CN108964401B - 一种基于多层聚磁嵌入式圆筒直线发电机的波浪发电系统 - Google Patents

一种基于多层聚磁嵌入式圆筒直线发电机的波浪发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多层聚磁嵌入式圆筒直线发电机的波浪发电系统,包括多层聚磁式圆筒型直线电机、外浮筒和内浮筒;所述多层聚磁式圆筒型直线电机包括初级和次级,初级和次级之间形成磁场气隙,多层聚磁式圆筒型直线电机安装在内浮筒中,且位于内浮筒的上半部;初级固定在内浮筒的内壁上,次级与外浮筒刚性相连;将基于聚磁效应的多层内嵌式圆筒型直线电机和波浪能发电系统相结合,有效克服了传统直线电机海浪发电效率不高,性价比低的缺点,能够极大的提高发电机的功率密度和海洋能的转化效率。

Description

一种基于多层聚磁嵌入式圆筒直线发电机的波浪发电系统
技术领域
本发明涉及可再生能源利用技术领域,具体涉及一种基于多层聚磁嵌入式圆筒直线发电机的波浪发电系统。
背景技术
随着全球经济的快速发展,人类对于能源消耗的需求必然日益增加。然而,全球大部分的能源消耗来源于化石能源。而化石能源作为一种非可再生能源,其燃烧和使用的过程中引起了一系列问题,譬如温室效应,环境污染和地质生态破坏等。因此,能源消耗和环境的协调可持续发展问题受到当今世界各国的共同关注。新型可再生清洁能源的开发和利用,不仅可以满足人类日益增长能源消耗的需求,而且可以改善环境,实现全球经济的可持续发展。波浪能作为一种新型可再生清洁能源,越来越受到世界各国的瞩目。
从能量传递的角度来讲,波浪能直接来源于风能,而风能是由于地球转动和地球表面大气层受太阳能加热不均引起的。所以,波浪能起源于太阳能,是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源。在太阳能转换成风能的过程中,平均能量密度得以加强(从太阳能的0.1~0.3kW/m2到风能的0.5kW/m2);而由风能转换成波浪能的过程中,平均能量密度得到了进一步的聚集(2~3kW/m2)。因此,开发和利用波浪能具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。但具体到我国近海的波浪能分布,其中大部分海洋内的波速较低,这导致波浪转化设备体积庞大,维护费高,从发电成本上来看比陆地火电要高不少,这严重影响了波浪能的开发和实际应用,所以必须针对直线发电机在低速下的功率密度过低的问题提出解决方案。
发明内容
为了解决我国近海岸海浪波速不高导致发电设备效率不高、性价比低的缺点,本发明提出了一种基于多层聚磁嵌入式圆筒直线发电机的波浪发电系统,采用具有聚磁效应的新型圆筒型直线发电机替代传统发电机,能够极大提高发电设备的功率密度,在一定程度上降低波浪发电的成本和设备体积,促进波浪发电在新能源领域的发展。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于多层聚磁式圆筒直线发电机的波浪发电系统,包括多层聚磁式圆筒型直线电机、外浮筒和内浮筒;所述多层聚磁式圆筒型直线电机包括初级和次级,初级和次级之间形成磁场气隙,多层聚磁式圆筒型直线电机安装在内浮筒中,且位于内浮筒的上半部;初级固定在内浮筒的内壁上,次级与外浮筒刚性相连;通过调节外浮筒的配重,使其振动频率和运动速度均接近海洋波浪的振动频率和运动速度;通过调整内浮筒的吃水深度,使其振荡周期远离海洋波浪的振荡周期,且内浮筒的底部安装有能使其在海洋内保持静止的配重物体;内浮筒的下端与在海底的沉石相连,在海洋波浪的起伏中,内浮筒和外浮筒之间形成了相对速度差和位移差,作用在多层聚磁式圆筒型直线电机上,使其次级和初级产生相对运动,次级的电枢绕组切割磁场线,感应出电动势产生电能。
位于内浮筒底端的配重物体上方设有微调仓,该内浮筒的中部注有聚丙乙烯防水材料与下方的微调仓隔开。
所述多层聚磁式圆筒型直线电机的初级包括初级背铁、电枢齿槽、电枢极靴、绕组和辅助定位力齿;次级包括永磁体、不导磁防腐轴承、护磁铁心和设置在极与极之间的磁障;
其中,初级背铁、电枢齿槽、电枢极靴和辅助定位力齿均采用径向叠片硅钢;所述辅助定位力齿固定在初级两端,绕组分布采用分数槽集中绕组。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机中,极槽配比为6槽7极,且电枢齿槽为直槽结构。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机中,次级采用多层嵌入式轴向充磁结构永磁体。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机中次级的磁障为具有规则的几何形状的空心结构。
所述多层聚磁式圆筒型直线电机在初级的两端安装有机械抱闸装置。
外浮筒内设有若干密闭腔室,密闭腔室包括整流仓、逆变仓、通讯仓和配重仓,整流仓和逆变仓分别安装有电源后处理电路,将波浪发电所产生的不规则电能转化成能够被负荷所利用的标准电源;通讯仓中安装有GPS定位模块、通讯模块、人工交互模块,能够对波浪发电系统的运行状况进行实时监控。
有益效果:本发明与现有技术相比,本发明具有以下优点:本发明将多层聚磁嵌入式圆筒直线电机与双浮筒式波浪发电相结合,形成一体化结构,结构紧凑,同时实现波浪能的捕获和能量转化,为我国海岛建设、观测设备和海洋军事提供电力保障;同时采用多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机能够通过其聚磁效应提高发电机的功率密度和输出功率,再同等体积下产生更多的电能。为解决我国近海岸海浪波速不高导致发电设备效率不高、性价比低的缺点,提供新的解决方案,在一定程度上降低波浪发电的成本和设备体积,促进波浪发电在新能源领域的发展。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明多层聚磁嵌入式圆筒型直线发电机的剖分示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明。
图1中包括以下部件:1-1外浮筒、1-2-内浮筒、1-3阻尼盘、1-4锚链、1-5沉石、1-6三角连接轴。
如图1所示,一种基于多层聚磁嵌入式圆筒型直线发电机的波浪发电系统,包括多层聚磁嵌入式圆筒型直线发电机、外浮筒1-1和内浮筒1-2,圆筒型直线发电机包括电枢初级和永磁次级,初级和次级之间形成气隙,圆筒型直线发电机被安装在内浮筒1-2上方,且外浮筒1-1与永磁次级之间通过三角连接轴1-6刚性连接;通过调节外浮筒1-1的配重,使其振动频率和运动速度均接近或等于海洋波浪的振动频率和运动速度;通过调整内浮筒1-2的吃水深度,使其振荡周期远离海洋波浪的振荡周期,且内浮筒1-2的底部安装有能使其在海洋内保持静止的阻尼盘1-3;内浮筒1-2的下端通过锚链1-4与海底沉石1-5相连,将波浪发电系统固定在海洋某点;在海洋波浪的起伏中,内浮筒1-2和外浮筒1-1之间形成了相对速度差和位移差,多层嵌入式圆筒型直线发电机的电枢初级与永磁次级之间也产生了相对速度差和位移差,永磁次级的电枢绕组切割磁场线,感应出电动势产生电能,电能安装在外浮筒1-1内部的AC-DC电路和DC-AC电路逆变成工频电源输送给用电负荷。基于多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机波浪能发电系统通过直驱发电直接将海浪动能转化为电能,极大地简化了传动结构,有效地提高了转化效率。
内浮筒1-2的内部底端设有配重物体,且配重物体上方设置有微调仓。外浮筒1-1内设有若干密闭腔室,密闭腔室包括整流仓、逆变仓、通讯仓和配重仓。整流仓和逆变仓分别安装有电源后处理电路,将波浪发电所产生的不规则电能转化成能够被负荷所利用的标准电源;通讯仓中安装有GPS定位模块、通讯模块、人工交互模块,能够对波浪发电系统的运行状况进行实时监控,并且在紧急情况或极端天气下进行人工干预,以保证系统的稳定运行。
直线发电机作为波浪发电系统的能量转化核心装置,其功率密度和转化效率直接决定了此系统的安装体积重量、制造成本、电能性价比以及最终的推广范围。对此,必须在体积一定的情况下,尽可能的增加其功率输出和能效。多层聚磁嵌入式圆筒型直线发电机采用内嵌式结构,能够在一定程度上抗击风浪的冲击和海水的腐蚀。同时,多层永磁嵌入的结构能够使磁场向气隙内聚集,从而增强其气隙磁场密度,提高能量转化效率。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机,包括从外到内依次设置为电枢初级、磁场气隙和永磁次级;电枢初级包括初级背铁2-6、电枢齿槽2-9、电枢极靴2-8、绕组2-7和辅助定位力齿2-5。永磁次级包括环状嵌入永磁片2-2、不导磁防腐轴承2-3、护磁铁心2-1和磁障2-4;电枢初级和永磁次级之间形成磁场气隙。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机中,电枢初级中的背铁、齿槽、极靴和辅助定位力齿都采用叠片硅钢,在一定程度上减小涡流效应,提高功率输出、降低损耗。在轴向充磁的电机中,采用轴向叠片不能抑制涡流损耗,所以本装置中采用的是径向叠片。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机中,极槽配比为6槽7极,此配比适用于小型波浪发电直线电机,且电枢齿槽为直槽结构,在电枢体积一定的情况下,能够保证足够的绕组空间来排布更多的线圈,提高感应电动势和输出电压。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机,采用极靴结构保证永磁体磁通能够通过气隙交链到绕组上,从而降低漏磁系数;绕组分布采用分数槽集中绕组,降低定位转矩和转矩波动,同时集中绕组无重叠,相间绝缘好,线圈容易机械下线,降低生产成本。
本发明直线发电机中,采用端部辅助定位力齿降低定位力转矩,直线电机具有独特的开断结构,在端部范围内就会产生畸变磁场,导致很大的定位转矩,而两端采用辅助齿在一定程度上可以平衡磁场畸变,降低定位力,使得发电机在低速海洋波浪中也能够运行发电。
本发明直线发电机中,在电枢初级的两端安装有机械抱闸装置,在遭遇极端海洋气候时,抱闸装置会自动运行锁死,使发电机和浮筒形成一个紧密整体,停止运行发电,保证电能后处理电路的不被高电压击穿,并且增强其抗击风浪能力。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机中,永磁次级中为环状永磁体结构,并采用轴向充磁结构,在实际制造过程中,轴向充磁能够一次成型,与径向充磁的分段充磁和分段贴片相比具有很大的优势;为增加电机气隙内的磁场强度,采用多层嵌入永磁体结构,即可具有聚磁效应,在一个极距内的气隙磁场强度为五片环状永磁体的串联叠加,如此即可提高电机的功率密度和输出效率;五片环状永磁体关于中间永磁体中心线空间对称,使其磁场分布在空间内也呈对称分布,以确定感应电动势的三相均匀分布;分别对其中三片永磁体的长、宽和高采用全局优化算法,找出使其径向磁密正弦化的最优解。
本发明直线发电机中,永磁次级在极与极之间设置磁障,以降低内嵌式直线发电机的定位力,同时也使反电势的波形正弦化;磁障为具有一定几何形状的结构,内为空心,五片环状永磁的磁力线在磁障前,由于磁阻变大,所以分成两份分别向磁障两端穿过,在一定程度上抑制了内嵌式直线电机的磁阻跃变,从而降低定位力和优化反电势波形。
本发明直线发电机中,永磁次级在永磁体的周围设置护磁铁心,铁心略高于永磁体的高度,包裹住永磁体;此铁心结构除了为磁力线提供磁路以外,其机械强度也为永磁体提供机械保护和防腐保护,防止电机在运行过程中对永磁体造成表面磨损或因极端海洋天气下,波浪力对永磁体产生不可逆的破坏,同时也防止海水的腐蚀。
多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机中,电机的轴承采用不导磁的不锈钢结构,防止磁通在轴中通过,形成大量的漏磁,降低电机的反电势幅值和输出功率;同时不锈钢材料也使得电机在海水中的耐腐蚀能力得到提高,增加其海洋生存能力。

Claims (6)

1.一种基于多层聚磁式圆筒直线发电机的波浪发电系统,其特征在于:包括多层聚磁式圆筒型直线电机、外浮筒和内浮筒;所述多层聚磁式圆筒型直线电机包括初级和次级,初级和次级之间形成磁场气隙,多层聚磁式圆筒型直线电机安装在内浮筒中,且位于内浮筒的上半部;初级固定在内浮筒的内壁上,次级与外浮筒刚性相连;通过调节外浮筒的配重,使其振动频率和运动速度均接近海洋波浪的振动频率和运动速度;通过调整内浮筒的吃水深度,使其振荡周期远离海洋波浪的振荡周期,且内浮筒的底部安装有能使其在海洋内保持静止的配重物体;内浮筒的下端与在海底的沉石相连,在海洋波浪的起伏中,内浮筒和外浮筒之间形成了相对速度差和位移差,作用在多层聚磁式圆筒型直线电机上,使其次级和初级产生相对运动,次级的电枢绕组切割磁场线,感应出电动势产生电能;外浮筒内设有若干密闭腔室,密闭腔室包括整流仓、逆变仓、通讯仓和配重仓,整流仓和逆变仓分别安装有电源后处理电路,将波浪发电所产生的不规则电能转化成能够被负荷所利用的标准电源;
所述次级为环状永磁体结构且在极与极之间设置磁障,所述磁障为具有一定几何形状的结构,其内为空心,环状永磁体的磁力线在磁障前;在一个极距内的气隙磁场强度为五片环状永磁体的串联叠加,五片环状永磁体关于中间永磁体中心线空间对称,该五片环状永磁体包括大中小三种尺寸规格,对三种尺寸规格的长、宽和高采用全局优化算法,找出使其径向磁密正弦化的最优解。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层聚磁式圆筒直线发电机的波浪发电系统,其特征在于:所述通讯仓中安装有GPS定位模块、通讯模块、人工交互模块,能够对波浪发电系统的运行状况进行实时监控。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层聚磁式圆筒直线发电机的波浪发电系统,其特征在于:所述多层聚磁式圆筒型直线电机的初级包括初级背铁、电枢齿槽、电枢极靴、绕组和辅助定位力齿;所述初级背铁、电枢齿槽、电枢极靴和辅助定位力齿均采用径向叠片硅钢;所述辅助定位力齿固定在初级两端,绕组分布采用分数槽集中绕组;
所述次级包括永磁体、不导磁防腐轴承、护磁铁心和设置在极与极之间的磁障;
永磁体的周围设置护磁铁心,护磁铁心高于永磁体的高度,包裹住永磁体。
4.根据权利要求1所述的基于多层聚磁式圆筒直线发电机的波浪发电系统,其特征在于:位于内浮筒底端的配重物体上方设有微调仓,该内浮筒的中部注有聚丙乙烯防水材料与下方的微调仓隔开。
5.根据权利要求1所述的基于多层聚磁式圆筒直线发电机的波浪发电系统,其特征在于:多层聚磁嵌入式圆筒型直线电机中,极槽配比为6槽7极,且电枢齿槽为直槽结构。
6.根据权利要求1所述的基于多层聚磁式圆筒直线发电机的波浪发电系统,其特征在于:所述多层聚磁式圆筒型直线电机在初级的两端安装有机械抱闸装置。
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