CN106640505A - 一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统 - Google Patents

一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及海浪发电和直线运动发电技术领域，尤其涉及一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，包括主面板和发电机模块，主面板上设置有若干电机槽，发电机模块嵌入电机槽中，发电机模块包括初级定子、次级动子和中心轴，初级定子设置在电机槽的内壁，中心轴设置在电机槽的中心，次级动子以中心轴为轴，随着波浪流经电机槽从而带动初级定子进行前后往复运动，将波浪能转换成电能。本发明采用了主面板与发电机模块分离式的结构设计，极大的便利了电力控制系统的设计调试和日后的维修和维护，优化了发电系统，更好的吸收波浪能，具有良好的经济效应。

Description

一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统
技术领域
本发明涉及海浪发电和直线运动发电技术领域，尤其涉及一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统。
背景技术
随着科学技术的发展和现代化进程的加快，人类对能源的需求将越来越大，导致了一次能源的严重消耗，特别是石油和天然气等资源已日益枯竭，同时也造成了严重的环境污染，于是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。如果采用传统齿轮箱或者是液压系统来进行增速达到增加发动机动子速度的目的，必然会带来整体系统效率降低，维护复杂等问题。
发明内容
本发明提供了一种基于直线圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，本发明可用于直接驱动的海浪发电装置和其他类型的直线发电系统中，由于采用了主面板与发电机模块分离式结构设计，极大的便利了电力控制系统的设计调试和日后的维修和维护，优化了发电系统，更好的吸收波浪能，具有良好的经济效应。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，包括主面板和发电机模块，主面板上设置有若干电机槽，发电机模块嵌入电机槽中，发电机模块包括初级定子、次级动子和中心轴，初级定子设置在电机槽的内壁，中心轴设置在电机槽的中心，次级动子以中心轴为轴，随着波浪流经电机槽从而带动初级定子进行前后往复运动，将波浪能转换成电能。
作为本发明的优化方案，发电机模块为圆筒型永磁直线发电机模块，发电机模块与主面板为分离式结构。
作为本发明的优化方案，初级定子位于中心轴的外部，初级定子包括凸定子铁心、辅助槽和初级三相绕组，初级三相绕组嵌于凸定子铁心内表面的辅助槽中。
作为本发明的优化方案，次级动子位于中心轴的外部，次级动子包括铁背和准Halbach结构的永磁体，准Halbach结构的永磁体呈环状结构沿中心轴的轴向排布成筒状，准Halb ach结构的永磁体均匀的贴在铁背的外表面，初级定子与准Halbach结构的永磁体之间留有气隙。
作为本发明的优化方案，发电机模块设置有螺纹的电机外壁，电机槽具有螺纹内壁，发电机模块的电机外壁旋转嵌入电机槽的螺纹内壁中。
作为本发明的优化方案，一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统还包括支架，支架用于支撑主面板。
作为本发明的优化方案，凸定子铁心和铁背均采用硅钢片叠加构成。
作为本发明的优化方案，初级三相绕组为三相集中绕组结构。
作为本发明的优化方案，中心轴通过中心轴固定支架固定在发电机模块的电机外壁上。
本发明具有积极的效果：1)本发明采用了主面板与发电机模块分离式的结构设计，极大的便利了电力控制系统的设计调试和日后的维修和维护，优化了发电系统，更好的吸收波浪能，具有良好的经济效应。
2)采用圆筒型结构设计，圆周的初级和次级间的相互吸力四周相互抵消，使得发电机没有径向吸力。圆筒型结构设计消除了旋转电机和普通直线电机存在的边端效应，增加了电机效率。
3)本发明发电机模块的反电动势和绕组磁链波形有很好的正弦性，便于电能的后处理与并网。
4)本发明发电机模块所受的轴向电磁力较小，这样就大大减小运行过程中噪声和振动对电机的性能影响。
5)本发明直接连接驱动，无需中间传动结构，减少中间机械损耗，提高发电效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明发电机模块的示意图；
图2为本发明正面结构的示意图；
图3为本发明的发电机模块和主面板的装配示意图；
图4为本发明配置的用电系统的示意图；
图5为本发明在海水中的安放示意图。
其中：1、主面板，2、发电机模块，11、电机槽，21、初级定子，22、次级动子，23、中心轴，24、中心轴固定支架，211、凸定子铁心，212、辅助槽，213、初级三相绕组，221、铁背，222、准Halbach结构的永磁体，3、气隙，4、电机外壁，5、支架。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明公开了一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，包括主面板1和发电机模块2，主面板1上设置有若干电机槽11，发电机模块2嵌入电机槽11中，发电机模块2包括初级定子21、次级动子22和中心轴23，初级定子21设置在电机槽11的内壁，中心轴23设置在电机槽11的中心，次级动子22以中心轴23为轴，随着波浪流经电机槽11从而带动初级定子21进行前后往复运动，将波浪能转换成电能。根据系统安置水域的波浪推力和频率的具体情况，在满足所需电力的情况下，在主面板1上设置合适数量的发电机模块2。
发电机模块2为圆筒型永磁直线发电机模块，发电机模块2与主面板1为分离式结构。发电机模块2设置有螺纹的电机外壁4，电机槽11具有螺纹内壁，发电机模块2的电机外壁4旋转嵌入电机槽11的螺纹内壁中。
初级定子21位于中心轴23的外部，初级定子21包括凸定子铁心211、辅助槽212和初级三相绕组213，初级三相绕组213嵌于凸定子铁心211内表面的辅助槽212中。其中，初级定子21的铁心由硅钢材料构成，初级定子21的中心轴采用质量较轻的非导磁材料构成。
次级动子22位于中心轴23的外部，次级动子22包括铁背221和准Halbach结构的永磁体222，准Halbach结构的永磁体222呈环状结构沿中心轴23的轴向排布成筒状，准Halbach结构的永磁体222均匀的贴在铁背221的外表面，初级定子21与准Halbach结构的永磁体222之间留有气隙3。其中，准Halbach结构的永磁体222为具有自屏蔽效应的准Halbach结构的铷铁硼永磁体。铁背221的铁心由硅钢材料构成，铁背221的中心轴采用质量较轻的非导磁材料构成。
一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统还包括支架5，支架5用于支撑主面板1。
凸定子铁心211和铁背221均采用硅钢片叠加构成。
初级三相绕组213为三相集中绕组结构。
中心轴23通过中心轴固定支架24固定在发电机模块2的电机外壁4上。
工作原理：通过嵌入合适数量的发电机模块2到主面板1中，初级定子21固定在电机槽11的内壁，次级动子22以中心轴23为轴，随着波浪流经电机槽11从而带动初级定子21进行前后往复运动，与初级定子21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。
由于波浪能具有随机性，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，再由蓄电池对用电系统进行供电，如图4中所示。
在整个波浪发电系统中，波浪能的采集装置为电机槽11中次级动子22，次级动子22的尺寸需要安装该水域的波浪所决定。为了能够使得波浪能能够被充分的吸收和利用，需要对电机槽11中次级动子22的受力建立数学模型，分析其在给定平均推力与频率的波浪的作用下，电机槽11中次级动子22的尺寸，质量与电机功率之间的对应关系。在设计时，运用simulink对电机槽11中次级动子22的位移以及电机的输出功率进行仿真，从而确定最优的电机槽11中次级动子22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。
本发明中将圆筒型永磁直线发电机内嵌到电机槽11中，初级定子21固定在电机槽11的内壁，初级三相绕组嵌于初级定子21的内表面的辅助槽212中，铁背221套在中心轴23上，永磁体呈环状结构沿轴向排布构成筒状，均匀帖在相应的铁背221的外表面，次级动子22在波浪的作用下进行前后往复的运动，从而与初级定子21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。为了减小永磁顿力，满足三相发电相位差120°，相位与相位之间的距离为(N±1/3)*T，N为整数，根据设计尺寸和要求确定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：包括主面板(1)和发电机模块(2)，所述的主面板(1)上设置有若干电机槽(11)，所述的发电机模块(2)嵌入电机槽(11)中，所述的发电机模块(2)包括初级定子(21)、次级动子(22)和中心轴(23)，所述的初级定子(21)设置在电机槽(11)的内壁，所述中心轴(23)设置在电机槽(11)的中心，次级动子(22)以中心轴(23)为轴，随着波浪流经电机槽(11)从而带动初级定子(21)进行前后往复运动，将波浪能转换成电能。
2.根据权利要求1所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：所述的发电机模块(2)为圆筒型永磁直线发电机模块，所述的发电机模块(2)与主面板(1)为分离式结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：所述的初级定子(21)位于中心轴(23)的外部，所述的初级定子(21)包括凸定子铁心(211)、辅助槽(212)和初级三相绕组(213)，所述的初级三相绕组(213)嵌于凸定子铁心(211)内表面的辅助槽(212)中。
4.根据权利要求3所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：所述的次级动子(22)位于中心轴(23)的外部，所述的次级动子(22)包括铁背(221)和准Halbach结构的永磁体(222)，所述准Halbach结构的永磁体(222)呈环状结构沿中心轴(23)的轴向排布成筒状，所述准Halbach结构的永磁体(222)均匀的贴在铁背(221)的外表面，所述的初级定子(21)与准Halbach结构的永磁体(222)之间留有气隙(3)。
5.根据权利要求4所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：所述的发电机模块(2)设置有螺纹的电机外壁(4)，所述的电机槽(11)具有螺纹内壁，发电机模块(2)的电机外壁(4)旋转嵌入电机槽(11)的螺纹内壁中。
6.根据权利要求5所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统还包括支架(5)，所述的支架(5)用于支撑主面板(1)。
7.根据权利要求6所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：所述凸定子铁心(211)和铁背(221)均采用硅钢片叠加构成。
8.根据权利要求7所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：所述初级三相绕组(213)为三相集中绕组结构。
9.根据权利要求8所述的一种基于圆筒型永磁直线发电机的波浪能发电系统，其特征在于：所述中心轴(23)通过中心轴固定支架(24)固定在发电机模块(2)的电机外壁(4)上。
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