CN103807085A - 一种基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，包括电机定子铁心、电机转换器、调磁环、磁齿轮低速运动部件、内浮筒和外浮筒；电机转换器套设在电机定子铁心外侧，调磁环套设在电机转换器外侧，磁齿轮低速运动部件套设在调磁环外侧，内浮筒套设在磁齿轮低速运动部件外侧，外浮筒套设在内浮筒外侧；电机定子铁心和电机转换器之间形成第一气隙，电机转换器和调磁环之间形成第二气隙，调磁环和磁齿轮低速运动部件之间形成第三气隙；电机定子轴和调磁环位置固定，磁齿轮低速运动部件和内浮筒位置固定。本发明具有不需要额外增设庞大增速装置、体积较小、捕能以及发电效率高、整体的漂浮悬置结构便于电气控制系统的设计调试和维修等优点。

Description

一种基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及一种基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，是一种综合利用直线磁齿轮与永磁直线电机的波浪能发电装置。

背景技术

自20世纪70年代开始，随着生化能源的日益减少以及环境污染的加剧，在能源的摄取与应用上人们越来越青睐于无污染、清洁、可持续发展的可再生能源。波浪能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，与风能、太阳能相比，波浪能还具有功率密度大、可预测性强等优点，受到了国内外专家学者的关注。我国作为一个海洋大国，海岸线长超过1.8万千米，海岛岸线1.4万千米，波浪能资源丰富，根据中国沿海海洋观测站台的资料估算，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3*10⁷KW，若将其合理充分地利用，将会使得我国能源的结构更加合理，资源利用更加的充分。

传统利用波浪能发电的系统中多采用旋转电机，在低速时效率低下、耐久性差，从而严重制约了波浪发电技术的发展。近年来，有学者提出采用直线电机直接利用波浪的直线运动并将其转化为电能。然而，由于波浪上下振动的速度比较缓慢，所以不论是采用旋转电机还是直线电机，发电机的体积与质量一般较大，从而会带来制造成本高、安装调试维护困难等一系列的问题；如果采用传统齿轮箱或是液压系统来进行增速达到增加发电机动子速度的目的，必然会带来整体系统效率降低，维护复杂等问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，是一种将直线磁齿轮和永磁直线电机相结合的新型波浪能发电装置，能够解决由于波浪运动速度缓慢带来的一系列问题，完成增速传动的目的，并可以有效地减小电机的尺寸，更好地吸收波浪能，具有更好的经济效应。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，包括电机定子铁心、电机转换器、调磁环、磁齿轮低速运动部件、内浮筒和外浮筒；

所述电机定子铁心安装在电机定子轴上，电机定子轴的两端分别固定有一个圆杆，限制电机定子铁心相对电机定子轴的直线运动范围；在电机定子铁心的齿槽中嵌置有电机绕组；

所述电机转换器包括筒状的电机转换器永磁和筒状的电机转换器铁心，贴合电机转换器铁心的内外壁均固定套设有电机转换器永磁；

所述调磁环包括导磁环（比如铁磁材料的导磁环）和非导磁环（比如低温超导材料的非导磁环，以大大减小漏磁现象），导磁环和非导磁环交错间隔叠放形成筒状；

所述磁齿轮低速运动部件包括筒状的低速运动部件永磁和筒状的低速运动部件铁心，低速运动部件铁心套设于低速运动部件永磁外侧，且低速运动部件永磁外壁贴合低速运动部件铁心内壁固定；

所述电机转换器套设在电机定子铁心外侧，调磁环套设在电机转换器外侧，磁齿轮低速运动部件套设在调磁环外侧，内浮筒套设在磁齿轮低速运动部件外侧，外浮筒套设在内浮筒外侧；

所述电机定子铁心和电机转换器之间形成第一气隙，电机转换器和调磁环之间形成第二气隙，调磁环和磁齿轮低速运动部件之间形成第三气隙；

所述电机定子轴和调磁环保持位置固定，作为静止组件；所述磁齿轮低速运动部件和内浮筒保持位置固定，作为低速运动部件；所述电机转换器作为高速运动部件。

优选的，还包括阻尼板，所述调磁环的下端和位于下方的圆杆的下端均固定安装在阻尼板上。

优选的，所述电机定子铁心和电机绕组组成的电机定子部分采用环氧树脂密封。

优选的，所述电机转换器永磁、导磁环和低速运动部件永磁均可采用具有自屏蔽效应的准Halbach结构的永磁体（比如具有自屏蔽效应的准Halbach结构的钕铁硼永磁体）；所述电机定子铁心、电机转换器铁心和低速运动部件铁心均可采用硅钢片叠加结构；所述非导磁环采用低温超导材料；所述电机绕组可采用三相集中绕组结构（比如新型的模块化饼式结构）；所述电机定子铁心可采用凸定子与辅助槽结构。

优选的，所述电机定子铁心和电机转换器之间、电机转换器和调磁环之间以及调磁环和磁齿轮低速运动部件之间均通过轴承连接，用于减小相互之间的摩擦力以及固定气隙的宽度。

整个装置可以通过锚链固定于海底。

有益效果：本发明提供的基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，相较于现有技术具有如下优势：

1、相比于传统的基于旋转电机的波浪能发电装置，本发明的发电装置能够直接利用波浪的上下起伏将其转化为电能，不需要先将波浪的直线运动通过转化为旋转再驱动旋转发电机发电的中间转换装置，结构简单，大大减小了系统的复杂性，转换效率高，从而提高了整个发电系统的发电效率；

2、相比于单一基于直线电机的波浪发电装置，本发明的发电装置由于直线磁齿轮的增速作用，从而能够大大减小直线电机的尺寸，进而减小制造的成本以及安装调试的复杂程度；

3、本发明的发电装置采用直线磁齿轮与直线永磁电机相复合的结构，磁齿轮低速侧与浮筒相连接，在波浪作用下做直线运动，并由磁齿轮进行增速，大大减小了发电机的体积，同时避免了传统装置中发电机前另外增设齿轮箱或者液压系统来增速所引起的损耗以及发热等问题；

4、本发明的发电装置采用磁力传动方案，因为其为非接触传动，所以不存在润滑以及机械磨损等问题，同时磁齿轮具有很好的扛过在能力，能够有效的降低大风浪对系统造成的破坏；

5、本发明的发电装置采用准Halbach结构的钕铁硼永磁体材料，由于其具有“自屏蔽”效应，该方式使得线圈边的磁场加强，铁心边的磁场减弱，可以减小铁心的厚度，从而减小制造成本并且提高发电效率，同时准Halbach结构相比于径向充磁结构，能够提高气隙密度的正弦程度，从而可以提高空载反电动势的正弦程度；

6、本发明的发电装置的绕组采用模块化饼式结构，具有绕线结构简单、便于安装等优点；凸定子和辅助槽用于减小电机的定位力，并且辅助槽齿可以有效的平衡三相反电动势；

7、本发明的发电装置采用阻尼板的结构，可以提供系统的浮力并且保持和定子相连的圆杆以及调磁环的静止，选择合适的距离以及重量，即可以保证阻尼板对振荡浮子和波浪能转换效率的影响忽略不计；

8、本发明的发电装置的电机转换器铁心内外两侧表面均贴有永磁材料，能够有效的减小涡流效应的产生；

9、本发明的发电装置采用双浮子漂浮式结构，通过锚链固定在海底，故对水深的要求不高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为电机定子铁心与电机转换器详细示意图；

图3为本发明装置配置的用电系统示意图；

图4为本发明在海中的安装示意图；

包括：1、电机定子轴，2、电机定子铁心，3、电机绕组，4、额外固定部件，5、电机转换器，51、电机转换器永磁，52、电机转换器铁心，6、调磁环，61、导磁环，62、非导磁环，7、磁齿轮低速运动部件，71、低速运动部件永磁，72、低速运动部件铁心，8、内浮筒，9、圆杆，10、阻尼板，11、锚链，12、第一气隙，13、第二气隙，14、第三气隙，15、外浮筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示所示为一种基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，包括电机定子铁心2、电机转换器5、调磁环6、磁齿轮低速运动部件7、内浮筒8、阻尼板10和外浮筒15。

所述电机定子铁心2安装在电机定子轴1上，电机定子轴1的两端分别固定有一个圆杆9，限制电机定子铁心2相对电机定子轴1的直线运动范围；在电机定子铁心2的齿槽中嵌置有电机绕组3，电机定子铁心2和电机绕组3组成的电机定子部分采用环氧树脂密封。

所述电机转换器5包括筒状的电机转换器永磁51和筒状的电机转换器铁心52，贴合电机转换器铁心52的内外壁均固定套设有电机转换器永磁51。

所述调磁环6包括铁磁材料的导磁环61和低温超导材料的非导磁环62，导磁环61和非导磁环62交错间隔叠放形成筒状。

所述磁齿轮低速运动部件7包括筒状的低速运动部件永磁71和筒状的低速运动部件铁心72，低速运动部件铁心72套设于低速运动部件永磁71外侧，且低速运动部件永磁71外壁贴合低速运动部件铁心72内壁固定。

所述电机转换器5套设在电机定子铁心2外侧，调磁环6套设在电机转换器5外侧，磁齿轮低速运动部件7套设在调磁环6外侧，内浮筒8套设在磁齿轮低速运动部件7外侧，外浮筒15套设在内浮筒8外侧。

所述电机定子铁心2和电机转换器5之间形成第一气隙12，电机转换器5和调磁环6之间形成第二气隙13，调磁环6和磁齿轮低速运动部件7之间形成第三气隙14。

所述调磁环6的下端和位于下方的圆杆9的下端均固定安装在阻尼板10上，使电机定子轴1和调磁环6保持位置固定，作为静止组件；所述磁齿轮低速运动部件7和内浮筒8保持位置固定，作为低速运动部件；所述电机转换器5作为高速运动部件。

本装置中的永磁材料均可制成环状结构，然后将环状结构沿轴向排布构成筒状，均匀贴在相应的铁心表面，铁心部分采用硅钢片材料制备；具体为：所述电机转换器永磁51、导磁环61和低速运动部件永磁71均采用具有自屏蔽效应的准Halbach结构的钕铁硼永磁体，具有高剩磁、矫顽力大的特点；所述电机定子铁心2、电机转换器铁心52和低速运动部件铁心72均采用硅钢片叠加结构；所述非导磁环62采用低温超导材料；所述电机绕组3采用三相集中绕组结构，具体采用新型的模块化饼式结构，电机定子采用凸定子与辅助槽结构。

所述电机定子铁心2和电机转换器5之间、电机转换器5和调磁环6之间以及调磁环6和磁齿轮低速运动部件7之间均通过不锈钢轴承连接，用于减小相互之间的摩擦力以及固定气隙的宽度。

本装置的工作模式为：该发电装置为圆筒型直线磁齿轮与圆筒型永磁同步直线电机的复合结构，内浮筒8与磁齿轮低速运动部件7连接为一体，从而最大限度的获取波浪能，在波浪的作用下，内浮筒8带动磁齿轮低速运动部件7跟随波浪做上下的往复运动，用过静止调磁环6调制磁场的作用，带动磁齿轮高速运动部件即电机转换器5的运动，完成增速的目的，电机转换器5高速进行上下往复运动，从而与电机定子之间产生相对运动，切割磁力线，产生感应电动势，完成波浪能向电能转换的过程。由于波浪具有随机性，为了让给海洋观测设备等海上用电设备提供持续的电能，一般采用电池储能的形式，发电机产生的三相交流电经过滤波、整流、逆变后给蓄电池进行充电，再由蓄电池对用电设备进行供电，整个系统如图3中所示。

本装置中最为核心的部分为直线磁齿轮电机，电机结构设计的好坏将对波浪发电装置捕获波浪能以及发电效率起到决定性的作用；在设计电机时，首先要确定电机的整体结构，对电机内部结构进行设计时要进行电磁场仿真，并且在综合考虑性能以及经济效应等多重因素的情况下确定电机的尺寸，得出最优的结果。

本装置中，波浪能的采集装置为与磁齿轮低速运动部件7固定的内浮筒8和外浮筒15，其尺寸需要由波浪的情况来确定。为了使波浪能被充分的吸收与利用，需要对浮筒的受力建立数学模型，分析其在给定平均浪高与频率的波浪的作用下，浮筒的尺寸、质量与电机功率之间的对应关系。在设计时，运用simulink对浮筒的位移以及电机的输出功率进行仿真，从而确定最优的浮筒的尺寸、质量以及电机的功率，使其充分吸收波浪能，提高发电效率。

本装置将圆筒式直线磁齿轮与圆筒式永磁同步直线电机相复合，磁齿轮低速运动部件7与内浮筒8相连接，在波浪的作用下进行上下往复的运动，磁齿轮低速运动部件7的低速运动部件永磁71以一较低的速度运动，低速运动部件永磁71所产生的磁场经过静止的调磁环6调制后，在气隙中形成一个空间分布的磁场，从而带动磁转子的高速运动部件（即所述电机转换器5）运动，此时电机转换器5相当于电机的动子部分，速度得到了大幅的提高，切割磁力线，产生感应电动势。按照理论分析，令磁齿轮高速运动部件的永磁极对数为p_h，磁齿轮低速运动部件的永磁极对数为p_l，调磁环6的导磁环61数为n_s，则三者之间存在这样的数值关系：n_s=p_l+p_h，磁齿轮低速运动部件到磁齿轮高速运动部件的理论传动比为G_r=p_l/(p_l-n_s)，由此可见，若要使得与浮筒相连的部件成为低速运动部件，则存在p_l>p_h这样的关系，可以根据实际需要的传动比来确定高速运动部件与低速运动部件表面的永磁体极对数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，其特征在于：包括电机定子铁心（2）、电机转换器（5）、调磁环（6）、磁齿轮低速运动部件（7）、内浮筒（8）和外浮筒（15）；

所述电机定子铁心（2）安装在电机定子轴（1）上，电机定子轴（1）的两端分别固定有一个圆杆（9），限制电机定子铁心（2）相对电机定子轴（1）的直线运动范围；在电机定子铁心（2）的齿槽中嵌置有电机绕组（3）；

所述电机转换器（5）包括筒状的电机转换器永磁（51）和筒状的电机转换器铁心（52），贴合电机转换器铁心（52）的内外壁均固定套设有电机转换器永磁（51）；

所述调磁环（6）包括导磁环（61）和非导磁环（62），导磁环（61）和非导磁环（62）交错间隔叠放形成筒状；

所述磁齿轮低速运动部件（7）包括筒状的低速运动部件永磁（71）和筒状的低速运动部件铁心（72），低速运动部件铁心（72）套设于低速运动部件永磁（71）外侧，且低速运动部件永磁（71）外壁贴合低速运动部件铁心（72）内壁固定；

所述电机转换器（5）套设在电机定子铁心（2）外侧，调磁环（6）套设在电机转换器（5）外侧，磁齿轮低速运动部件（7）套设在调磁环（6）外侧，内浮筒（8）套设在磁齿轮低速运动部件（7）外侧，外浮筒（15）套设在内浮筒（8）外侧；

所述电机定子铁心（2）和电机转换器（5）之间形成第一气隙（12），电机转换器（5）和调磁环（6）之间形成第二气隙（13），调磁环（6）和磁齿轮低速运动部件（7）之间形成第三气隙（14）；

所述电机定子轴（1）和调磁环（6）保持位置固定，作为静止组件；所述磁齿轮低速运动部件（7）和内浮筒（8）保持位置固定，作为低速运动部件；所述电机转换器（5）作为高速运动部件。

2.根据权利要求1所述的基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，其特征在于：还包括阻尼板（10），所述调磁环（6）的下端和位于下方的圆杆（9）的下端均固定安装在阻尼板（10）上。

3.根据权利要求1所述的基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，其特征在于：所述电机定子铁心（2）和电机绕组（3）组成的电机定子部分采用环氧树脂密封。

4.根据权利要求1所述的基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，其特征在于：所述电机转换器永磁（51）、导磁环（61）和低速运动部件永磁（71）均采用具有自屏蔽效应的准Halbach结构的永磁体；所述电机定子铁心（2）、电机转换器铁心（52）和低速运动部件铁心（72）均采用硅钢片叠加结构；所述非导磁环（62）采用低温超导材料；所述电机绕组（3）采用三相集中绕组结构。

5.根据权利要求1所述的基于直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，其特征在于：所述电机定子铁心（2）和电机转换器（5）之间、电机转换器（5）和调磁环（6）之间以及调磁环（6）和磁齿轮低速运动部件（7）之间均通过轴承连接，用于减小相互之间的摩擦力以及固定气隙的宽度。

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