CN105932854A - 一种直线发电机初级 - Google Patents
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Abstract
一种直线发电机初级，所述的直线发电机初级包括分段式初级定子铁芯和分段式初级绕组；初级定子铁芯和初级绕组在垂直方向上分段，构成多段初级定子铁芯单元和初级绕组单元。在初级定子铁芯单元面向次级的一侧以均匀的间隔开有初级定子线槽(6)，每一段初级绕组单元嵌于对应的初级定子铁芯单元的初级定子线槽(6)内，组成一段初级单元。相邻的初级定子线槽(6)之间的凸起部分为初级定子齿(5)。位于次级中心位置处的初级单元的长度最长，距离次级中心位置越远的初级单元的长度越短。沿次级中心对称布置的两个初级绕组单元通过一套电力电子器件控制通断。本发明可用于点吸收直驱式波浪能发电***。
Description
技术领域
本发明涉及波浪能发电技术领域，具体涉及一种应用于直驱式点吸收波浪能发电***的长次级、短初级直线发电机。
背景技术
点吸收波浪能发电***是指用于捕获能量的漂浮浮子尺寸远小于波浪波长的发电***，该***通常可分为直驱型和非直驱型。非直驱型***的浮子连接气动***、液压***或齿轮箱等升速装置，然后再连接旋转发电机。非直驱型***的体积小，但是其中间环节复杂，降低了***的可靠性和转换效率。直驱型***浮子直接连接直线发电机，不需要任何中间机构。这种***结构简单，提高了***的效率和可靠性。由直线发电机作为机电转换装置的点吸收波浪能发电***为直驱式点吸收波浪能发电***。
一般而言，直线发电机按照结构可以分为单边型、双边型、四边型、圆筒型等多种形式。为保证切割磁场的有效导线长度，直线发电机常采用长次级，短初级的结构。在直驱式波浪能发电***中，为了保证极端海况下直线发电机不损毁，选用直线发电机的额定功率远大于极端海况下波浪功率，因此在正常海况下，直线发电机工作在远低于额定功率的情况下。根据电机学理论，在实际发电功率低于额定功率的情况下，输入功率越低，电机转换效率下降越快，使得波浪能直线发电机普遍效率低下，如我国某研究所研制10kW的点吸收式波浪能发电***，其长期工作在3kW的波浪下，这种“大马拉小车”的现象导致直线发电机转换效率十分低。同样的问题在国内外各类波浪能发电装置中十分常见。
发明内容
本发明的目的是克服现有点吸收直驱式波浪能发电***中直线发电机功率不匹配的缺点，针对短初级长次级的直线发电机提出一种直线发电机初级。
本发明结构合理，采用分段式、单元化设计，具有宽功率范围内运行效率高的优点。本发明可用于点吸收直驱式波浪能发电***。
本发明直线发电机初级包括分段式初级定子铁芯和分段式初级绕组。
本发明在不增加电机用料成本的情况下，对初级定子铁芯进行分段，将整段初级定子铁芯和初级绕组在垂直方向上分段，构成多段初级定子铁芯单元和初级绕组单元。每段初级定子铁芯单元由硅钢片叠压而成，在初级定子铁芯单元面向次级的一侧以均匀的间隔开有凹槽，所开的凹槽为初级定子线槽。相邻的初级定子线槽之间的凸起部分为初级定子齿。每一段初级绕组单元嵌入对应的初级定子铁芯单元的初级定子线槽内，组成一段初级单元。每一段初级单元均可看成为可独立运行的直线电机初级。同时考虑到波浪运动位移的正弦规律，每段初级单元以次级的中心位置为原点在垂直方向上对称分布，且每段初级单元的长度不同，位于次级中心位置处的初级单元的长度最长，距离次级中心位置越远的初级单元的长度越短。沿次级中心对称布置的两个初级单元绕组通过一套电力电子器件控制通断。
本发明直线发电机的初级分为多个初级单元：根据实际波浪的大小调整投入发电初级单元个数，从而调节发电机有效绕组长度进而改变发电机铜耗，实现发电机额定功率的调整，具体工作原理如下述：传统发电机在电机结构参数不变的情况下，额定功率不会发生变化，且其在额定功率下效率最高，原因在于，当电机绕组、铁芯、永磁体材料尺寸固定的情况下，部分损耗的绝对值基本不变，当电机输出功率减小时，损耗占输出功率的比例增大，使电机在低于额定的工况下效率下降。而相关研究表明，在直驱式低速运行的设备中，发电机铜耗占比较大。
本发明为针对短初级长次级直线发电机的分段式单元化的短初级的结构，直线发电机结构可采用常规直线电机结构，如单边型、双边型、四边型、管型等。直线发电机次级可采用常规直线电机次级结构，次级励磁采用永磁体励磁，磁钢阵列可采用N、S极均匀间隔阵列也可采用HALBACH阵列等。初级、次级外包裹有电机机壳，起到密封或支撑作用。初级、次级和机壳共同组成一台完整的直线发电机。
本发明工作原理和工作过程如下：
直驱式点吸收波浪能发电***通过漂浮浮子在波浪浮力的作用下上下运动，拖动带有永磁体的次级在电机内直线往复运动产生交变磁场，进而在初级铁芯的绕组上感应出电流，多个初级铁芯线圈按照一定顺序连接，形成稳定电流输出。波浪大小变化时，次级振动幅度也会随之变化。
本发明在正常小波浪的海况下，通过电力电子器件的开断，仅令离中心处近的初级单元工作，使得有效绕组长度较短，可以减小电机铜耗，以保证在小波浪海况下发电机效率不下降；当波浪增大时，通过电力电子器件的开断，令较为远离静止时次级中心的初级单元工作，增长有效绕组的长度，增大电磁阻尼，保证电机效率的同时，使电机不因大浪而损坏。也即通过控制各段定子绕组的投切，实现在不同海况下电机额定功率的改变。
本发明的有益效果为：本发明可以较好的适应点吸收直驱式波浪能发电***的应用，克服传统发电***中“大马拉小车”带来的发电机效率偏低的问题，在确保电机不被损坏的情况下，保持不同海况下电机较高的发电效率。
附图说明
图1本发明直线发电机次级的结构示意图，图中：1第一段初级单元，2-1、2-2第二段初级单元，3-1、3-2第三段初级单元，4初级绕组线圈，5初级定子齿，6初级定子线槽，7次级；
图2本发明直线发电机次级的实施例一，图中：1第一段初级单元，2-1、2-2第二段初级单元，3-1、3-2第三段初级单元，4初级绕组线圈，5初级定子齿，6初级定子线槽，7次级，8连杆，9防撞击弹簧，10复位弹簧，11绳缆，12漂浮浮子，13电机外壳，14导线，15电力电子整流器，16直流母线，17电力电子逆变器；
图3本发明直线发电机次级的实施例二，图中：1第一段初级单元，2-1、2-2第二段初级单元，3-1、3-2第三段初级单元，4初级绕组线圈，5初级定子齿，6初级定子线槽，7次级，8连杆，12漂浮浮子，14导线，15电力电子整流器，16直流母线，17电力电子逆变器，18阻尼浮子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1所示为本发明直线发电机初级的结构。
如图1所示，直线发电机次级6静止时位于平衡位置，此时直线发电机次级6的中心和直线发电机的第一段初级单元1中心重合。初级定子铁芯面向次级的一侧以均匀的间隔开有凹槽，此凹槽为初级定子线槽6。相邻的初级定子线槽6之间凸起部分为初级定子齿5。初级绕组线圈4分布于初级定子线槽6内。
所述的直线发电机初级分为多段，分别为：第一段初级单元1；第二段初级单元2-1、2-2；第三段初级单元3-1、3-2。其中第一段初级单元1长度大于第一第二段初级单元2-1和第二二段初级单元2-2的长度之和，第一第二段初级单元2-1和第二第二段初级单元2-2的长度相等；第一第二段初级单元2-1和第二第二段初级单元2-2的长度之和大于第一第三段初级单元3-1＝和第二弟三段初级单元3-2的长度之和，第一第三段初级单元3-1和第二第三段初级单元3-2的长度相等。其中第一第二段初级单元2-1和第二第二段初级单元2-2沿次级7的中心位置对称分布，第一第二段初级单元2-1位于第一段初级单元1的上侧，第二第二段初级单元2-2位于第一段初级单元1的下侧；其中第一第三段初级单元3-1＝和第二第三段初几单元3-2沿次级7的中心位置对称分布，第一第三段初级单元3-1位于第一第二段初级单元2-1的上侧，第二第三段初级单元3-2位于第二第二段初级单元2-2的下侧。
实施例一
本发明直线发电机初级可用于固定在海床上的直驱式波浪能发电***，图2所示为实施例一：底部固定于海床的直驱式点吸收波浪能发电***。如图2所示，电机机壳13固定于海底海床上，漂浮浮子12漂浮于海面上。直线发电机的两段第二段初级单元2-1、2-2分别位于第一段初级单元1的上下两侧，第一第三段初级单元3-1位于第一第二段初级单元2-1的上侧，第二第三段初级单元3-2位于第二第二段初级单元2-2的下侧，并整体固定在电机机壳13的内侧。初级绕组4可采用集中绕组也可采用分布绕组或其他方式，嵌于初级定子线槽5内，初级定子线槽5可采用直槽，也可采用梨形槽或其他方式，相邻初级定子线槽之间的凸起部分为初级定子齿6，起导磁作用。
次级7置于本发明的直线发电机初级内，贴近电机初级但不接触，能够相对初级上下运动。图2所示为次级7静止时的位置。次级7的下端通过复位弹簧10固定于电机机壳13的底部。当次级7向上运动后，复位弹簧10可以使次级7恢复到初始位置。次级7的上端接有连杆8，连杆8和电机机壳13连接，连杆8可以上下运动，但不能左右摆动。电机机壳13的顶端设置有防撞击弹簧9，防撞击弹簧9套于连杆8外，其作用在于防止次级7剧烈向上运动时与电机外壳13的顶端相撞。连杆8的顶端通过绳缆11和漂浮浮子12相连。漂浮浮子12在波浪浮力作用下运动时，通过绳缆11带动连杆8运动。连杆8在电机外壳13顶端的限制下将上下、摇摆、旋转六个维度的运动转换为单纯的上下运动，再传递到次级7上。
本发明直线发电机初级通过导线14与电力电子整流器15相连，第一段初级单元1单独连接一个电力电子整流器，两段第二段初级单元2-1、2-1共同连接一个电力电子整流器，两段第三段初级单元3-1、3-2共同连接一个电力电子整流器。电力电子整流器15兼具控制各段初级单元启停的功能。电力电子整流器15将三相交流电整流后汇入直流母线16，整流后的直流电通过电力电子逆变器17逆变为稳定交流电后供给交流用电器。
在正常小波浪的海况下，本发明通过电力电子器件整流器15切断第一段初级单元1和两段第二段初级单元2-1、2-2之间，第一第二段初级单元2-1和第一第三段初级单元3-1之间、以及第二第二段初级单元2-2和第二第三段初级单元3-2之间的绕组的连接，仅令第一段初级单元1工作。此时由于两段第二初级单元2-1、2-2和两段第三段初级单元3-1、3-2的绕组未接入电流回路，故不产生铜耗，可加该工况下电机的工作效率。当波浪增大时，通过电力电子整流器15的控制，将两段第二段初级单元2-1、2-2投入工作，增长有效绕组的长度，增大电磁阻尼，保证电机效率的同时，使电机不因波浪增大而损坏。当波浪继续增大时，通过电力电子整流器15的控制，将两段第三段初级单元3-1、3-2也投入工作，保证电机高效稳定的运行。
实施例二
本发明直线发电机初级可用于双浮子漂浮式的直驱式点吸收波浪能发电***。图3所示为实施例二：双浮子漂浮式的直驱式点吸收波浪能发电***。如图3所示，发电***整体漂浮于海面上，漂浮浮子10漂浮于海面上，如图3所示，直线电机的两段第二段初级单元2-1、2-2分别位于第一段初级单元1的上下两侧，第一第三段初级单元3-1位于第一第二段初级单元2-1的上侧，第二第三段初级单元3-2位于第二第二段直线单元2-2的下侧，并整体固定于漂浮浮子10的内侧。初级绕组4可采用集中绕组也可采用分布绕组或其他方式，嵌于初级定子线槽5内。初级定子线槽5可采用直槽也可采用梨形槽或其他方式。相邻的初级定子线槽之间的凸起部分为初级定子齿6，起导磁作用。次级7置于本发明的直线电机初级内，贴近电机初级但不接触，可以相对初级上下运动。如图3所示次级位于静止时位置。次级7的底部与阻尼浮子9通过连杆8相连；当有波浪时，漂浮浮子10和阻尼浮子9所产生的浮力不同，阻尼浮子9起到阻止次级7随初级向上运动的作用，使得电机第一段初级单元1、两段第二段初级单元2-1、2-2、两段第三段初级单元3-1、3-2和次级7之间出现相对运动产生变化磁场发电。
直线发电机初级通过导线14与电力电子整流器15相连，第一段初级单元1单独连接一个电力电子整流器，两段第二段初级单元2-1、2-1共同连接一个电力电子整流器，两段第三段初级单元3-1、3-2共同连接一个电力电子整流器，电力电子整流器15也兼具各段初级单元的启停，电力电子整流器15将三相交流电整流后汇入直流母线16，整流后的直流电在通过电力电子逆变器17逆变为稳定交流电后供给交流用电器。
在正常小波浪的海况下，本发明通过电力电子器件整流器15切断第一段初级单元1和两段第二段初级单元2-1、2-2之间，第一第二段初级单元2-1和第一第三段初级单元3-1之间，以及第二第二段初级单元2-2和第二第三段初级单元3-2之间的绕组的连接，仅令第一段初级单元1工作，此时由于两段第二初级单元2-1、2-2和两段第三段初级单元3-1、3-2的绕组未接入电流回路，故不产生铜耗，可加该工况下电机的工作效率。当波浪增大时，通过电力电子整流器15的控制，将两段第二段初级单元2-1、2-2投入工作，增长有效绕组的长度，增大电磁阻尼，保证电机效率的同时，使电机不因波浪增大而损坏。当波浪继续增大时，通过电力电子整流器15的控制，将两段第三段初级单元3-1、3-2也投入工作，保证电机高效稳定的运行。
Claims (2)
1.一种直线发电机初级，其特征在于：所述的直线发电机初级包括分段式初级定子铁芯和分段式初级绕组；初级定子铁芯和初级绕组在垂直方向上分段，构成多段初级定子铁芯单元和初级绕组单元；在初级定子铁芯单元面向次级的一侧以均匀的间隔开有初级定子线槽(6)，每一段初级绕组单元嵌于对应的初级定子铁芯单元的初级定子线槽(6)内，组成一段初级单元；相邻的初级定子线槽(6)之间的凸起部分为初级定子齿(5)；
所述的直线发电机初级分别为：第一段初级单元(1)、第一第二段初级单元(2-1)、第二第二段初级单元(2-2)、第一第三段初级单元(3-1)，以及第二第三段初级单元(3-2)；其中第一段初级单元(1)的长度大于第二段初级单元(2-1、2-2)的长度之和，第二段初级单元(2-1、2-2)的长度之和大于第三段初级单元(3-1、3-2)的长度之和；第一第二段初级单元(2-1)和第二第二段初级单元(2-2)沿次级(7)的中心位置对称分布，第一第二段初级单元(2-1)位于第一段初级单元(1)的上侧，第二第二段初级单元(2-2)位于第一段初级单元(1)的下侧；第一第三段初级单元(3-1)和第二第三段初级单元(3-2)沿次级(7)的中心位置对称分布，第一第三段初级单元(3-1)位于第一第二段初级单元(2-1)的上侧，第二第三段初级单元(3-2)位于第二第二段初级单元(2-2)的下侧。
2.按照权利要求1所述的直线发电机初级，其特征在于：位于次级中心位置处的初级单元的长度最长，距离次级中心位置越远的初级单元的长度越短。沿次级中心对称布置的两个初级绕组单元通过一套电力电子器件控制通断。
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