CN106451969A - 一种无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机 - Google Patents

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Abstract

一种无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，包括定子、双转子和转动轴，定子和双转子均采用无铁芯结构。定子固定在发电机的基座上，定子的左右两侧分别设有一个转子，转动轴穿过定子和双转子的中心，所述转动轴与双转子通过轴承连接。定子上布置有定子绕组，且所述定子上嵌入变流电路和控制电路。双转子上均固定有永磁体。

Description

一种无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机
技术领域
本发明涉及一种海洋能发电机。
背景技术
目前国外有关研究机构已针对轴向磁通直驱式海洋能发电机进行了有关研究，加拿大的纽芬兰纪念大学发表的“Design of Low Speed Axial Flux Permanent MagnetGenerators for Marine Current Application”研究了一种变极弧系数的单定子双外转子N-S磁路结构轴向磁通海洋能永磁发电机，该电机定、转子均含有铁芯，通过双边转子的永磁体变极弧系数来减小发电机的齿槽转矩，发电机的启动转矩减少，捕获最低流速降低，同时运行性能得到改善。但是变极弧系数的技术手段无法完全消除齿槽转矩，含铁芯结构的转子转动惯量大，最小启动流速仍较大，且该类轴向磁通电机的铁芯加工困难。
美国的伍斯特理工学院发表的“Design and Development of a Micro Power,Water Current Generator”研究了一种单定子双外转子N-S磁路结构轴向磁通永磁发电机，该电机双边转子采用铁芯结构，定子采用无铁芯结构消除了齿槽转矩，减少了电机低速运行的铁芯损耗，发动机的启动转矩和运行性能提高。但该发电机定子无铁芯结构通过传统绕组紧凑排布而成，造成气隙长度较大，气隙磁密下降，同时含铁芯结构转子的转动惯量大，最小启动流速仍较大。而且，海洋能发电机通常需要为其配置变流(整流和逆变)装置及用于最大功率跟踪的控制器，一般情况下变流装置和控制器作为独立系统外置于发电机，这种结构使得发电机和变流控制装置为两个独立单元，对于复杂海况条件而言，降低了系统的可靠性。
综上，采用发电机与叶片直接连接，而不使用增速装置的直驱结构捕获海洋能进行发电，由于直驱式发电机的转速低，要求发电机的启动转矩尽可能小以捕获海洋低流速能量以及较高的功率密度，而且复杂的海洋环境要求发电机及变流控制系统具有高可靠性。单定子双转子轴向磁通永磁发电机能够初步满足直驱结构海洋能发电的需求，一方面，含铁芯结构的轴向磁通永磁发电机的齿槽转矩和较大的转子转动惯量增加了发电机的启动转矩；另一方面，定子无铁芯结构的轴向磁通永磁发电机虽然消除了齿槽转矩，但电机的气隙长度大造成气隙磁密下降，功率密度降低，而且转子采用铁芯结构的转动惯量大，电机启动转矩仍较大。此外，永磁直驱式海洋能发电机的变流和控制装置独立固定于发电机外，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有海洋能发电机存在启动转矩大、功率密度低的缺点，提出一种无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，包括定子、双转子和转动轴，所述定子和双转子均采用无铁芯结构；
定子固定在发电机的基座上，定子的左右两侧分别设有一个转子，转动轴穿过定子和双转子的中心，所述转动轴与双转子通过轴承连接；
定子上布置有定子绕组，且所述定子上嵌入有变流电路和控制电路；
双转子上均固定有永磁体。
本发明的有益效果是：本发明采用的无铁芯结构的定子和双转子结构消除了发电机的齿槽转矩，控制电路和变流电路与发电机定子绕组融为一体，电机结构更为紧凑，更适于单元化、模块化生产加工和使用，而且减少了中间输出环节，提高了发电系统的可靠性。另外，本发明所述的发电机体积小、重量轻，可作为便携式可持续供电海洋移动电源。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述双转子均采用抗海水腐蚀及生物附着高分子材料实现。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明所述的双转子仅有永磁体和高分子材料组成，转子转动惯量小，转子无铁芯结构大幅减少了转动惯量，最大程度地降低了发电机的启动转矩，因此发电机的启动性能优异，特别适用于低流速区域的海洋能发电应用。
进一步，所述永磁体采用Halbach阵列结构实现。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用Halbach阵列结构，利用特殊的磁体单元的排列，增强单位方向上的场强，能够实现用最少量的磁体产生最强的磁场。并且采用这种阵列结构可以提升电机的功率密度，定转子无需斜槽，提升永磁体利用率，并可以降低发电机的转矩涟波，对于发电机的轴承要求大大的减小。
进一步，所述定子采用PCB板结构实现。
采用上述进一步方案的有益效果是：减少系统布线和装配的差错，提高效率。
进一步，所述定子为包括左右两层PCB板的双层结构，所述左层PCB板的外圈布置有定子绕组，左层PCB板的内圈设有控制电路；定子绕组的首尾端位于右层PCB板的外圈上，所述定子绕组在右层PCB板的外圈上分为多相，并将每相定子绕组的首尾端连接后引入至右层PCB板内圈的变流电路中。
进一步，每相定子绕组的首尾端通过并联或串联方式连接。
进一步，所述定子绕组包括多个线圈，线圈依据槽电势星形图分为多相。
进一步，所述定子绕组采用星形连接。
进一步，所述变流电路包括整流电路和逆变电路，用于直流电与交流电之间的转换。
进一步，所述控制电路为最大功率跟踪电路，用于控制发电机以最大功率输出。
附图说明
图1为本发明实施例的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机的结构示意图；
图2为本发明实施例的双转子1结构示意图；
图3为本发明实施例的永磁体2的充磁方向原理图；
图4a、图4b、图4c为本发明实施例的定子结构示意图，其中图4a为定子PCB板的左视图，图4b为正剖视图，图4c为定子PCB板的右视图；
图中，1转子、2永磁体、3轴承、4PCB板、5定子绕组、6控制电路、7变流电路、8转动轴、101、102两个转子中的抗海水腐蚀及生物附着高分子材料，201、202两个转子中的永磁体，501、502、503、504、505、506、507、508、509、510、511、512定子绕组的12个线圈。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机包括定子4、双转子1和转动轴8，所述定子4和双转子1均采用无铁芯结构；
定子4固定在发电机的基座上，定子4的左右两侧分别设有一个转子1，转动轴8穿过定子4和双转子1的中心，所述转动轴8与双转子1通过轴承3连接；
定子4上布置有定子绕组5，且所述定子4上嵌入有变流电路7和控制电路6；
双转子1上均固定有永磁体2，永磁体2贴于转子1的内侧。
本实施例采用的无铁芯结构的定子4和双转子1，消除了发电机的齿槽转矩，控制电路6和变流电路7与发电机定子绕组5融为一体，电机结构更为紧凑，更适于单元化、模块化生产加工和使用，而且减少了中间输出环节，提高了发电系统的可靠性。另外，本发明所述的发电机体积小、重量轻，可作为便携式可持续供电海洋移动电源。
优选的，如图2所示，其中H和I分别为两个转子1的侧视图，所述双转子1均采用抗海水腐蚀及生物附着高分子材料实现。
本实施例所述的双转子1仅由永磁体2和高分子材料组成，高分子材料用于制作转子轭部，转子1转动惯量小，因此发电机的启动性能优异，特别适用于低流速区域的海洋能发电应用。
优选的，如图2所示，永磁体201和202均采用Halbach阵列结构。
永磁体201和202采用Halbach阵列结构，Halbach阵列采用90°充磁角度或其它充磁角度，增强单位方向上的场强，能够实现用最少量的磁体产生最强的磁场。并且采用这种阵列结构可以提升电机的功率密度，定转子1无需斜槽，提升永磁体2利用率，降低发电机的转矩涟波，对于发电机的轴承3要求大大的减小。
图3所示为永磁体2采用90°充磁方向的展开图，永磁体2采用8极结构，图中所示箭头为永磁体2的充磁方向。
优选的，所述定子4采用PCB板结构实现，减少系统布线和装配的差错，提高效率。
优选的，如图4所示，所述定子4为包括左右两层PCB板的双层结构，其中图4a为定子PCB板的左视图，图4b为正剖视图，图4c为定子PCB板的右视图。
定子4的左层PCB板的外圈缠绕有定子绕组5，定子绕组5包括12个线圈501、502、503、504、505、506、507、508、509、510、511、512。以线圈501为例，其首端为图中所示的a，其尾端为图中所示的b，左层内圈设有控制电路6；
定子绕组5的首尾端位于右层PCB板的外圈上。在右层PCB板外圈上，12个线圈分为三相，其中501、504、507和510为A相，502、505、508和511为B相，503、506、509和512为C相，分别将每相的四个线圈的首尾端并联或串联，三相绕组采用Y型连接方式，即将501、502和503尾端连接在一起，线圈501、502和503的首端作为引出端，三相引出线A、B和C直接引入至右层内圈的变流电路7中，与变流电路7中的整流电路连接。
优选的，所述变流电路7包括整流电路和逆变电路，其中前级为整流电路，整流电路连接发电机三相绕组输出，后级为逆变电路，逆变电路通过程序控制，根据用户需求输出不同频率、电压的三相交流电。逆变电路的三相引出线通过发电机轴8内部引出，供用户使用。变流电路7用于直流电与交流电之间的转换。
优选的，所述控制电路6为最大功率跟踪电路，用于控制发电机在不同海况下以最大功率输出。控制电路6与变流电路7连接，通过控制变流和逆变电路的工作参数，改变发电机的电磁转矩，实现最大功率跟踪的目标。
控制电路6和变流电路7与发电机定子绕组5融为一体，电机结构更为紧凑，更适于单元化、模块化生产加工和使用，而且减少了中间输出环节，提高了发电系统的可靠性。
实际应用时，根据不同海况，发电机投放于海内一定深度，通过绳缆挂于应用设备附近，发电机转子1外侧固定安装叶片，海流驱动叶片旋转，发电机转子1旋转，固定于转子1的Halbach阵列永磁体2与定子4的绕组5发生相对运动，绕组5将以一定的速度切割永磁体2产生的磁力线，进而绕组5内产生一定频率的电压、电流，电流流过变流电路7，通过三相引出线经轴8内部引出至供电设备。其中，电流流过变流电路7时，变流电路的整流、逆变环节的参数通过控制电路6根据海况及用户要求进行控制，通过调节整流环节的输出直流电压、电流以及逆变环节的电压、电流，使发电机输出的电能频率和电压满足用户的用电需求。而且通过调节整流环节的输出直流电压、电流以及逆变环节的电压、电流，可改变发电机的电流，进而调节发电机的电磁转矩，实现对发电机的调速，达到不同海流流速下调节发电机转速以实现最大功率跟踪的控制目标。

Claims (10)

1.一种无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述发电机包括定子(4)、双转子(1)和转动轴(8)；所述定子(4)和双转子(1)均采用无铁芯结构；
定子(4)固定在发电机的基座上，定子(4)的左右两侧分别设有一个转子(1)，转动轴(8)穿过定子和双转子(1)的中心，所述转动轴(8)与双转子(1)通过轴承(3)连接；
定子上布置有定子绕组(5)，且所述定子上嵌入有变流电路(7)和控制电路(6)；
双转子(1)上均固定有永磁体(2)。
2.根据权利要求1所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述双转子(1)均采用抗海水腐蚀及生物附着的高分子材料制作。
3.根据权利要求1所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述永磁体(2)采用Halbach阵列结构。
4.根据权利要求1所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述定子(4)采用PCB板结构。
5.根据权利要求4所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述定子(4)为包括左右两层PCB板的双层结构，所述左层PCB板的外圈布置有定子绕组(5)，左层PCB板的内圈设有控制电路(6)；定子绕组(5)的首尾端位于右层PCB板的外圈上，所述定子绕组(5)在右层PCB板的外圈上分为多相，并将每相定子绕组(5)的首尾端连接后引入至右层PCB板内圈的变流电路(7)中。
6.根据权利要求5所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，每相所述的定子绕组(5)的首尾端通过并联或串联方式连接。
7.根据权利要求5或6所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述定子绕组(5)包括多个线圈，线圈依据槽电势星形图分为多相。
8.根据权利要求7所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述定子绕组(5)采用星形连接。
9.根据权利要求5所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述变流电路(7)包括整流电路和逆变电路，变流电路(7)的前级为整流电路，整流电路连接发电机三相绕组输出，变流电路(7)的后级为逆变电路，逆变电路通过程序控制，根据用户需求输出不同频率、电压的三相交流电；逆变电路的三相引出线通过发电机轴(8)内部引出，供用户使用。
10.根据权利要求5所述的无铁芯轴向磁通直驱式海洋能发电机，其特征在于，所述控制电路(6)为最大功率跟踪电路，用于控制发电机以最大功率输出。
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