本發(fā)明涉及海浪發(fā)電和直線運(yùn)動(dòng)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，人類對(duì)能源的需求將越來越大，導(dǎo)致了一次能源的嚴(yán)重消耗，特別是石油和天然氣等資源已日益枯竭，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，于是人們不得不尋找無污染、清潔、可持續(xù)發(fā)展的可再生能源來解決目前的危機(jī)。海洋能包括海洋風(fēng)能、潮汐能、波浪能、海洋生物質(zhì)能、海洋溫差能、海洋鹽差能和海流能等，波浪能屬于海洋能其中一種，與風(fēng)能、太陽能相比，波浪能又具有功率密度大、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)作為一個(gè)海洋大國(guó)，海岸線長(zhǎng)超過1.8萬千米，海岸線1.4萬千米，波浪能資源豐富，根據(jù)中國(guó)沿海海洋觀測(cè)站臺(tái)的資料估算，中國(guó)沿海理論波浪年平均功率約為1.3×107kW，若將其合理充分的利用，將會(huì)使得我國(guó)能源的結(jié)構(gòu)更加合理，資源利用更加的充分。

經(jīng)過幾十年的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)，但是利用波浪能發(fā)電一直沒有出現(xiàn)革命性的突破。在以往利用波浪能發(fā)電的系統(tǒng)中，多采用各種機(jī)械或液壓裝置將波浪的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)來進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，這勢(shì)必就存在轉(zhuǎn)換過程中能量的損失，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)在低速的條件下存在效率低下、耐久性差的問題，這就嚴(yán)重的制約了波浪發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。如果采用傳統(tǒng)齒輪箱或者是液壓系統(tǒng)來進(jìn)行增速達(dá)到增加發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)子速度的目的，必然會(huì)帶來整體系統(tǒng)效率降低，維護(hù)復(fù)雜等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于直線圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，本發(fā)明可用于直接驅(qū)動(dòng)的海浪發(fā)電裝置和其他類型的直線發(fā)電系統(tǒng)中，由于采用了主面板與發(fā)電機(jī)模塊分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大的便利了電力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試和日后的維修和維護(hù)，優(yōu)化了發(fā)電系統(tǒng)，更好的吸收波浪能，具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術(shù)方案是：一種基于圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，包括主面板和發(fā)電機(jī)模塊，主面板上設(shè)置有若干電機(jī)槽，發(fā)電機(jī)模塊嵌入電機(jī)槽中，發(fā)電機(jī)模塊包括初級(jí)定子、次級(jí)動(dòng)子和中心軸，初級(jí)定子設(shè)置在電機(jī)槽的內(nèi)壁，中心軸設(shè)置在電機(jī)槽的中心，次級(jí)動(dòng)子以中心軸為軸，隨著波浪流經(jīng)電機(jī)槽從而帶動(dòng)初級(jí)定子進(jìn)行前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換成電能。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，發(fā)電機(jī)模塊為圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)模塊，發(fā)電機(jī)模塊與主面板為分離式結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，初級(jí)定子位于中心軸的外部，初級(jí)定子包括凸定子鐵心、輔助槽和初級(jí)三相繞組，初級(jí)三相繞組嵌于凸定子鐵心內(nèi)表面的輔助槽中。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，次級(jí)動(dòng)子位于中心軸的外部，次級(jí)動(dòng)子包括鐵背和準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體，準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)沿中心軸的軸向排布成筒狀，準(zhǔn)Halb ach結(jié)構(gòu)的永磁體均勻的貼在鐵背的外表面，初級(jí)定子與準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體之間留有氣隙。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，發(fā)電機(jī)模塊設(shè)置有螺紋的電機(jī)外壁，電機(jī)槽具有螺紋內(nèi)壁，發(fā)電機(jī)模塊的電機(jī)外壁旋轉(zhuǎn)嵌入電機(jī)槽的螺紋內(nèi)壁中。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，一種基于圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)還包括支架，支架用于支撐主面板。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，凸定子鐵心和鐵背均采用硅鋼片疊加構(gòu)成。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，初級(jí)三相繞組為三相集中繞組結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，中心軸通過中心軸固定支架固定在發(fā)電機(jī)模塊的電機(jī)外壁上。

本發(fā)明具有積極的效果：1)本發(fā)明采用了主面板與發(fā)電機(jī)模塊分離式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大的便利了電力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試和日后的維修和維護(hù)，優(yōu)化了發(fā)電系統(tǒng)，更好的吸收波浪能，具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

2)采用圓筒型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圓周的初級(jí)和次級(jí)間的相互吸力四周相互抵消，使得發(fā)電機(jī)沒有徑向吸力。圓筒型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)消除了旋轉(zhuǎn)電機(jī)和普通直線電機(jī)存在的邊端效應(yīng)，增加了電機(jī)效率。

3)本發(fā)明發(fā)電機(jī)模塊的反電動(dòng)勢(shì)和繞組磁鏈波形有很好的正弦性，便于電能的后處理與并網(wǎng)。

4)本發(fā)明發(fā)電機(jī)模塊所受的軸向電磁力較小，這樣就大大減小運(yùn)行過程中噪聲和振動(dòng)對(duì)電機(jī)的性能影響。

5)本發(fā)明直接連接驅(qū)動(dòng)，無需中間傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少中間機(jī)械損耗，提高發(fā)電效率。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為本發(fā)明發(fā)電機(jī)模塊的示意圖；

圖2為本發(fā)明正面結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖3為本發(fā)明的發(fā)電機(jī)模塊和主面板的裝配示意圖；

圖4為本發(fā)明配置的用電系統(tǒng)的示意圖；

圖5為本發(fā)明在海水中的安放示意圖。

其中：1、主面板，2、發(fā)電機(jī)模塊，11、電機(jī)槽，21、初級(jí)定子，22、次級(jí)動(dòng)子，23、中心軸，24、中心軸固定支架，211、凸定子鐵心，212、輔助槽，213、初級(jí)三相繞組，221、鐵背，222、準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體，3、氣隙，4、電機(jī)外壁，5、支架。

具體實(shí)施方式

如圖1-5所示，本發(fā)明公開了一種基于圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，包括主面板1和發(fā)電機(jī)模塊2，主面板1上設(shè)置有若干電機(jī)槽11，發(fā)電機(jī)模塊2嵌入電機(jī)槽11中，發(fā)電機(jī)模塊2包括初級(jí)定子21、次級(jí)動(dòng)子22和中心軸23，初級(jí)定子21設(shè)置在電機(jī)槽11的內(nèi)壁，中心軸23設(shè)置在電機(jī)槽11的中心，次級(jí)動(dòng)子22以中心軸23為軸，隨著波浪流經(jīng)電機(jī)槽11從而帶動(dòng)初級(jí)定子21進(jìn)行前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換成電能。根據(jù)系統(tǒng)安置水域的波浪推力和頻率的具體情況，在滿足所需電力的情況下，在主面板1上設(shè)置合適數(shù)量的發(fā)電機(jī)模塊2。

發(fā)電機(jī)模塊2為圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)模塊，發(fā)電機(jī)模塊2與主面板1為分離式結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)模塊2設(shè)置有螺紋的電機(jī)外壁4，電機(jī)槽11具有螺紋內(nèi)壁，發(fā)電機(jī)模塊2的電機(jī)外壁4旋轉(zhuǎn)嵌入電機(jī)槽11的螺紋內(nèi)壁中。

初級(jí)定子21位于中心軸23的外部，初級(jí)定子21包括凸定子鐵心211、輔助槽212和初級(jí)三相繞組213，初級(jí)三相繞組213嵌于凸定子鐵心211內(nèi)表面的輔助槽212中。其中，初級(jí)定子21的鐵心由硅鋼材料構(gòu)成，初級(jí)定子21的中心軸采用質(zhì)量較輕的非導(dǎo)磁材料構(gòu)成。

次級(jí)動(dòng)子22位于中心軸23的外部，次級(jí)動(dòng)子22包括鐵背221和準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體222，準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體222呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)沿中心軸23的軸向排布成筒狀，準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體222均勻的貼在鐵背221的外表面，初級(jí)定子21與準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體222之間留有氣隙3。其中，準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體222為具有自屏蔽效應(yīng)的準(zhǔn)Halbach結(jié)構(gòu)的銣鐵硼永磁體。鐵背221的鐵心由硅鋼材料構(gòu)成，鐵背221的中心軸采用質(zhì)量較輕的非導(dǎo)磁材料構(gòu)成。

一種基于圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)還包括支架5，支架5用于支撐主面板1。

凸定子鐵心211和鐵背221均采用硅鋼片疊加構(gòu)成。

初級(jí)三相繞組213為三相集中繞組結(jié)構(gòu)。

中心軸23通過中心軸固定支架24固定在發(fā)電機(jī)模塊2的電機(jī)外壁4上。

工作原理：通過嵌入合適數(shù)量的發(fā)電機(jī)模塊2到主面板1中，初級(jí)定子21固定在電機(jī)槽11的內(nèi)壁，次級(jí)動(dòng)子22以中心軸23為軸，隨著波浪流經(jīng)電機(jī)槽11從而帶動(dòng)初級(jí)定子21進(jìn)行前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與初級(jí)定子21之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，完成波浪能向電能轉(zhuǎn)換的過程。

由于波浪能具有隨機(jī)性，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過濾波、整流、逆變后給蓄電池進(jìn)行充電，再由蓄電池對(duì)用電系統(tǒng)進(jìn)行供電，如圖4中所示。

在整個(gè)波浪發(fā)電系統(tǒng)中，波浪能的采集裝置為電機(jī)槽11中次級(jí)動(dòng)子22，次級(jí)動(dòng)子22的尺寸需要安裝該水域的波浪所決定。為了能夠使得波浪能能夠被充分的吸收和利用，需要對(duì)電機(jī)槽11中次級(jí)動(dòng)子22的受力建立數(shù)學(xué)模型，分析其在給定平均推力與頻率的波浪的作用下，電機(jī)槽11中次級(jí)動(dòng)子22的尺寸，質(zhì)量與電機(jī)功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用simulink對(duì)電機(jī)槽11中次級(jí)動(dòng)子22的位移以及電機(jī)的輸出功率進(jìn)行仿真，從而確定最優(yōu)的電機(jī)槽11中次級(jí)動(dòng)子22的尺寸、質(zhì)量以及電機(jī)的功率，使其充分吸收波浪能，提高發(fā)電效率。

本發(fā)明中將圓筒型永磁直線發(fā)電機(jī)內(nèi)嵌到電機(jī)槽11中，初級(jí)定子21固定在電機(jī)槽11的內(nèi)壁，初級(jí)三相繞組嵌于初級(jí)定子21的內(nèi)表面的輔助槽212中，鐵背221套在中心軸23上，永磁體呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)沿軸向排布構(gòu)成筒狀，均勻帖在相應(yīng)的鐵背221的外表面，次級(jí)動(dòng)子22在波浪的作用下進(jìn)行前后往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，從而與初級(jí)定子21之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，完成波浪能向電能轉(zhuǎn)換的過程。為了減小永磁頓力，滿足三相發(fā)電相位差120°，相位與相位之間的距離為(N±1/3)*T，N為整數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸和要求確定。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。