CN116455170B - 一种点吸收式波浪发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源的技术领域，公开了一种点吸收式波浪发电系统，包括采用轴向磁通切换原理制成的发电机，包括动子、转子和定子，所述发电机通过滑轨支撑机构设置基桩上，所述基桩设置在海底，高出海面，所述发电机中动子的一端通过连杆机构与浮体相连，所述浮体随着波浪上下垂荡运动，所述滑轨支撑机构用于支撑动子，并由连杆机构带动动子沿滑轨做往复直线运动，以切割与转子之间的螺旋磁场，促使转子转动，从而在定子中产生感应电动势，实现发电。本发明的发电系统省略了液压、气动等中间环节，节省能量传递的过程损失，提高了波浪能到动子运动动能之间的能量转换率并且极大降低了装置复杂度。

Description

一种点吸收式波浪发电系统

技术领域

本发明涉及新能源的技术领域，具体来说，是一种点吸收式波浪发电系统。

背景技术

由于海洋能具有易于预测、传播损耗小、能量密度高、蕴藏量丰富等优点，波浪发电系统的研究受到了多国政府的广泛关注。但是因为波浪能运动缓慢、海洋环境恶劣等原因，进展相对缓慢。

根据波浪能与电能之间的能量转换方法，可以将波浪能发电系统分为直驱式、液压式和机械式等，其中直驱式波浪发电系统采用波浪激振力直接驱动直线发电机发电，但由于波浪运动周期很长等特性使得直线发电机的体积、重量和成本极大，造成发电机的功率密度和效率很低；液压式波浪发电系统是将波浪能转换成液压能，然后通过液压马达驱动旋转发电机发电，由于其内部压强很大，从而大大降低了系统的可靠性，而且液压系统对波浪的快速响应能力也较差，其能量转换率通常只有60％左右。

发明内容

本发明提供一种点吸收式波浪发电系统，利用螺旋磁场耦合原理，实现低速直线运动到高速旋转运动的转化，来解决推力密度和功率密度低的问题，利用凸极磁阻转子的结构简单特点，降低整体结构的复杂性，结构可靠性得到有效提高，电能转换环节的励磁永磁体位于定子侧，有效改善电机的冷却条件，同时，使用启动绕组来抑制螺旋磁场耦合产生的径向力，提高电机的启动性能。

本发明可以通过以下技术方案实现：

一种点吸收式波浪发电系统，包括采用轴向磁通切换原理制成的发电机，包括动子、转子和定子，所述发电机通过滑轨支撑机构设置基桩上，所述基桩设置在海底，高出海面，所述发电机中动子的一端通过连杆机构与浮体相连，所述浮体随着波浪上下垂荡运动，

所述滑轨支撑机构用于支撑动子，并由连杆机构带动动子沿滑轨做往复直线运动，以切割与转子之间的螺旋磁场，促使转子转动，从而在定子绕组中产生感应电动势，实现发电。

进一步，所述转子的两端各设置一个定子，它们同轴套装在动子上，所述动子和转子、转子和定子之间均留有空隙，

所述动子包括柱状铁芯以及贴装到柱状铁芯外壁上的动子螺旋式永磁体，所述动子螺旋式永磁体用于产生动子螺旋磁场；

所述转子包括筒状背铁，在所述筒状背铁的内壁上贴装有转子螺旋式永磁体，外壁上沿圆周均匀间隔设置有多个齿条，每个所述齿条的齿根位置均缠绕有启动绕组，所述转子螺旋式永磁体用于产生转子螺旋磁场，各个所述启动绕组用于产生径向向内的磁场，以抑制动子和转子之间的径向力，加速电机启动；

所述定子包括沿圆周均匀间隔设置的多个U形铁芯，它们的开口均朝向转子，每相邻两个U形铁芯之间均设置有定子永磁体，用于产生励磁磁场，每个所述定子永磁体和与之相邻两个U形铁芯的侧齿组成定子凸极齿，每个所述定子凸极齿上均设置有定子绕组，用于产生感应电动势。

进一步，所述转子螺旋式永磁体、动子螺旋式永磁体均采用分段式结构，均沿轴向交替径向充磁；在同一定子中每相邻的两个定子永磁体的充磁方向相反，在两个定子中相对的两个凸极齿中的定子永磁体的充磁方向相反。

进一步，所述转子螺旋式永磁体、动子螺旋式永磁体均采用沿轴向N-S极交替径向磁化阵列、沿轴向N-S极交替轴向磁化永磁体和铁芯混合阵列或Halbach永磁阵列。

进一步，所述齿条的轴向长度小于或等于筒状背铁的轴向长度。

进一步，所述柱状铁芯包括支撑钢芯和套装在支撑钢芯外壁上的动子导磁铁芯。

进一步，所述滑轨支撑机构包括滑轨，在所述滑轨上间隔设置有两个滑块座，所述发电机横跨设置在滑轨上，其动子的两个端部分别连接至两个滑块座上，且此时动子的轴向中心线与转子的轴向中心线重合，其中一个滑块座与连杆机构相连，所述连杆机构包括第一连杆，所述第一连杆的一端与其中一个滑块座转动连接，所述第一连杆的另一端与第二连杆的一端转动连接，所述第二连杆的另一端转动连接在第三连杆的杆部，所述第三连杆的一端与基桩转动连接，另一端与浮体转动连接，

在所述第二连杆上、沿其长度方向设置有滑槽，在所述滑槽内部横跨设置有滑轴，所述滑轴的两端分别与U形支架开口端的两侧连接，所述U形支架设置在基桩上。

本发明有益的技术效果在于：

1、本发明的发电系统省略了液压、气动等中间环节，节省能量传递的过程损失，提高了波浪能到动子运动动能之间的能量转换率并且极大降低了装置复杂度，同时采用连杆机构，方便日后的维护，降低了生产成本和维护成本，更加适用于近海发电环境。

2、借助转子和动子之间螺旋磁场耦合原理的应用，可以有效增加促使转子转动的扭矩，以使转子高速转动，使得本发明的基于直线-旋转两自由度运动的波浪发电机具有高的功率密度和推力密度，同时采用轴向磁通切换原理，其定子、转子均采用双凸极结构，具有很强的聚磁作用，使发电机的气隙磁密高，功率密度大，输出转矩能力强；

3、由于该发电机设置有启动绕组，在启动时通入直流电，产生径向向内的磁场，用于抑制螺旋磁场的径向力，因此有着更好的启动性能。

4、由于进行电能转换的励磁永磁体位于定子侧，使得该发电机具有冷却条件好的优点，解决了由于散热性差可能导致的永磁体不可逆退磁问题，同时由于定子的电枢磁通与永磁体的磁化方向正交，相互影响小，因此该复合型电机抗退磁能力强，同时由于集中绕组有小的端部，因此有较低的端部效应。

附图说明

图1为本发明的点吸收式波浪发电系统原理示意图；

图2为本发明的点吸收式波浪发电系统的结构示意图；

图3为本发明的发电机内部结构示意图；

图4为本发明的定子结构示意图；

图5为本发明的转子结构示意图；

图6为本发明的动子结构示意图；

图7为本发明的两个定子充磁示意图；其中(a)是其中一个定子充磁示意图，(b)是另一个定子充磁示意图；

图8为本发明的发电机内部主磁路示意图；

图9为本发明的发电机感应电动势对比图；

其中，1-发电机，11-动子，111-动子螺旋式永磁体，112-支撑钢芯，113-动子导磁铁芯，12-转子，121-筒状背铁，122-转子螺旋式永磁体，123-齿条，124-启动绕组，13-定子，131-U形铁芯，132-定子永磁体，133-定子绕组，2-基桩，3-浮体，4-滑轨，5-滑块座，6-第一连杆，7-第二连杆，71-滑槽，8-第三连杆，9-U形支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参见附图1和2，本发明公开了一种点吸收式波浪发电系统，包括采用轴向磁通切换原理制成的发电机1，包括动子11、转子12和定子13，该发电机1通过滑轨支撑机构设置基桩2上，该基桩2设置在海底，高出海面，该发电机1的动子通过连杆机构与浮体3相连，该浮体3随着波浪上下垂荡运动，该发电机1包括由内到外同轴嵌套设置的动子11、转子12和定子13，该滑轨支撑机构用于支撑动子11，并由连杆机构带动动子11沿滑轨做往复直线运动，以切割与转子12之间的螺旋磁场，促使转子12转动，从而在定子13中产生感应电动势，实现发电。这样，采用连杆机构将浮子随波浪上下垂荡运动传递到发动机的动子上，借助基于轴向磁通切换原理的发电机，可将浮子捕获的缓慢的波浪垂荡运动转换成发电机转子的高速旋转运动，从而不仅可以提高发电机的机端电压和能量密度，还大大提高了整个系统的效率和可靠性。

具体如下：

对于发电机，如图3至图6所示，该转子12的两端各设置一个定子13，它们同轴套装在动子11上，该动子11和转子12、转子12和定子13之间均留有空隙，由于将定子永磁体放置于定子部分，冷却条件好，避免由散热性能差导致的定子永磁体不可逆退磁问题，同时定子、转子均采用双凸极结构，具有很强的聚磁作用，使发电机的气隙磁密高，功率密度大，输出转矩能力强。

该动子11包括柱状铁芯以及贴装到柱状铁芯外壁上的动子螺旋式永磁体111，该动子螺旋式永磁体111用于产生动子螺旋磁场，为了增强柱状铁芯的支撑强度，该柱状铁芯包括支撑钢芯112和套装在支撑钢芯112外壁上的动子导磁铁芯113，该动子导磁铁芯113采用筒状结构，能够无缝套于支撑钢芯112外侧，动子螺旋式永磁体111贴装于动子导磁铁芯113外侧，该支撑钢芯112采用高强度钢材制作，起到支撑动子结构的作用，防止其发生变形，影响发电机性能，该动子导磁铁芯113由软磁材料制作，用于磁路的导通。

如图2和4所示，该转子12包括筒状背铁121，在筒状背铁121的内壁上贴装有转子螺旋式永磁体122，外壁上沿圆周均匀间隔设置有多个齿条123，每个齿条123的齿根位置均缠绕有启动绕组124，该动子螺旋式永磁体122用于产生转子螺旋磁场，各个启动绕组124用于产生径向向内的磁场，以抑制动子11和转子12之间的径向力，加速电机启动，这样在发电机启动时，向启动绕组通入直流电，会产生径向磁场，可以有效克服来自动子和转子的螺旋磁场耦合产生的较大的径向力，提高电机的启动性能，在发电机顺利启动后，则要断开直流电。

该转子螺旋式永磁体122、动子螺旋式永磁体111均采用分段式结构，均沿轴向交替径向充磁，可沿轴向N-S极交替径向磁化阵列、沿轴向N-S极交替轴向磁化永磁体和铁芯混合阵列或者Halbach永磁阵列，也可以通过开设螺旋槽缠绕螺旋线圈来代替永磁体来产生螺旋磁场，如螺旋式永磁体由两条螺旋线缠绕组成，一条螺旋线由多段N极弧状永磁体组成，另一条螺旋线由多段S极弧状永磁体组成，从而产生螺旋磁场。这样，该转子螺旋式永磁体122、动子螺旋式永磁体111产生的螺旋磁场相互耦合，从而将动子11的直线运动转换为转子12的旋转运动，并且动子11和转子12上的螺旋式永磁体具有相同的轴向宽度。

该齿条123的轴向长度等于或小于筒状背铁121的轴向长度，以便在筒状背铁上留有足够的空间来调节转子12上的弧形永磁体的安装数量，以调节从螺旋磁场耦合获得的转矩。筒状背铁121比齿条123长出的部分，可以使用环形硅钢片进行叠压后，通过使用焊接技术与筒状背铁121相连，或者通过延长齿条123的硅钢片的叠压厚度，再使用切割技术把两端多余齿条进行切割制得。

该定子13包括沿圆周均匀间隔设置的多个U形铁芯131，它们的开口均朝向转子，每相邻两个U形铁芯之间131均设置有定子永磁体132，该定子永磁体132用于产生励磁磁场，每个定子永磁体132和相邻两个U形铁芯131的侧齿组成定子凸极齿，每个定子凸极齿上均设置有定子绕组133，用于产生感应电动势。

定子中的永磁体均可选用磁性能优良的钕铁硼材料。在同一定子中，相邻的两个定子永磁体132的充磁方向相反，沿周向交替充磁，在转子左右两边的定子中位置相对的两个凸极齿中的定子永磁体132的充磁方向相反，如图7所示。定转子之间永磁分量的磁路如图8所示，从图中可以看出，永磁磁通从左侧定子永磁体N极出发，经由左侧定子铁轭、左侧定子齿、左侧气隙、转子齿、右侧定子齿、右侧定子铁轭到达右侧定子永磁体S极，之后沿对称路径返回左侧定子N极，从而形成闭合磁路。

由于所有的定子永磁体132沿圆周均匀间隔设置，为切向磁化的永磁体，而定子绕组133为集成绕组，其由定子绕组电流产生的电枢反应磁场为轴向，两者处于垂直状态，相互影响小，抗退磁能力强。

该基桩2可由钢架构成，使其具备较好的抗风浪能力。

该滑轨支撑机构包括滑轨4，在滑轨4上间隔设置有两个滑块座5，该发电机1横跨设置在滑轨4上，其动子11的两个端部分别连接至两个滑块座5上，且此时动子的轴向中心线与转子的轴向中心线重合，其中一个滑块座5与连杆机构相连，这样在连杆机构的带动下，动子通过滑块座5在滑轨4上做往复直线运动，从而将浮体3运动传递到动子11上，同时依靠滑块座5支撑起动子11，避免由于动子自身重力作用影响动子和转子之间螺旋磁场耦合产生的径向力，减小了动子与转子之间的磁场摩擦，阻碍转子的高速转动，减少发热。

为防止波浪过大导致动子的直线运动超过导程，我们可以靠近另一个滑块座5的滑轨4一端设有挡板，避免滑块座5滑出滑轨4。

该连杆机构包括第一连杆6，该第一连杆6的一端与其中一个滑块座5转动连接，该第一连杆6的另一端与第二连杆7的一端转动连接，该第二连杆7的另一端转动连接在第三连杆8的杆部，该第三连杆8的一端与基桩1转动连接，另一端与浮体3转动连接，在第二连杆7上、沿其长度方向设置有滑槽71，在滑槽内部横跨设置有滑轴，该滑轴的两端分别与U形支架9开口端的两侧连接，该U形支架9设置在基桩1上。

该浮体3呈半球型，当海水沿浮体的周面流过时，浮体周面的弧面可以降低海水的冲击，以此降低海水对浮体的破坏，浮体使用寿命得到提高。此外，半球型结构使得浮体与海水接触面积较大，波浪能够较大面积的接触浮体，从而推动浮体上下运动，以获取波浪能，进而通过连杆机构向发电机提供足量的机械能。

由于第三连杆8的一端转动连接在基桩1上，另一端转动连接浮体3，而中间杆部转动连接有第二连杆7，因此，浮体3上下运动以带到第三连杆8上下转动，再驱动第二连杆7和第一连杆6作曲柄运动，从而带动发电机1的动子进行沿轴向的低速直线运动。

同时，第二连杆7的中间杆部设有滑槽，U形支架9的开口处转动连接有滑轴，该滑轴能够沿滑槽内部移动，因此，依靠U形支架9中滑轴与第二连杆7中滑槽的滑动连接限定，可以为第一连杆6和第二连杆7的曲柄运动提供导向作用，确保浮体3的上下运动能够顺利地传递到动子上。

本发明的波浪发电系统的工作过程如下：

在波浪力的驱动下，浮体和与之机械连接的第三连杆在垂直于水面方向做上下往复直线运动，并通过做曲柄运动的第二连杆和第一连杆将垂直于水面方向的动能转换成平行于水面方向的动能，以带动波浪发电机的动子沿水平方向以波浪相同的速度做直线运动，然后通过动子导磁铁芯上螺旋式永磁体产生的螺旋磁场和转子内表面的螺旋式永磁体产生的螺旋磁场相互耦合产生转矩，驱动转子转动，从而将动子的低速直线运动转换成转子的高速旋转运动；最后，根据磁通切换原理，并利用定子永磁体产生的励磁磁场，转子转动时在气隙中产生周期变化的磁场，从而在绕组中感应出电动势并发出电能。

考虑到开始启动瞬间，耦合的两个螺旋磁场之间会产生比较大的径向力，严重阻碍转子的旋转，我们在转子的齿条上设置有启动绕组，启动期间，启动绕组通有直流电，产生径向向内的高强度磁场，短暂抑制径向向外磁化的螺旋永磁体的磁场，同时利用永磁体的饱和效应，径向向内磁化的螺旋永磁体的磁场只有小幅提升，使动子与转子之间径向力得到有效衰减，磁场耦合处于不稳定状态，使电机启动变得更容易，加速电机启动。电机启动完成后，电流断开。

本发明具体应用举例如下：

假设波浪上下运动的速度为0.1m/s，波浪发电机动子螺旋形永磁体一对NS磁极的宽度λ＝40mm，那么波浪的速度在经过浮子、第一连杆、第二连杆和第三连杆的传动与转换后，驱动波浪发电机的动子以0.1m/s的速度沿水平方向做直线运动，之后根据螺旋磁场的耦合原理，并利用公式(1)将动子的直线运动转换成转速为150r/min的转子旋转运动，公式(1)如下：

G＝ω/v＝2π/λ (1)

其中，ω为转子的角频率，单位rad/s；v为动子的直线速度，单位m/s。

图9对比了在0.1m/s的波浪速度驱动下，具有相同定子尺寸的传统直线波浪发电机和本专利提出的新型波浪发电系统中的直线-旋转发电机绕组线圈的感应电动势波形。从图中可以看出，本专利提出的波浪发电系统感应电动势最大值为63.7V,而传统波浪发电机的感应电动势最大值仅为11.4V。因此，在相同的电负荷密度下，相比于传统波浪发电机，本专利中波浪发电系统的能量密度得到了大大的提高。或者，在相同的额定功率下，本专利提出的波浪发电机的体积可以大大的缩小。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种点吸收式波浪发电系统，其特征在于：包括采用轴向磁通切换原理制成的发电机，所述发电机包括动子、转子和定子，所述发电机通过滑轨支撑机构设置基桩上，所述基桩设置在海底，高出海面，所述发电机中动子的一端通过连杆机构与浮体相连，所述浮体随着波浪上下垂荡运动，

所述滑轨支撑机构用于支撑动子，并由连杆机构带动动子沿滑轨做往复直线运动，以切割与转子之间的螺旋磁场，促使转子转动，从而在定子中产生感应电动势，实现发电；

所述滑轨支撑机构包括滑轨，在所述滑轨上间隔设置有两个滑块座，所述发电机横跨设置在滑轨上，其动子的两个端部分别连接至两个滑块座上，且此时动子的轴向中心线与转子的轴向中心线重合，其中一个滑块座与连杆机构相连，所述连杆机构包括第一连杆，所述第一连杆的一端与其中一个滑块座转动连接，所述第一连杆的另一端与第二连杆的一端转动连接，所述第二连杆的另一端转动连接在第三连杆的杆部，所述第三连杆的一端与基桩转动连接，另一端与浮体转动连接，

在所述第二连杆上、沿其长度方向设置有滑槽，在所述滑槽内部横跨设置有滑轴，所述滑轴的两端分别与U形支架开口端的两侧连接，所述U形支架设置在基桩上；

所述转子的两端各设置一个定子，它们同轴套装在动子上，所述动子和转子、转子和定子之间均留有空隙，

所述动子包括柱状铁芯以及贴装到柱状铁芯外壁上的动子螺旋式永磁体，所述动子螺旋式永磁体用于产生动子螺旋磁场；

所述转子包括筒状背铁，在所述筒状背铁的内壁上贴装有转子螺旋式永磁体，外壁上沿圆周均匀间隔设置有多个齿条，每个所述齿条的齿根位置均缠绕有启动绕组，所述转子螺旋式永磁体用于产生转子螺旋磁场，各个所述启动绕组用于产生径向向内的磁场，以抑制动子和转子之间的径向力，加速电机启动；

所述定子包括沿圆周均匀间隔设置的多个U形铁芯，它们的开口均朝向转子，每相邻两个U形铁芯之间均设置有定子永磁体，用于产生励磁磁场，每个所述定子永磁体和与之相邻两个U形铁芯的侧齿组成定子凸极齿，每个所述定子凸极齿上均设置有定子绕组，用于产生感应电动势。

2.根据权利要求1所述的点吸收式波浪发电系统，其特征在于：所述转子螺旋式永磁体、动子螺旋式永磁体均采用分段式结构，均沿轴向交替径向充磁；在同一定子中每相邻的两个定子永磁体的充磁方向相反，在两个定子中相对的两个凸极齿中的定子永磁体的充磁方向相反。

3.根据权利要求2所述的点吸收式波浪发电系统，其特征在于：所述转子螺旋式永磁体、动子螺旋式永磁体均采用沿轴向N-S极交替径向磁化阵列、沿轴向N-S极交替轴向磁化永磁体和铁芯混合阵列或者Halbach永磁阵列。

4.根据权利要求1所述的点吸收式波浪发电系统，其特征在于：所述齿条的轴向长度小于或等于筒状背铁的轴向长度。

5.根据权利要求1所述的点吸收式波浪发电系统，其特征在于：所述柱状铁芯包括支撑钢芯和套装在支撑钢芯外壁上的动子导磁铁芯。