CN104061116B - 一种基于串联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串联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串联相结合的发电装置，包括永磁直线电机部分、直线磁齿轮部分、浮筒、浮子、外部封装装置和底座；通过驱动马达和机械传动部带动外动子在一定速度范围内运动，达到传动比可变的目的，整套装置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、无终端绕组，没有径向力施加在轴承上等优点。

Description

一种基于串联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串联直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，尤其涉及一种综合利用直线磁齿轮与永磁直线电机的圆筒型波浪能发电装置。

背景技术

随着全球人口的不断膨胀，生化能源的日益减少以及环境污染的加剧，人们不得不寻找无污染、清洁、可持续发展的可再生能源来解决目前的危机。海洋能作为一种储量大、可再生的清洁能源，受到了国内外专家学者的关注。海洋能包括海洋风能、潮汐能、波浪能、海洋生物质能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等，波浪能属于海洋能其中的一种，与风能、太阳能相比，波浪能又具有功率密度大、可预测性强等优点，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，若将其合理充分的利用，将会使得我国能源的结构更加合理，资源利用更加的充分。经过几十年的研究，国内外学者提出了多种波浪能转换技术，但是利用波浪能发电一直没有出现革命性的突破。

在以往利用波浪能发电的系统中，多采用各种机械或液压装置将波浪的上下往复直线运动转换为旋转运动，从而利用旋转电机来进行能量的转换，这势必就存在转换过程中能量的损失，同时，旋转电机在低速的条件下存在效率低下、耐久性差的问题，这就严重的制约了波浪发电技术的发展。近几年来，有学者提出直接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串联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圆筒型波浪能发电装置，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，并且能够实现传动比可调，可以有效的减小电机的尺寸，更好的吸收波浪能，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：

一种基于串联直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，包括永磁直线电机部分、直线磁齿轮部分、浮筒、浮子、外部封装装置和底座；

所述永磁直线电机部分包括电机定子铁心、电机绕组和电机转换器；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，电机转换器永磁贴合电机转换器铁心外壁固定套设；电机绕组嵌置在电机定子铁心内表面的齿槽中，电机转换器套设在电机定子铁心内侧，电机转换器和电机定子铁心之间形成电机气隙；

所述直线磁齿轮部分包括驱动马达、机械传动部、磁齿轮内动子、磁齿轮外动子和调磁环；磁齿轮内动子包括筒状的内动子铁心和筒状的内动子永磁，内动子永磁贴合内动子铁心外壁固定套设；磁齿轮外动子包括筒状的外动子永磁和筒状的外动子铁心，外动子永磁贴合外动子铁心内壁固定套设；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；调磁环套设在磁齿轮内动子外侧，磁齿轮外动子套设在调磁环外侧；驱动马达的固定端安装在调磁环的上端部，驱动马达的动作端通过机械传动部与磁齿轮外动子相连，驱动磁齿轮外动子沿轴向往复运动，通过驱动马达控制磁齿轮外动子在一定范围内速度可调，以实现磁齿轮传动比可调的目的；磁齿轮内动子和调磁环之间形成第一气隙，调磁环和磁齿轮外动子之间形成第二气隙；

所述电机转换器铁心和内动子铁心同轴固定(比如通过铸连的方式)，且内动子铁心位于电机转换器铁心上方，除电机转换器铁心和内动子铁心端部相连外，永磁直线电机部分和直线磁齿轮部分其余部分不相干涉；

所述永磁直线电机部分和直线磁齿轮部分均置于外部封装装置内，电机定子铁心贴合外部封装装置内壁，磁齿轮外动子与外部封装装置内壁存在间隙；底座固定安装在外部封装装置底部，浮筒固定安装在调磁环顶部，浮子通过连杆机构与浮筒连接。

本发明的波浪能发电装置是直线磁齿轮与永磁直线电机的串联式结构，底座固定在海底，浮子漂浮在海面，浮子随波浪起伏上下运动，带动浮筒运动，进而带动调磁环上下做直线运动，由于电机转换器铁心和内动子铁心固连，因此实现了通过磁齿轮增速提高电机转换器的运动速度的目的

优选的，在电机定子铁心的两端分别设置有额外固定轴承，额外固定轴承内圈与电机转换器永磁连接，额外固定轴承外圈与外部封装装置内壁固定。通过额外固定轴承对电机转换器进行进一步的位置固定，保证其工作的稳定性。

优选的，所述电机定子铁心与电机绕组组成的电机定子部分采用环氧树脂密封；所述电机定子部分可采用凸定子与辅助槽结构。

优选的，该波浪能发电装置中的所有永磁部分(包括电机转换器永磁、内动子永磁、外动子永磁和导磁环)均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)；该波浪能发电装置中的所有铁心部分(包括电机定子铁心、电机转换器铁心、内动子铁心、外动子铁心)均采用硅钢片叠加结构；该波浪能发电装置中的所有绕组部分(包括电机绕组)均采用三相集中绕组结构(比如新型的模块化饼式结构)。

有益效果：本发明提供的基于串联直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，与现有技术相比，具有如下优点：

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、相比于平行并联式的直线磁齿轮复合电机，直线磁齿轮和永磁直线同步电机的串联式结构中，齿轮和电机公用一个轴，他们的磁路可以分开独立设计，减轻了复合磁路设计的复杂性；

4、采用圆筒式的结构，具有高空间使用率、少漏磁、大推力密度、无终端绕组以及无径向力施加在轴承上的优点；

5、将直线磁齿轮与永磁同步电机相串联的结构，磁齿轮的调磁环与浮筒相连接，在波浪的作用下做直线运动，通过直线磁齿轮部分进行增速，减小发电机的体积的同时，也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，同时，相比于将直线磁齿轮内外动子作为输入输出的结构，将调磁环作为低速动子的结构在相同永磁体极对数的条件下会得到更大的传动比；

6、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；

7、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；

8、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；

9、直线磁齿轮外动子通过所述机械传动部与驱动马达相连接的结构，使得驱动马达控制所述磁齿轮外动子在一定范围内速度可变，从而可以达到磁齿轮传动比可变的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在海中的安装示意图；

图3为本发明装置配置的用电系统示意图；

图4为采用准Halbach结构的永磁体以及三相集中绕组的示意图；

包括：1、永磁直线电机部分：11、电机定子铁心，12、电机绕组，13、电机转换器，131电机转换器永磁，132、电机转换器铁心，14、电机额外固定轴承，15、电机气隙；2、直线磁齿轮部分：21、驱动马达，22、机械传动部，23、磁齿轮内动子，231、内动子铁心，232、内动子永磁，24、磁齿轮外动子，241、外动子永磁，242、外动子铁心，25、调磁环，251、调磁环导磁部分，252、调磁环非导磁部分，26、第一气隙，27、第二气隙；3、浮筒；4、浮子；5、外部封装装置；6、底座。

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所示为一种基于串联直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，包括永磁直线电机部分1、直线磁齿轮部分2、浮筒3、浮子4、外部封装装置5和底座6。

所述永磁直线电机部分1包括电机定子铁心11、电机绕组12和电机转换器13；电机转换器13包括筒状的电机转换器永磁131和筒状的电机转换器铁心132，电机转换器永磁131贴合电机转换器铁心132外壁固定套设；电机绕组12嵌置在电机定子铁心11内表面的齿槽中，电机转换器13套设在电机定子铁心11内侧，电机转换器13和电机定子铁心11之间形成电机气隙15。

所述直线磁齿轮部分2包括驱动马达21、机械传动部22、磁齿轮内动子23、磁齿轮外动子24和调磁环25；磁齿轮内动子23包括筒状的内动子铁心231和筒状的内动子永磁232，内动子永磁232贴合内动子铁心231外壁固定套设；磁齿轮外动子24包括筒状的外动子永磁241和筒状的外动子铁心242，外动子永磁241贴合外动子铁心242内壁固定套设；所述调磁环25包括导磁环251和非导磁环252，导磁环251和非导磁环252交错间隔叠放形成筒状；调磁环25套设在磁齿轮内动子23外侧，磁齿轮外动子24套设在调磁环25外侧；驱动马达21的固定端安装在调磁环25的上端部，驱动马达21的动作端通过机械传动部22与磁齿轮外动子24相连，驱动磁齿轮外动子24沿轴向往复运动；磁齿轮内动子23和调磁环25之间形成第一气隙26，调磁环25和磁齿轮外动子24之间形成第二气隙27。

所述电机转换器铁心132和内动子铁心231同轴固定，且内动子铁心231位于电机转换器铁心132上方，除电机转换器铁心132和内动子铁心231端部相连外，永磁直线电机部分1和直线磁齿轮部分2其余部分不相干涉。

所述永磁直线电机部分1和直线磁齿轮部分2均置于外部封装装置5内，电机定子铁心11贴合外部封装装置5内壁，磁齿轮外动子24与外部封装装置5内壁存在间隙；在电机定子铁心11的两端分别设置有额外固定轴承14，额外固定轴承14内圈与电机转换器永磁131连接，额外固定轴承14外圈与外部封装装置5内壁固定；底座6固定安装在外部封装装置5底部，浮筒3固定安装在调磁环25顶部，浮子4通过连杆机构与浮筒3连接。

如图2所示，该案装置在使用时，底座6固定于海底，浮子4漂浮于海面，通过驱动马达21控制磁齿轮外动子24在一定范围内速度可调，以实现磁齿轮传动比可调的目的，具体的工作过程为：

基于串联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圆筒型波浪能发电装置。

基于圆筒型直线磁齿轮和圆筒型永磁直线电机的串联模式，浮子4通过连杆连接浮筒3，浮筒3直接与直线磁齿轮的调磁环25连接在一起，最大限度地获取波浪能，漂浮于海面上的浮子4在波浪的作用下上下做直线运动，带动浮筒3进而带动与浮筒3直接相连的调磁环25做上下往复的直线运动，磁齿轮内动子23在调磁环25调制磁场的作用下按照传动比放大运动速度，进而带动与磁齿轮内动子23同轴设置的电机转换器13的运动，完成增速的目的，电机转换器13以高速进行上下往复运动，从而与电机定子部分之间产生相对运动，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，为了能够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。

该波浪能发电装置中的所有永磁部分(包括电机转换器永磁131、内动子永磁232、外动子永磁241和导磁环251)均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，其具有高剩磁，矫顽力大的特点)，并且均可制成环状结构，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；该波浪能发电装置中的所有铁心部分(包括电机定子铁心11、电机转换器铁心132、内动子铁心231、外动子铁心242)均采用硅钢片叠加结构；该波浪能发电装置中的所有绕组部分(包括电机绕组12)均采用三相集中绕组结构。所述电机定子铁心11与电机绕组12组成的电机定子部分采用环氧树脂密封；如图4所示，所述电机定子部分可采用凸定子与辅助槽结构。

本案的核心部分为串联式直线磁齿轮电机，电机结构设计的好坏将直接影响到整个波浪发电装置的发电效率，在设计电机时，确定整体结构串联式之后，对直线式永磁同步电机和直线磁齿轮进行电磁场仿真，分别设计磁路，在综合考虑电机性能与经济效益等因素下确定电机的最佳尺寸。

在整个波浪发电装置中，波浪能的采集装置为漂浮于海面上的浮子，其尺寸需要安装盖装置水域的波浪所决定。为了能够使得波浪能能够被充分的吸收和利用，需要对浮子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，浮子的尺寸、质量与电机功率之间的对应关系。在设计时，运用simulink对浮子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。

本发明中将圆筒式直线磁齿轮与圆筒型永磁同步电机串联连接，磁齿轮的调磁环与浮筒相连，浮筒通过连杆与漂浮于水面上的浮子相连接，在波浪的作用下进行上下往复的运动，调磁环以较低的速度运动，内外动子上的永磁体产生的磁场经过低速运动的调磁环的调制后，在气隙中形成一个空间分布的磁场，从而带动直线磁齿轮的内动子按照传动比放大后的速度运动，内动子与电机转换器共轴，进而带动电机转换器以一个相对较高的速度做上下往复运动，切割磁力线，产生感应电动势。按照理论分析，令磁齿轮内动子的永磁极对数为p_i，磁齿轮外动子的永磁极对数为p_o，磁齿轮静止调磁环的导磁材料数为n_s，则三者之间存在这样的数值关系：n_s＝p_i+p_o，若磁齿轮的外动子保持静止，磁齿轮调磁环到内动子的理论传动比为Gr＝n_s/p_i，若外动子在一定速度范围内运动，则直线磁齿轮的传动比可变。

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 (3)

1.一种基于串联直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，其特征在于：包括永磁直线电机部分(1)、直线磁齿轮部分(2)、浮筒(3)、浮子(4)、外部封装装置(5)和底座(6)；

所述永磁直线电机部分(1)包括电机定子铁心(11)、电机绕组(12)和电机转换器(13)；电机转换器(13)包括筒状的电机转换器永磁(131)和筒状的电机转换器铁心(132)，电机转换器永磁(131)贴合电机转换器铁心(132)外壁固定套设；电机绕组(12)嵌置在电机定子铁心(11)内表面的齿槽中，电机转换器(13)套设在电机定子铁心(11)内侧，电机转换器(13)和电机定子铁心(11)之间形成电机气隙(15)；

所述直线磁齿轮部分(2)包括驱动马达(21)、机械传动部(22)、磁齿轮内动子(23)、磁齿轮外动子(24)和调磁环(25)；磁齿轮内动子(23)包括筒状的内动子铁心(231)和筒状的内动子永磁(232)，内动子永磁(232)贴合内动子铁心(231)外壁固定套设；磁齿轮外动子(24)包括筒状的外动子永磁(241)和筒状的外动子铁心(242)，外动子永磁(241)贴合外动子铁心(242)内壁固定套设；所述调磁环(25)包括导磁环(251)和非导磁环(252)，导磁环(251)和非导磁环(252)交错间隔叠放形成筒状；调磁环(25)套设在磁齿轮内动子(23)外侧，磁齿轮外动子(24)套设在调磁环(25)外侧；驱动马达(21)的固定端安装在调磁环(25)的上端部，驱动马达(21)的动作端通过机械传动部(22)与磁齿轮外动子(24)相连，驱动磁齿轮外动子(24)沿轴向往复运动；磁齿轮内动子(23)和调磁环(25)之间形成第一气隙(26)，调磁环(25)和磁齿轮外动子(24)之间形成第二气隙(27)；

所述电机转换器铁心(132)和内动子铁心(231)同轴固定，且内动子铁心(231)位于电机转换器铁心(132)上方，除电机转换器铁心(132)和内动子铁心(231)端部相连外，永磁直线电机部分(1)和直线磁齿轮部分(2)其余部分不相干涉；

所述永磁直线电机部分(1)和直线磁齿轮部分(2)均置于外部封装装置(5)内，电机定子铁心(11)贴合外部封装装置(5)内壁，磁齿轮外动子(24)与外部封装装置(5)内壁存在间隙；底座(6)固定安装在外部封装装置(5)底部，浮筒(3)固定安装在调磁环(25)顶部，浮子(4)通过连杆机构与浮筒(3)连接；

在电机定子铁心(11)的两端分别设置有额外固定轴承(14)，额外固定轴承(14)内圈与电机转换器永磁(131)连接，额外固定轴承(14)外圈与外部封装装置(5)内壁固定。

2.根据权利要求1所述的基于串联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(11)与电机绕组(12)组成的电机定子部分采用环氧树脂密封。

3.根据权利要求1所述的基于串联直线磁齿轮电机的波浪能发电装置，其特征在于：该波浪能发电装置中的所有永磁部分均采用具有自屏蔽效应的准Halbach结构的永磁体；该波浪能发电装置中的所有铁心部分均采用硅钢片叠加结构；该波浪能发电装置中的所有绕组部分均采用三相集中绕组结构。