CN104158377A - 一种应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于海上平台的开关磁阻发电机系统，包括海上平台、圆筒式开关磁阻发电机、风力转换装置、海浪浮漂部和控制系统；圆筒形电机位于海上平台上方，海浪浮漂部位于海上平台下方，圆筒形电机与海浪浮漂部由滑轨固定相连，滑轨嵌于所述海上平台之中，且可沿海上平台垂直方向上下移动；控制系统包括控制器、位置传感器和功率转换器，圆筒式开关磁阻发电机通过功率变换器连接蓄电池，蓄电池通过逆变器与电网连接，圆筒式开关磁阻发电机通过位置传感器连接控制器，控制器与所述功率变换器连接。本发明能同时利用风能和波浪能发电，解决两种能量的高效耦合，且不过分增加成本以及操作难度，实现海上新型能源的双重高效利用。

Description

一种应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统

 技术领域

本发明涉及发电机领域，特别涉及一种应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统。

背景技术

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题，常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染，因此，对可再生能源的开发利用，尤其是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。

同时，海上风况优于陆地。风流过粗糙的地表或障碍物时，风速的大小和方向都会改变，而海面粗糙度小，海上风速高且稳定；海平面摩擦力小，因而风力垂直变化小，不需要很高的塔架，可以降低风电机组的成本；并且海风的湍流强度低，有稳定的主导风向，没有复杂地形对气流的影响，因此作用在机组上的疲劳强度可以大大降低，可以延长机组的使用寿命。

目前使用的风力发电机主要有异步感应电机、永磁同步电机和双馈电机。异步感应电机是较早应用的风力发电机，采用恒速恒频的运行方式，在风速变化时转速不变，风能利用率较低，在市场上将逐渐被淘汰。双馈电机结构复杂，在发电机与风轮机之间需要齿轮箱和高速传动装置配合，增加了直接成本和维护成本，并降低了风电系统的效率。而永磁同步电机虽然能实现变速直驱发电，但永磁材料有退磁的缺陷，影响后天的发电效率，且永磁材料成本高，制造永磁材料的稀土资源目前也呈现短缺状态。

开关磁阻发电机是一种在外力驱动下，利用磁阻变化，产生电能的新型发电机。开关磁阻发电机结合了半导体器件和计算机控制技术，具有结构简单、成本低、控制灵活、容错能力高等优点。开关磁阻发电机低速运行性能好，变速运行范围宽，电机结构简单，成本小，电机的损耗较低，运行效率高，在风力发电场合中应用时可省掉齿轮箱，提高了对风能利用的效率，这些优点使得开关磁阻发电机在风力发电场的应用中非常有优势。但目前对开关磁阻发电机的研究主要集用在航空领域，在风力发电领域的应用研究尚处于起步阶段。利用开关磁阻发电机的发电原理，结合海上风能和波浪能的特点，如何高效的结合两种能量进行发电成为新能源利用的新方向。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种能同时利用风能和波浪能的开关磁阻发电机系统，解决两种能量的高效耦合，且不过分增加成本以及操作难度，实现海上新型能源的双重高效利用。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，包括海上平台、圆筒式开关磁阻发电机、风力转换装置、海浪浮漂部和控制系统； 

所述风力转换装置由风力叶桨、转换齿轮和传动轴组成，风力叶桨依次通过转换齿轮和传动轴与圆筒式开关磁阻发电机连接，用于通过风力驱动圆筒式开关磁阻发电机发电；

所述圆筒式开关磁阻发电机包括圆筒形电机外壳、三相初级绕组和硅钢片叠加而成的凸极转子，所述三相初级绕组分布在圆筒形电机外壳内壁上，凸极转子位于圆筒形电机中心；圆筒形电机位于海上平台上方，海浪浮漂部位于海上平台下方，圆筒形电机外壳与海浪浮漂部由滑轨固定相连，所述滑轨嵌于所述海上平台之中，且可沿所述海上平台垂直方向上下移动；该圆筒式开关磁阻发电机水平方向采用旋转开关磁阻发电机结构，即初级绕组固定，凸极转子随风力叶桨转动；垂直方向上述旋转开关磁阻发电机结构垂直方向分多层，每层之间均为铁芯相连，使圆筒式开关磁阻发电机在垂直方向呈直线开关磁阻发电机模式；

所述控制系统包括控制器、位置传感器和功率转换器，所述圆筒式开关磁阻发电机通过功率变换器连接蓄电池，蓄电池通过逆变器与电网连接，所述圆筒式开关磁阻发电机通过所述位置传感器连接所述控制器，所述控制器与所述功率变换器连接。

优选的，所述滑轨有多根，嵌于海上平台可上下移动，滑轨上以及圆筒形电机外壳上开孔，通过固定螺杆相连固定滑轨与圆筒形电机外壳；滑轨下端与海浪浮漂部同样由固定螺杆固定相连，可以跟随波浪上下移动。

所述圆筒式开关磁阻发电机的凸极转子为内外嵌套式结构，内层为铁芯中轴，外层为旋转凸极，铁芯中轴固定于所述海上平台上，所述旋转凸极与所述转换齿轮同轴相连，随风力叶桨转动。

圆筒式开关磁阻发电机的凸极转子内层的铁芯中轴下方固定于海上平台的固定底座上，凸极转子上下两端由铁芯中轴上的固定挡板固定；圆筒式开关磁阻发电机的凸极转子外层旋转凸极上方与所述传动轴相连，连接处为中空圆筒结构的转子连接，与内层的铁芯中轴相离。

所述转换齿轮位于圆筒式开关磁阻发电机上方，一端连接风力叶桨的直驱轴，一端连接驱动凸极转子的所述传动轴，整个风力转换装置由风力支撑杆支撑固定于所述海上平台上。

所述位置传感器包括齿盘和光电传感器，齿盘设置于每一个凸极转子的凸极中心，光电传感器设置于每一个初级绕组的凹极中心。

所述功率变换器包括励磁模块和整流模块。

所述控制系统采用模糊PID模式控制。

本发明设计了应用海浪能与风能复合发电。上述的旋转式开关磁阻发电装置垂直方向有多层，每层之间均为铁芯相连，使电机在垂直方向呈直线开关磁阻发电机模式。圆筒式电机外壳与外设的滑轨固定相连，滑轨竖直嵌于海上平台之上，水平方向紧固，垂直方向可任意滑动，滑轨下端伸于海上平台之下，与海浪浮漂部固定相连，海浪浮漂部置于海面之上随海浪上下浮动。海浪带动电机初级绕组上下浮动，因此垂直方向上相对的初级绕组中也产生了磁阻变化，进而加大感应电流强度。在水平转动和垂直波动下，通过两种运动驱动，增加了单一运动产生的磁阻变化，进一步增加了感应电流，也就是利用了风能和海浪能的复合发电，即同时利用风能和波浪能的开关磁阻发电机系统，解决两种能量的高效耦合问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果：  

本发明同时具有开关磁阻发电机结构简单、成本低廉以及可控性好等优点，并且通过旋转、垂直两个方向磁阻的变化来完成发电，不再需要依靠过于复杂的机械转换装置或者两台不同的电机来同时将风能和波浪能这两种能量转换成电能，不过分增加成本以及操作难度，实现海上新型能源的双重高效利用，提出了一种利用多重新型能源的环保发电方式。

附图说明：

图1是应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统的系统结构总图；

图2是圆筒式风浪开关磁阻发电机的装配结构图；

图3是圆筒式风浪开关磁阻发电机的剖面图和俯视图；

图4是应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统的系统连接图；

图5是圆筒式风浪开关磁阻发电机的单相励磁电路图；

图中标号为：1 — 风力叶桨，2 — 圆筒式开关磁阻发电机，3 — 固定螺杆，4 — 滑轨，5 — 初级绕组，6 — 凸极转子，7 — 中轴底座，8 — 转换齿轮，9 — 传动轴，10 — 转子连接，11 — 铁芯中轴，12 — 旋转凸极，13 — 圆筒式电机外壳，14 — 固定挡板，15 — 海浪浮漂部，16 — 平台支柱，17 — 海上平台，18 — 风叶支撑杆，19 — 齿盘，20 — 光电传感器，21 — 电机外壳支撑。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1、图2、图3所示，本发明实施例提供的应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，包括海上平台17、圆筒式开关磁阻发电机2、风力转换装置、海浪浮漂部15和控制系统。 所述风力转换装置由风力叶桨1、转换齿轮8和传动轴9组成，风力叶桨1依次通过转换齿轮8和传动轴9与圆筒式开关磁阻发电机2连接，用于通过风力驱动圆筒式开关磁阻发电机2发电；所述圆筒式开关磁阻发电机2从外到内依次是圆筒形电机外壳13、三相初级绕组5和硅钢片叠加而成的凸极转子6；圆筒式开关磁阻发电机2位于海上平台17上方，海浪浮漂部15位于海上平台17下方，三相初级绕组5与海浪浮漂部15由滑轨4固定相连，所述滑轨4嵌于所述海上平台17之中，且可沿所述海上平台17垂直方向上下移动；该圆筒式开关磁阻发电机2水平方向采用旋转开关磁阻发电机结构，即初级绕组固定，凸极转子6随风力叶桨1转动；垂直方向上述旋转开关磁阻发电机结构垂直方向分多层，每层之间均为铁芯相连，使圆筒式开关磁阻发电机2在垂直方向呈直线开关磁阻发电机模式；圆筒形电机外壳13起保护作用，与三相初级绕组5相离，圆筒形电机外壳13与滑轨4接触处垂直方向开条，以不影响滑轨运动，圆筒形电机外壳13由电机外壳支撑21固定于海上平台17之上；所述控制系统包括控制器、位置传感器和功率转换器，所述圆筒式开关磁阻发电机2通过所述功率变换器连接与电网连接的逆变器，所述圆筒式开关磁阻发电机2通过所述位置传感器连接所述控制器，所述控制器与所述功率变换器连接。

本发明设计了应用海浪能与风能复合发电。上述的旋转式开关磁阻发电装置垂直方向有多层，每层之间均为铁芯相连，使电机在垂直方向呈直线开关磁阻发电机模式。圆筒式电机外壳与外设的滑轨固定相连，滑轨竖直嵌于海上平台之上，水平方向紧固，垂直方向可任意滑动，滑轨下端伸于海上平台之下，与海浪浮漂部固定相连，海浪浮漂部置于海面之上随海浪上下浮动。海浪带动电机初级绕组上下浮动，因此垂直方向上相对的初级绕组中也产生了磁阻变化，进而加大感应电流强度。在水平转动和垂直波动下，通过两种运动驱动，增加了单一运动产生的磁阻变化，进一步增加了感应电流，也就是利用了风能和海浪能的复合发电，即同时利用风能和波浪能的开关磁阻发电机系统，解决两种能量的高效耦合问题。

作为优选，所述滑轨4有多根，嵌于海上平台17可上下移动，滑轨4和三相初级绕组5，通过固定螺杆3相连固定；滑轨4竖直嵌于平台之上，水平方向紧固，垂直方向可任意滑动，滑轨4下端伸于海上平台17之下，与海浪浮漂部15固定相连，海浪浮漂部两侧设有平台支柱16，置于海面之上随海浪上下浮动。进一步的，为了增强系统稳固性，设定三相初级绕组5相连的滑轨4数量为双数，且对称设计；整个风力转换装置依靠单独的风力支撑杆18支撑；为了增加设备运行流畅性，在转换齿轮8间、铁芯中轴11与旋转凸极12之间、滑轨4与海上平台17之间都要添加机械润滑油保持运行流畅。

所述圆筒式开关磁阻发电机2的凸极转子6为内外嵌套式结构，内层为铁芯中轴11，外层为旋转凸极12，铁芯中轴11固定于所述海上平台17上，所述旋转凸极12与所述转换齿轮8同轴相连，随风力叶桨1转动。

圆筒式开关磁阻发电机2的凸极转子6内层的铁芯中轴11下方固定于海上平台17的固定底座7上，凸极转子6上下两端由铁芯中轴11上的固定挡板14固定；圆筒式开关磁阻发电机2的凸极转子外层旋转凸极12上方与所述传动轴9相连，连接处为中空圆筒结构的转子连接10，与内层的铁芯中轴11相离。

所述转换齿轮8位于圆筒式开关磁阻发电机2上方，一端连接风力叶桨1的直驱轴，一端连接驱动凸极转子的所述传动轴9，整个风力转换装置由风力支撑杆18支撑固定于所述海上平台17上。

具体的，凸极转子6分内外两层，内层为铁芯中轴11，铁芯中轴11上下端都有固定挡板14，保证凸极转子6在垂直方向固定且水平方向不能平移；凸极转子6外一层为带凸极的硅钢片叠加而成的旋转凸极12，旋转凸极12上端与一个转子连接10耦合相连，转子连接10是与转换齿轮8的副齿轮同轴相连的，转换齿轮8的主齿轮与风力叶桨1同轴，依靠这两种中间装置，带凸极的凸极转子6随风力叶桨1转动。通过凹凸极的旋转更替，在初级绕组5上产生了磁阻变化，配以励磁源的开关产生感应电流，达到发电目的。除上述风力旋转开关磁阻发电方式，本发明的主要特点是设计了应用海浪能与风能复合发电。上述的旋转式开关磁阻发电装置垂直方向有多层，每层之间均为铁芯相连，使电机在垂直方向呈直线开关磁阻发电机模式。由于三相初级绕组5与外设的滑轨4固定相连，即与海浪浮漂部15固定相连，海浪带动电机初级绕组5上下浮动，因此垂直方向上相对的初级绕组中也产生了磁阻变化，进而加大感应电流强度。

进一步的，所述位置传感器包括齿盘19和光电传感器20，齿盘19设置于每一个凸极转子6的凸极中心，光电传感器20设置于每一个初级绕组5的凹极中心。其用以检测旋转和垂直运动。在转子的每一个凸极中心安装位置传感器的齿盘19，在初级的每一个凹极中心安装位置传感器的光电传感器20，以此来给控制器提供位置信号。由于发电机有旋转和直线两种运动，所以应该分别设置位置传感器，在凸极转子6的水平和竖直凹极中装配位置传感器，位置信号传给控制器，用于对励磁电路开关进行控制。

所述功率变换器包括励磁模块和整流模块，由外接的蓄电池提供励磁电流，并在电路并联电容来稳压和滤波。励磁电路如图5所示，励磁开关为晶闸管，由控制器提供信号。如图4所示，控制器接收位置传感器发出的位置信号，在初级绕组5以及旋转凸极12相对面积较大的范围内导通晶闸管，为初级绕组5励磁，此为励磁阶段；在两者相对面积较小时关闭晶闸管，此时初级绕组产生感应续流电流，为蓄电池充电，此为发电阶段。以上开关操作，相隔120度相位依次开关A、B、C相，以此来获得三相电流。

功率转换器包括励磁模块和整流模块。相比于整流模块，励磁模块是发电机运行的关键。开关磁阻发电机有两种励磁方式，自励模式和他励模式，自励模式储能电容C来提供励磁电源自励模式在建压后不再需要外电源，且建压前所需外电源的容量也很小，因此自励模式具有系统结构简单、体积小、效率高的优点。其不足之处是当发电机的输出电压产生波动时，励磁电流的控制会比较困难。他励模式工作时励磁回路与发电回路彼此独立，线路比较复杂，发电运行过程中始终由外部电源提供励磁，励磁电压在整个过程中保持恒定，并联电容的作用主要是稳压和滤波，因此他励模式下负载电压和电流的波动比自励模式下的要小，发电质量较好。另外，他励模式的励磁电压与输出电压无关，两者可以独立调节，因此控制比较方便。因此，本发明中采用他励模式励磁。

本发明同时具有开关磁阻发电机结构简单、成本低廉以及可控性好等优点，并且通过两个方向磁阻的变化来完成发电，不再需要依靠过于复杂的机械转换装置或者两台不同的电机来同时将风能和波浪能这两种能量转换成电能。提出了一种利用多重新型能源的环保发电方式。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (8)

1.一种应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，包括海上平台、圆筒式开关磁阻发电机、风力转换装置、海浪浮漂部和控制系统； 

所述风力转换装置由风力叶桨、转换齿轮和传动旋转螺杆组成，风力叶桨依次通过转换齿轮和传动旋转螺杆与圆筒式开关磁阻发电机连接，用于通过风力驱动圆筒式开关磁阻发电机发电；

所述圆筒式开关磁阻发电机包括圆筒形电机外壳、三相初级绕组和硅钢片叠加而成的凸极转子，所述三相初级绕组分布在圆筒形电机外壳内壁上，凸极转子位于圆筒形电机中心；圆筒形电机位于海上平台上方，海浪浮漂部位于海上平台下方，圆筒形电机外壳与海浪浮漂部由滑轨固定相连，所述滑轨嵌于所述海上平台之中，且可沿所述海上平台垂直方向上下移动；该圆筒式开关磁阻发电机水平方向采用旋转开关磁阻发电机结构，即初级绕组固定，凸极转子随风力叶桨转动；垂直方向上述旋转开关磁阻发电机结构垂直方向分多层，每层之间均为铁芯相连，使圆筒式开关磁阻发电机在垂直方向呈直线开关磁阻发电机模式；

所述控制系统包括控制器、位置传感器和功率转换器，所述圆筒式开关磁阻发电机通过功率变换器连接蓄电池，蓄电池通过逆变器与电网连接，所述圆筒式开关磁阻发电机通过所述位置传感器连接所述控制器，所述控制器与所述功率变换器连接。

2.如权利要求1所述的应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，其特征在于，所述滑轨有多根，嵌于海上平台可上下移动，滑轨上以及圆筒形电机外壳上开孔，通过固定螺杆相连固定滑轨与圆筒形电机外壳；滑轨下端与海浪浮漂部同样由固定螺杆固定相连，可以跟随波浪上下移动。

3.如权利要求1所述的应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，其特征在于，所述圆筒式开关磁阻发电机的凸极转子为内外嵌套式结构，内层为铁芯中轴，外层为旋转凸极，铁芯中轴固定于所述海上平台上，所述旋转凸极通过传动轴与所述转换齿轮同轴相连，随风力叶桨转动。

4.如权利要求1所述的应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，其特征在于，圆筒式开关磁阻发电机的凸极转子内层的铁芯中轴下方固定于海上平台的固定底座上，凸极转子上下两端由铁芯中轴上的固定挡板固定；圆筒式开关磁阻发电机的凸极转子外层旋转凸极上方与所述传动轴相连，连接处为中空圆筒结构的转子连接，与内层的铁芯中轴相离。

5.如权利要求1所述的应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，其特征在于，所述转换齿轮位于圆筒式开关磁阻发电机上方，一端连接风力叶桨的直驱轴，一端连接驱动凸极转子的所述传动轴，整个风力转换装置由风力支撑杆支撑固定于所述海上平台上。

6.如权利要求1所述的应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，其特征在于，所述位置传感器包括齿盘和光电传感器，齿盘设置于每一个凸极转子的凸极中心，光电传感器设置于每一个初级绕组的凹极中心。

7.如权利要求1至6任一项所述的应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，其特征在于，所述功率变换器包括励磁模块和整流模块。

8.如权利要求1至6任一项所述的应用于海上平台的风浪开关磁阻发电机系统，其特征在于，所述控制系统采用模糊PID模式控制。