁齿轮的高速侧，解决了波浪发电中所用电机装置体积大、系统复杂、效率低等缺点。它将传统磁齿轮的高速侧省去，实现了磁齿轮与直线电机的整合。
参见图1，图2，本发明提供的低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，电机初级、与电极初级隔有气隙的电机次级；
电机初级包括圆柱状的初级铁芯1、初级绕组2、磁通调制极3；初级铁芯1的外周设有突出其表面的凸齿，在凸齿上设有磁通调制极3，初级绕组2嵌入初级铁芯1的相邻凸齿之间的线槽内，初级铁芯(1)固定于水底；
电机次级包括永磁体4、圆筒状的动子铁芯5、浮筒6；低速侧的永磁体4沿圆筒状的动子铁芯5表面轴向等间距分布，动子铁芯5固定在浮筒6内，动子铁芯5和浮筒6作为一个整体漂浮在水面7上。
动子铁芯5与初级绕组2之间有气隙。
永磁体4的材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份，每份充磁方向不同，使磁场沿轴向按正弦分布。
电机初级铁芯1和动子铁芯5材料均为硅钢片。
浮筒6材料为不导磁材料。
永磁体4极对数nr与初级绕组2极对数np之和为磁通调制极3的个数ns。
磁齿轮低速侧即为次级永磁体4，永磁体沿圆筒轴向均匀贴在动子铁芯5表面，动子铁芯5固定在浮筒6内，它们作为一个整体漂浮在水面7上。永磁体极对数nr与初级绕组极对数np之和为磁通调制极3的个数ns。初级绕组磁场极对数与次级永磁体极对数之比即为该电机可实现的速度变比。电机动子铁芯5上采用新的Halbach阵列，和径向充磁普通磁场调制式永磁电机相比，由于可以利用有限元优化调整永磁体宽度比以及充磁方向，所以它能提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低动子铁芯磁轭的磁通密度及铁芯损耗。
本发明提出的低速大转矩永磁游标直线波浪发电机用于离岸波浪发电，利用波浪起伏运动直接推动浮筒上下运动，使固定在浮筒内的次级永磁体产生的磁场经过磁通调制极的调制作用，切割处于静止状态的初级绕组，产生感应电动势。由于磁通调制极的调制作用，可以调节磁场的大小，因此可以实现相当于使动子增速的作用，达到动子低速时初级绕组内感应高电动势的效果，再用变频装置将产生的电动势转化为工频，就可以将电能输送给用户或电网。
本发明的低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，该电机将包括电机初级、电机次级；电机初级包括圆柱状的初级铁芯、初级绕组、磁通调制极；初级铁芯采用凸极嵌入式游标结构，初级铁芯上凸极的小齿部分即为磁通调制极，初级绕组嵌入初级铁芯的线槽内，初级铁芯固定于水底；电机次级包括永磁体、圆筒状的动子铁芯、浮筒；磁齿轮低速侧即为次级永磁体，它沿圆筒状的动子铁芯表面轴向均匀分布，动子铁芯固定在浮筒内，它们作为一个整体漂浮在水面上。
所述的永磁体是由多个径向充磁的钕铁硼制成的环，沿轴向分布构成圆筒形，并均匀贴在动子铁芯表面，每块永磁体按一定比例分成三份，每份充磁方向不同，使磁场沿轴向按正弦分布。
所述的永磁体采用特殊的Halbach阵列，利用有限元可以优化调整永磁体宽度比以及充磁方向，和径向充磁普通磁场调制式永磁电机相比，它能提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低动子铁芯磁轭的磁通密度及铁芯损耗。
当波浪推动浮筒以速度                                               
Figure 2012100138084100002DEST_PATH_IMAGE002
上下直线运动时，通过磁通调制极的磁场调制作用，在初级气隙中调制出的磁场的速度为，该磁场与电机初级绕组产生相对运动发出电能。
本发明是低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，磁通调制极3代替了调磁环来进行磁场调制，磁齿轮低速侧即为次级永磁体4，它沿圆筒轴向均匀贴在动子铁芯5表面，动子铁芯5固定在浮筒6内，它们作为一个整体漂浮在水面7上。永磁体极对数nr与初级绕组极对数np之和为磁通调制极3的个数ns，初级绕组磁场极对数与永磁体极对数之比即为该电机可实现的速度变比。
所述的初级绕组2采用分布式绕组，以减少感应电动势谐波分量。
所述的永磁体4是由多个径向充磁的钕铁硼制成的环，沿轴向分布构成圆筒形，并均匀贴在动子铁芯表面，每块永磁体按一定比例分成三份，每份充磁方向不同，使磁场沿轴向按正弦分布。
本发明基于磁通调制极的空间磁场调制原理，利用空间谐波传递磁场和能量，电机的磁路形式为圆筒环向磁路。当波浪推动浮筒以速度
Figure 936718DEST_PATH_IMAGE002
上下运动时，固定在浮筒内的永磁体产生的磁场经过磁通调制极的调制作用，在靠近初级绕组的气隙中产生一个沿圆筒轴向平移的调制波磁场，其速度为，该磁场与电机初级绕组产生相对运动，切割产生感应电动势发出电能。速度变比等于磁齿轮低速侧永磁体数nr与初级绕组磁场极对数np之比。通常情况下，永磁体数nr大于初级绕组磁场极对数np，所以这可实现电机在低速条件下发电运行。
该电机次级永磁体采用特殊的Halbach阵列，利用有限元优化调整永磁体宽度比以及充磁方向，可以提供更大的有效磁场谐波成份和输出转矩，降低动子铁芯磁轭的磁通密度及铁芯损耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1. 一种低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，其特征在于:该电机包括电机初级、与电极初级隔有气隙的电机次级；
电机初级包括圆柱状的初级铁芯(1)、初级绕组(2)、磁通调制极(3)；初级铁芯(1)的外周设有突出其表面的凸齿，在凸齿上设有磁通调制极(3)，初级绕组(2)嵌入初级铁芯(1)的相邻凸齿之间的线槽内，初级铁芯(1)固定于水底；
电机次级包括永磁体(4)、圆筒状的动子铁芯(5)、浮筒(6)；低速侧的永磁体(4)沿圆筒状的动子铁芯(5)表面轴向等间距分布，动子铁芯(5)固定在浮筒(6)内，动子铁芯（5）和浮筒（6）作为一个整体漂浮在水面(7)上。
2. 根据权利要求1所述的低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，其特征在于:动子铁芯(5)与初级绕组(2)之间有气隙。
3. 根据权利要求1所述的低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，其特征在于:永磁体(4)的材料为钕铁硼，每块永磁体分成三份，每份充磁方向不同，使磁场沿轴向按正弦分布。
4. 根据权利要求1所述的低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，其特征在于:电机初级铁芯(1)和动子铁芯(5)材料均为硅钢片。
5.根据权利要求1所述的低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，其特征在于:浮筒(6)材料为不导磁材料。
6.根据权利要求1所述的低速大转矩永磁游标直线波浪发电机，其特征在于:永磁体（4）极对数nr与初级绕组（2）极对数np之和为磁通调制极（3）的个数ns。
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