CN106050537B - 一种波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种波浪能发电装置，其浮子和锥形端盖位于机壳两端，与机壳形成密封腔体，定子、动子、弹簧和动子滑轨密封于机壳内部。定子为圆筒状，位于机壳内侧，由若干个厚度相同的定子单元和定子隔磁环沿轴向交替累叠而成。定子单元内侧均匀分布有定子齿，定子齿上绕有线圈。定子齿顶部开有方形孔，方形孔内嵌有径向充磁的方形永磁体，永磁体磁极沿圆周方向交替排列。动子为圆筒状，位于定子内侧，由若干厚度相同的动子导磁环和动子隔磁环沿轴向交替累叠而成，动子与弹簧装在动子滑轨上，动子可沿动子滑轨上下滑动。动子滑轨与机壳同心同轴，两端分别与浮子和锥形端盖固定；弹簧位于动子两侧，分别与浮子和锥形端盖相连。

Description

一种波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及一种波浪能发电装置。
背景技术
波浪能是一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源。根据世界能源协会估计，全世界范围内的海洋波浪能资源的蕴藏量多大2TW以上，相当于世界上所有其他形式能量的总和，如果将其中的0.1％转化为电能，就会超过目前全世界用电量的5倍。因此，开发利用波浪能具有广阔的应用前景。
目前，波浪能发电装置主要可分为两大类，即机械式和直驱式。
机械式波浪能发电装置一般包含三级能量转换，第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势能或中间介质(空气、油)的压力能；第二级能量转换机构将第一级得到的能量在转换成旋转动能，如水力透平、液压马达等；第三级能量转换将旋转机械能的动能通过发电机转换成电能。机械式波浪能发电装置的能量转换环节较多，装置结构复杂，部件繁多，可靠性较差。同时，该类型的波浪能发电装置的电能转换大都采用高速旋转发电机，而波浪的典型波速为0.5～2m/s，为提升如此低的速度以驱动高速旋转发电机，通常采用液压或气压装置，转换效率较低。此外，为了留出安全余量，该类型发电装置所选发电机的额定功率要比正常工作功率高出5～10倍，即发电机长时间工作在非额定状态，发电效率低，从而造成资源浪费。
直驱式波浪能发电装置是用波浪的运动直接驱动直线运动的发电机进行发电，省去了机械式发电装置的升速环节，解决了第二级能量转换效率低的问题，使得整个波浪能发电装置的结构大大简化。目前直驱式波浪能发电装置采用的直线电机主要为永磁直线电机，永磁体用量较大，且多安放在动子上，在恶劣的海洋环境下长期运动容易失磁，影响装置的经济性和可靠性。此外，直驱式波浪能发电装置的配套直线电机需要根据实际工况重新设计，不同工况下通用性较差。此外，同样出于安全余量的角度考虑，电机的实际工作功率远低于设计的额定功率，不能达到最优效率输出。
CN101106316A公开了发明人的一项发明“用于海浪发电的直线发电机”，涉及一种永磁直线同步电机，包括电机初极、电机次极，该永磁直线同步电机初极包括初极铁心、初极三相绕组，初极三相绕组嵌入初极铁心的线槽内；电机次极包括次极永磁体，通过弹簧安装在浮标上；直线发电机装置所在容器底部固定在海底。CN201156699Y公开的“海浪永磁直线电机”与其具有类似的结构特征，只是在次极永磁体的排布方式上有所区别。以上发明的电机结构普遍存在以下缺点：
1)发电机初极(定子)采用硅钢片依次叠压，成型后不可改动，针对不同工况需要进行重新设计，通用性较差；
2)永磁体全都位于次极(动子)上，长时间的往复运动容易造成永磁体的失磁和损坏，可靠性较低；
3)电机的本体与浮子结构分离，电机固定在海底，浮子漂浮在海面。一方面，电机本体在海底安装投放和回收非常困难，成本较高；另一方面，需要考虑电机的动密封问题。
CN101355284A公开的“一种波浪直驱式直线磁阻发电系统”，在电机总体结构方面也具有相似之处，该发明采用了开关磁阻电机结构，省去了次级上的永磁体，克服了上述缺点2)，但另外两个缺点仍然无法避免。同时，该发明增加了激磁电源和控制系统，操作更加复杂，降低了系统可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服现有波浪能发电装置结构复杂、通用性差、工作效率低、可靠性差、动密封困难、投放及回收成本高的缺点，提出一种波浪能发电装置。本发明采用模块化设计，结构简单、宽范围高效、高可靠性、全封闭、易于投放回收。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明波浪能发电装置主要由浮子、机壳、定子、动子、弹簧、动子滑轨和锥形端盖组成。所述浮子和锥形端盖位于机壳两端，与机壳形成一个密封腔体，定子、动子、弹簧和动子滑轨密封于机壳内部。所述的动子与弹簧依次套装在动子滑轨上，弹簧位于动子的两端，分别与浮子和锥形端盖相连，动子可沿动子滑轨上下滑动；所述的动子滑轨与机壳同心同轴，动子滑轨的两端分别固定于浮子和锥形端盖上。
所述定子为圆筒状结构，由若干个厚度相同的定子单元和定子隔磁环沿轴向交替累叠而成。所述定子单元内侧均匀分布一定数量的定子齿，定子齿上绕有线圈。定子齿顶部开有方形孔，方形孔内嵌有径向充磁的方形永磁体，永磁体磁极沿圆周方向交替排列。
所述动子由动子导磁环、动子隔磁环、中心套管和固定端环组成。若干厚度相同的动子导磁环和动子隔磁环沿轴向交替累叠，套在中心套管的外周。中心套管的两端为外螺纹，与带有内螺纹孔的“凸”字形固定端环配合紧固。
本发明的工作原理及工作过程为：
本发明为全封闭式“T”型结构，采用“不倒翁”原理，投入海中将自动保持竖直位置并漂浮于海面，随着波浪上下运动。由于惯性的作用，发电装置整体的上下运动导致动子沿动子滑轨上下滑动，同时对动子两端的弹簧进行不同程度的压缩或拉伸，形成往复运动。当动子上的导磁环与定子单元严格对齐时，二者形成“导磁平面”，定子单元齿上的永磁体在该“导磁平面”上形成闭合回路。随着动子的运动，动子非导磁环，即动子隔磁环逐渐与定子单元对齐，原“导磁平面”被破坏，磁路断开。磁路变化造成通过定子线圈的磁场变化，进而在定子线圈中感应出电流。多个定子单元按照特定的间距沿轴向排列，每个定子单元形成闭合磁路的时刻和位置均不相同，从而产生稳定的多相电能输出。
本发明的有益效果为：
1、本发明波浪能发电装置为全封闭式“T”型结构，不存在动密封问题。该装置采用“不倒翁”原理，投入海中将自动保持竖直位置并漂浮于海面，随着波浪上下运动即可发电，操作方便，大大降低了投放回收成本。
2、本发明波浪能发电装置的定子和动子均采用模块化单元设计，可根据不同海况，任意选择累叠的单元数量，改变电机额定功率，保证电机效率最大化输出，通用性强。
3、本发明波浪能发电装置的浮子、机壳、定子及动子隔磁环、动子滑轨等所有非导磁部件均采用重量轻、强度大的超高分子量聚乙烯材料制成，可以有效降低电机的总体重量，提高电机的功率密度。
4、本发明波浪能发电装置的永磁体和线圈均安放在定子上，既保证了引线方便，又避免了永磁体长期往复运动造成的失磁或损坏，节约了永磁体用量，降低了电机成本，提高了装置的可靠性。
附图说明
图1是本发明波浪能发电装置的结构示意图，图中：1浮子、2机壳、3定子、4动子、5弹簧、6动子滑轨、7、锥形端盖；
图2是本发明波浪能发电装置定子结构示意图，其中，图2a为本发明波浪能发电装置定子结构侧面剖视图；图2b本发明波浪能发电装置定子结构俯视图，
图中：301定子隔磁环、302定子齿、303线圈、304永磁体；
图3是本发明波浪能发电装置动子结构示意图，其中，图3a为本发明波浪能发电装置动子中心套管示意图；图3b本发明波浪能发电装置动子结构示意图；图3c为本发明波浪能发电装置动子固定端环、导磁环、隔磁环示意图，
图中：401动子导磁环、402动子隔磁环、403中心套管、404固定端环。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明波浪能发电装置包括浮子1、机壳2、定子3、动子4、弹簧5、动子滑轨6和锥形端盖7。浮子1和锥形端盖7位于机壳2的两端，与机壳2形成一个密封腔体，定子3、动子4、弹簧5和动子滑轨6密封于机壳2内部。
如图1或图2所示，定子3为圆筒状结构，由若干个厚度相同的定子单元和定子隔磁环301沿轴向交替累叠而成。定子单元内侧均匀分布一定数量的定子齿302，定子齿上绕有线圈303。定子齿302的顶部开有方形孔，方形孔内嵌有径向充磁的方形永磁体304，永磁体304的磁极沿圆周方向交替排列。
如图1或图3所示，动子4为圆筒状结构，由动子导磁环401、动子隔磁环402、中心套管403和固定端环404组成。若干厚度相同的动子导磁环401和动子隔磁环402沿轴向交替累叠，套在中心套管403的外周。如图3所示，定子导磁环401和动子隔磁环402间隔排列，上端第一个是动子隔磁环402，第二个是动子导磁环401，……,，下端倒数第二个是动子导磁环401，最下端是动子隔磁环402。两个固定端环404分别位于中心套管403的两端，分别布置在上端第一个动子隔磁环402上面和最末端的动子隔磁环402的下面。中心套管403的两端为外螺纹，与带有内螺纹孔的“凸”字形固定端环404配合紧固。
如图1所示，动子4位于定子3的内侧，动子4与弹簧5依次套装在套入动子滑轨6上，动子4能够可沿动子滑轨6上下滑动；动子滑轨6与机壳2同心同轴，动子滑轨6的两端分别固定在浮子1和锥形端盖7上；弹簧5位于动子4两端，分别与浮子1和锥形端盖7相连。

Claims (1)

1.一种波浪能发电装置，所述装置包括浮子(1)、机壳(2)、定子(3)、动子(4)、弹簧(5)、动子滑轨(6)和锥形端盖(7)，其特征在于：所述浮子(1)和锥形端盖(7)位于机壳(2)两端，与机壳(2)形成一个密封腔体，定子(3)、动子(4)、弹簧(5)和动子滑轨(6)密封于机壳(2)内部；所述动子(4)位于定子(3)的内侧，动子(4)与弹簧(5)依次套装在动子滑轨(6)上，弹簧(5)位于动子(4)的两端，分别与浮子(1)和锥形端盖(7)相连，动子(4)能够沿动子滑轨(6)上下滑动；所述动子滑轨(6)与机壳(2)同心同轴，动子滑轨(6)的两端分别固定于浮子(1)和锥形端盖(7)上；
所述定子(3)为圆筒状结构，由若干个厚度相同的定子单元和定子隔磁环(301)沿轴向交替累叠而成；所述定子单元内侧均匀分布有定子齿(302)，定子齿(302)上绕有线圈(303)；定子齿(302)的顶部开有方形孔，方形孔内嵌有径向充磁的方形永磁体(304)，永磁体(304)磁极沿圆周方向交替排列；
所述动子(4)由动子导磁环(401)、动子隔磁环(402)、中心套管(403)和固定端环(404)组成；若干厚度相同的动子导磁环(401)和动子隔磁环(402)沿轴向交替累叠套在中心套管(403)的外周；中心套管(403)的两端为外螺纹，与带有内螺纹孔的“凸”字形固定端环(404)配合紧固；
该波浪能发电装置为全封闭式“T”型结构，采用“不倒翁”原理，投入海中将自动保持竖直位置并漂浮于海面，随着波浪上下运动；由于惯性的作用，发电装置整体的上下运动导致动子沿动子滑轨上下滑动，同时对动子两端的弹簧进行不同程度的压缩或拉伸，形成往复运动；当动子上的导磁环与定子单元严格对齐时，二者形成“导磁平面”，定子单元齿上的永磁体在该“导磁平面”上形成闭合回路；随着动子的运动，动子非导磁环，即动子隔磁环逐渐与定子单元对齐，原“导磁平面”被破坏，磁路断开；磁路变化造成通过定子线圈的磁场变化，进而在定子线圈中感应出电流；多个定子单元按照特定的间距沿轴向排列，每个定子单元形成闭合磁路的时刻和位置均不相同，从而产生稳定的多相电能输出。
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