CN106899194A - 基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置 - Google Patents

基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置，包括低速转子、调磁电枢、高速转子。其中低速转子由导流叶片、低速转子背铁和低速转子永磁体构成；调磁电枢由调磁极片和电枢绕组构成；高速转子由高速转子背铁和高速转子永磁体构成。调磁电枢设置在高速转子和低速转子之间，低速转子和调磁电枢之间形成第一气隙，调磁电枢和高速转子之间形成第二气隙。本发明将传统的海流能发电系统中的涡轮机、齿轮箱、发电机完美融合，采用一体化结构实现能量捕获和能量转化。该发电装置具有结构紧凑、转换效率高以及过负荷保护等优势，而且功率密度高，输入输出无接触，减小维护成本，噪音小，对海洋环境污染小。

Description

基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置
技术领域
本发明涉及一种基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置，属于海流发电领域。
背景技术
目前，传统的海流发电系统采用水流推动涡轮机旋转，这样的低速旋转若是采用永磁同步发电机作为能量转换部件，其电机的体积庞大，为了减小系统体积，通常的做法是在涡轮机与永磁同步发电机之间安装机械齿轮箱。依靠机械齿轮将涡轮叶片的低速旋转提升为高速运动，与之匹配的永磁同步发电机的体积可以适当减小。传统的海流发电系统采用涡轮机实现能量捕获，采用机械齿轮进行升速，采用普通的永磁同步发电机进行能量转换，三个部件靠连轴装置彼此连接形成一个发电系统。采用机械齿轮无法避免存在机械损耗及定期维护的问题。该系统存在体积大、重量沉、转换效率和功率密度低等缺点。
发明内容
技术问题：本发明提供一种输入和输出之间没有物理接触，通过磁场间相互耦合作用产生的磁力来实现转速、转矩和功率传递的基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置，具有功率密度高、无需润滑、无噪声、无摩擦能耗、无油污、防水防尘、有过载保护作用等优点。
技术方案：本发明的基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置，包括从内至外依次设置的低速转子、调磁电枢和高速转子；所述低速转子包括低速转子背铁、固定安装在所述低速转子背铁内表面的导流叶片、沿所述低速转子背铁外表面以表贴或内嵌方式排布的低速转子永磁体；所述调磁电枢是由电枢绕组和调磁极片交替排列而成的环状结构；所述高速转子包括高速转子铁心、以表贴或内嵌方式排布在高速转子铁心内表面的高速转子永磁体；所述低速转子和调磁电枢之间有第一气隙，调磁电枢和高速转子之间有第二气隙。
进一步的，本发明装置中，低速转子永磁体(13)极对数为Nl，高速转子永磁体极对数为Nh，调磁电枢的调磁极片的数目为Np＝Nh+Nl，电机所获得的速比为Gr＝Nl/Nh；所述低速转子和高速转子的旋转方向相反，Nh和Nl均为自然数，且Nh＜Nl。
进一步的，本发明装置中，调磁电枢的调磁极片叠压形成基块，在基块上均匀间隔设置镂空槽，在镂空槽内嵌置电枢绕组，电枢绕组极对数为Nw＝Nh，即电枢绕组的极对数与高速转子永磁体极对数相等。
所述低速转子、调磁电枢和高速转子同轴耦合，保持调磁电枢固定，低速转子和高速转子按照磁通调制原理所形成的速比分别进行旋转运动，低速转子和高速转子运动方向相反。
所述一体化发电装置将传统的海流能发电系统中的涡轮机、机械齿轮箱、发电机等重要部分完美融合，形成一体化结构，结构紧凑，同时实现能量捕获和能量转换功能。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置通过改变低速转子永磁体和高速转子永磁体的磁极对数，达到改变电机速比的目的，具体设计为：低速转子永磁体极对数为Nl，高速转子永磁体极对数为Nh，调磁电枢的调磁极片的数目为Np＝Nh+Nl，电机所获得的速比为Gr＝Nl/Nh；并且低速转子和高速转子二者旋转方向相反，Nh和Nl均为自然数，且Nh＜Nl。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置导流叶片安装于低速转子背铁的内表面，海流通过时导流叶片旋转，实现能量捕获；导流叶片运动时带动该发电装置的低速转子以速度vl旋转，根据磁通调制原理，高速转子以速度vh＝Gr*vl旋转，高速旋转磁场在固定电枢绕组中感应出高幅值的感应电动势，向负荷提供电能，实现了能量转换的功能。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置采用了磁通调制原理，功能上替代了机械齿轮箱却消除了机械齿轮带来的机械磨损。该发电装置低速转子和高速转子之间具有非接触性的特点也能实现变速功能；固有的过负载保护优势在发电装置重负荷运行，负荷转矩超过最大输出转矩时，低速转子和高速转子自动失步，避免对发电装置造成损害。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置中，调磁电枢的调磁体由导磁极片叠压形成基块，在基块上均匀间隔设置镂空槽，在镂空槽内嵌置电枢绕组，相邻电枢绕组之间的导磁极片具有双重功能：既作为电枢绕组的电枢齿，又作为磁通调制极片，调制低速转子永磁体和高速转子永磁体所形成的谐波磁场。
优选的，所述高速转子永磁磁片、低速转子永磁磁片均采用钕铁硼永磁材料，钕铁硼永磁材料具有更优越的性能。
优选的，所述调磁电枢的调磁体包括由导磁硅钢片叠压形成基块，在基块上均匀间隔设置镂空槽，在镂空槽内嵌置电枢绕组，相邻电枢绕组之间的导磁硅钢片部分形成导磁体。设高、低速转子的永磁磁极对数分别为Nh和Nl，则总共有Nh+Nl个电枢绕组，两个电枢绕组之间的铁心凸极导磁体有Nh+Nl个。
优选的，所述高速转子铁心、低速转子铁心、调磁电枢中的导磁硅钢片均由普通硅钢片材料制成。
优选的，通过改变低速转子永磁体和高速转子永磁体的磁极对数，达到改变电机速比的目的，具体设计为：低速转子永磁体极对数为Nl，高速转子永磁体极对数为Nh，调磁电枢的调磁极片的数目为Np＝Nh+Nl，电机所获得的速比为Gr＝Nl/Nh；并且低速转子和高速转子二者旋转方向相反，Nh和Nl均为自然数，且Nh＜Nl。优选的，所述低速转子永磁体极对数为Nl，高速转子永磁体极对数为Nh，调磁电枢的调磁极片的数目为Np＝Nh+Nl，Nh和Nl均为自然数，且Nh＜Nl。
电枢绕组极对数为Nw＝Nh，即电枢绕组的极对数与高速永磁体极对数相等。这样才能保证气隙中的高速谐波磁场与绕组极对数匹配，获得高幅值的电能输出。
该基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置为圆筒式结构，即高速转子、调磁电枢、低速转子均为同轴圆筒状结构。
本发明的一体化发电装置外形简单，输入和输出之间没有物理接触，是通过磁场间相互耦合作用产生的磁力来实现转速、转矩和功率的传递。基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置具有一些独特的特点，如功率密度高、无需润滑、无噪声、无摩擦能耗、无油污、防水防尘、有过载保护作用等。
本发明一体化发电装置将传统的海流能发电系统中的涡轮机、机械齿轮箱、发电机等部件融合，形成一体化结构，结构紧凑，同时实现能量捕获和能量转换功能。导流叶片与低速转子结合捕获海流能，装置采用磁通调制原理使得低速转子和高速转子之间具有非接触性的特点，同时高速转子实现变速功能，以高速驱动电机以获取更大电能输出。该装置功能上替代了机械齿轮箱，却消除了机械齿轮带来的机械磨损。低速转子、调磁电枢和高速转子同轴耦合，保持调磁电枢固定，低速转子和高速转子按照磁通调制原理所形成的速比分别进行旋转运动，低速转子和高速转子运动方向相反。若将叶片结构根据不同应用场合采用不同结构形式，可将该一体化发电装置进行拓展，在电动汽车驱动、风力发电等领域也有施展空间。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置将传统海流发电系统中的涡轮机、机械齿轮箱、发电机完美融合。导流叶片与低速转子结合捕获海流能，装置采用磁通调制原理使得低速转子和高速转子之间具有非接触性的特点，同时高速转子实现变速功能，以高速驱动电机以获取更大电能输出。该装置功能上替代了机械齿轮箱，却消除了机械齿轮带来的机械磨损，具有体积小、质量轻、无机械磨损、低噪音、活动部件之间物理绝缘的优势；
2、一体化发电装置外形简单，输入和输出之间没有物理接触，是通过磁场间相互耦合作用产生的磁力来实现转速、转矩和功率的传递。基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置固有的过负载保护优势，具体表现为：当发电装置负荷转矩超过电机的最大输出转矩时，其低速转子和高速转子自动失步，即低速转子随导流叶片继续低速旋转，但高速转子转速为零，这样的过负荷保护能力能够避免对发电装置的损害；
3、基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置导流叶片安装于低速转子背铁的内表面，海流通过时导流叶片旋转，实现能量捕获；导流叶片运动时带动该发电装置的低速转子以速度vl旋转，根据磁通调制原理，高速转子以速度vh＝Gr*vl旋转，高速旋转磁场在固定电枢绕组中感应出高幅值的感应电动势，向负荷提供电能，实现了能量转换的功能。基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置与采用普通永磁同步发电机的海流发电系统相比，本案提出的磁通调制复合电机自身就具有增速功能在电枢绕组中产生比普通永磁同步电机高得多的电动势，从而具有更高的电能输出能力。
4、基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置体积小，发电功率大，因此具有更高的功率密度。输入和输出之间没有物理接触，是通过磁场间相互耦合传递转速和功率，因此大大消减了维护成本。低速转子和高速转子之间具有非接触性的特点，因此噪音小，对海洋环境污染小。
附图说明
图1为基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置由三部分构成：包括低速转子1、调磁电枢2和高速转子3；
所述低速转子1包括导流叶片11、低速转子背铁12、沿低速转子背铁12外表面以表贴或内嵌方式排布的低速转子永磁体13；所述调磁电枢2包括电枢绕组21和调磁极片22，电枢绕组21嵌入调磁极片22之间；所述高速转子3包括高速转子铁心32，在高速转子铁心32的内表面以表贴或内嵌方式排布高速转子永磁体31；所述调磁电枢2设置在低速转子1和高速转子3之间，低速转子1和调磁电枢2之间形成第一气隙4，调磁电枢2和高速转子3之间形成第二气隙5；
所述低速转子1、调磁电枢2和高速转子3同轴耦合，保持调磁电枢2固定，低速转子1和高速转子3按照磁通调制原理所形成的速比分别进行旋转运动，低速转子1和高速转子3运动方向相反。
所述一体化发电装置将传统的海流能发电系统中的涡轮机、机械齿轮箱、发电机等重要部分完美融合，形成一体化结构，结构紧凑，同时实现能量捕获和能量转换功能。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置通过改变低速转子永磁体13和高速转子永磁体31的磁极对数，达到改变电机速比的目的，具体设计为：低速转子永磁体13极对数为Nl，高速转子永磁体31极对数为Nh，调磁电枢2的调磁极片22的数目为Np＝Nh+Nl，电机所获得的速比为Gr＝Al/Nh；并且低速转子1和高速转子3二者旋转方向相反，Nh和Nl均为自然数，且Nh＜Nl。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置导流叶片11安装于低速转子背铁12的内表面，海流通过时导流叶片11旋转，实现能量捕获；导流叶片11运动时带动该发电装置的低速转子1以速度vl旋转，根据磁通调制原理，高速转子3以速度vh＝Gr*vl旋转，高速旋转磁场在固定电枢绕组中感应出高幅值的感应电动势，向负荷提供电能，实现了能量转换的功能。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置采用了磁通调制原理，功能上替代了机械齿轮箱却消除了机械齿轮带来的机械磨损。该发电装置低速转子和高速转子之间具有非接触性的特点也能实现变速功能；固有的过负载保护优势在发电装置重负荷运行，负荷转矩超过最大输出转矩时，低速转子和高速转子自动失步，避免对发电装置造成损害。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置中，调磁电枢2的调磁体由导磁极片22叠压形成基块，在基块上均匀间隔设置镂空槽，在镂空槽内嵌置电枢绕组21，相邻电枢绕组21之间的导磁极片22具有双重功能：既作为电枢绕组的电枢齿，又作为磁通调制极片，调制低速转子永磁体13和高速转子永磁体31所形成的谐波磁场。
基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置为圆筒式结构，即低速转子1、调磁电枢2、高速转子3均为同轴圆筒状结构。
上述实施例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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置，其特征在于，该装置包括从内至外依次设置的低速转子(1)、调磁电枢(2)和高速转子(3)；
所述低速转子(1)包括低速转子背铁(12)、固定安装在所述低速转子背铁(12)内表面的导流叶片(11)、沿所述低速转子背铁(12)外表面以表贴或内嵌方式排布的低速转子永磁体(13)；所述调磁电枢(2)是由电枢绕组(21)和调磁极片(22)交替排列而成的环状结构；所述高速转子(3)包括高速转子铁心(32)、以表贴或内嵌方式排布在高速转子铁心(32)内表面的高速转子永磁体(31)；所述低速转子(1)和调磁电枢(2)之间有第一气隙(4)，调磁电枢(2)和高速转子(3)之间有第二气隙(5)。
2.根据权利要求1所述的基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置，其特征在于，所述低速转子永磁体(13)极对数为Nl，高速转子永磁体(31)极对数为Nh，调磁电枢(2)的调磁极片(22)的数目为Np＝Nh+Nl，电机所获得的速比为Gr＝Nl/Nh；所述低速转子(1)和高速转子(3)的旋转方向相反，Nh和Nl均为自然数，且Nh＜Nl。
3.根据权利要求1或2所述的基于磁通调制复合电机的海流能一体化发电装置，其特征在于：所述调磁电枢(2)的调磁极片(22)叠压形成基块，在基块上均匀间隔设置镂空槽，在镂空槽内嵌置电枢绕组(21)，电枢绕组(21)极对数为Nw＝Nh，即电枢绕组(21)的极对数与高速转子永磁体(31)极对数相等。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170627

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