CN106849573B - 基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机 - Google Patents
基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机 Download PDFInfo
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Abstract
基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机，属于波浪发电用直线发电机领域，本发明为解决现有直驱式波浪发电***发电品质较差的问题。本发明包括机壳、双绕组定子、永磁动子、调制动子、永磁动子输出轴和调制动子输出轴；双绕组定子固定在机壳的内圆表面上，双绕组定子内部由外向内依次设置有调制动子和永磁动子；永磁动子固定在永磁动子输出轴上，调制动子位于双绕组定子与永磁动子之间，调制动子的两端分别从壳体的两侧端盖伸出，其中左侧伸出部分作为调制动子输出轴，调制动子输出轴和永磁动子输出轴的轴线重合。
Description
技术领域
本发明属于波浪发电用直线发电机领域。
背景技术
海洋波浪能是一种清洁发电能源，通过波浪能发电可满足海洋观测仪器、军事及民用测试浮标、独岛、作业平台等需求。目前，传统波浪能发电方式通常采用机械装置将波浪的上下直线运动形式转换成旋转运动，并带动旋转发电机进行发电。相比之下，直驱式发电方式通过能量回收装置和直线电机直接结合进行发电，省去了中间复杂的机械传动环节，使得***发电效率得到提高，同时发电***的集成度和稳定性也得到了提高。因此，直驱式波浪能发电具有广阔的应用前景。然而，当前直驱式发电***中，由于能量回收装置转换的直线运动推力大、速度低且不恒定，使直线电机的发电电压幅值、频率等参数变化较大，导致***发电品质较差、甚至出现***不稳定等问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有直驱式波浪发电***发电品质较差的问题，提供了一种基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机。
本发明所述基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机包括机壳4、双绕组定子5、永磁动子7、调制动子6、永磁动子输出轴10和调制动子输出轴1；
双绕组定子5固定在机壳4的内圆表面上，双绕组定子5内部由外向内依次设置有调制动子6和永磁动子7；永磁动子7固定在永磁动子输出轴10上，永磁动子输出轴10的左端通过第二轴承3与调制动子6滑动连接，永磁动子输出轴10的右端从机壳4的右侧端盖伸出，且通过第三轴承8也与调制动子6滑动连接；
调制动子6位于双绕组定子5与永磁动子7之间，调制动子6的两端分别从壳体4的两侧端盖伸出，其中右侧伸出部分通过第三轴承8和第四轴承9与永磁动子7和机壳4的右侧端盖滑动连接；其中左侧伸出部分作为调制动子输出轴1，所述调制动子输出轴1通过第一轴承2和第二轴承3分别与机壳4左侧端盖和永磁动子7滑动连接；
调制动子6和双绕组定子5之间存在径向气隙L1；调制动子6与永磁动子7之间存在径向气隙L2；调制动子输出轴1和永磁动子输出轴10的轴线重合。
优选地，双绕组定子5由定子铁心5-3、第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2构成；第一定子绕组5-1是一个m1相定子绕组，当第一定子绕组5-1通有m1相交流电流时，会形成沿轴线方向运动的ps1极对数电枢磁场，m1、ps1为正整数；第二定子绕组5-2是一个m2相定子绕组，当第二定子绕组5-2通有m2相交流电流时，会形成沿轴线方向运动的ps2极对数的电枢磁场，m2、ps2为正整数。
优选地，永磁动子7极对数为pPM，pPM为正整数；永磁动子7由永磁动子铁心7-2和2pPM个永磁体单元7-1构成，2pPM个永磁体单元7-1沿轴线方向均匀分布排列，2pPM个永磁体单元7-1固定在永磁动子铁心7-2的外圆表面上，相邻两块永磁体单元7-1的充磁方向相反；永磁体单元7-1的充磁方向为径向充磁。
优选地，调制动子6由pm个导磁块6-1、pm个非导磁块6-2和动子支架6-3构成，pm为正整数；动子支架6-3沿轴线方向交错设置导磁块6-1和非导磁块6-2；
同时满足条件ps1＝|kpPM+jpm|和ps2＝kpPM，其中k是正整数，j是整数。
优选地，导磁块6-1选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。
本发明的优点：本发明的基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机具有两个独立的动子，且两个动子的推力和速度完全独立。因此，在实际的波浪发电***中，一个动子无论随波浪怎样运动，通过对另一动子的有效控制，可以使发电机发出的电压幅值、频率保持恒定，进而提高了发电***的发电品质和***的稳定性。
附图说明
图1是所述基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机的结构示意图；
图2是图1的A处放大图；
图3是第一定子绕组的绕组排布示意图；
图4是第二定子绕组的绕组排布示意图。
具体实施方式
下面结合图1～图4对本发明作进一步说明。图1为基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机实施方式的结构示意图。
基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机包括机壳4、双绕组定子5、永磁动子7、调制动子6、永磁动子输出轴10和调制动子输出轴1；
双绕组定子5固定在机壳4的内圆表面上，双绕组定子5内部由外向内依次设置有调制动子6和永磁动子7；永磁动子7固定在永磁动子输出轴10上，永磁动子输出轴10的左端通过第二轴承3与调制动子6滑动连接，永磁动子输出轴10的右端从机壳4的右侧端盖伸出，且通过第三轴承8也与调制动子6滑动连接；
调制动子6位于双绕组定子5与永磁动子7之间，调制动子6的两端分别从壳体4的两侧端盖伸出，其中右侧伸出部分通过第三轴承8和第四轴承9与永磁动子7和机壳4的右侧端盖滑动连接；其中左侧伸出部分作为调制动子输出轴1，所述调制动子输出轴1通过第一轴承2和第二轴承3分别与机壳4左侧端盖和永磁动子7滑动连接；
调制动子6和双绕组定子5之间存在径向气隙L1；调制动子6与永磁动子7之间存在径向气隙L2；调制动子输出轴1和永磁动子输出轴10的轴线重合。
双绕组定子5由定子铁心5-3、第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2构成；第一定子绕组5-1是一个m1相定子绕组，当第一定子绕组5-1通有m1相交流电流时，会形成沿轴线方向运动的ps1极对数电枢磁场，m1、ps1为正整数；第二定子绕组5-2是一个m2相定子绕组，当第二定子绕组5-2通有m2相交流电流时，会形成沿轴线方向运动的ps2极对数的电枢磁场，m2、ps2为正整数。
永磁动子7极对数为pPM，pPM为正整数；永磁动子7由永磁动子铁心7-2和2pPM个永磁体单元7-1构成，2pPM个永磁体单元7-1沿轴线方向均匀分布排列，2pPM个永磁体单元7-1固定在永磁动子铁心7-2的外圆表面上，相邻两块永磁体单元7-1的充磁方向相反；永磁体单元7-1的充磁方向为径向充磁。
调制动子6由pm个导磁块6-1、pm个非导磁块6-2和动子支架6-3构成，pm为正整数；动子支架6-3沿轴线方向交错设置导磁块6-1和非导磁块6-2；
同时满足条件ps1＝|kpPM+jpm|和ps2＝kpPM，其中k是正整数，j是整数。
导磁块6-1选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。
为了说明本发明的工作原理，下面结合图1至图4进行说明。
设永磁动子极对数为pPM，速度为VPM，初始相位角为θPM，则永磁动子所形成沿轴线方向运动的永磁磁动势FPM(θ,t)可表示为
式中Fk——各次谐波磁动势幅值；
k——永磁磁动势谐波次数；
θ——机械角；
t——时间。
设调制动子的导磁块数为pm，速度为Vm，初始相位角为θm，则调制动子作用下随时间变化的空间比磁导λ(θ,t)可表示为
式中λ0、λi——各次谐波比磁导幅值；
i——谐波比磁导次数。
永磁体磁动势在调制动子作用下产生的沿轴线方向运动的永磁磁场可表示为
式中Bk——自然谐波磁场幅值，且Bk＝Fkλ0；
Bk,i——调制谐波磁场幅值，且Bk,i＝Fkλi。
由式(3)可知，永磁动子和调制动子的共同作用下将会产生两类磁场。第一类为自然谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数和速度与永磁动子磁动势的极对数和速度相同，该类磁场的幅值为Bk。第二类为调制谐波磁场，该类磁场的特点是它的磁场极对数与永磁动子极对数和调制动子中导磁块数相关，它的磁场速度也与永磁动子和调制动子二者的速度相关，该类磁场的幅值为Bk,i，如下：
pk,j＝|kpPM+jpm| (4)
j＝0,±1,±2,... (6)
式中pk,j、Vk,j——调制谐波磁场的极对数和同步速度。
根据机电能量转换原理可知，只有当两个磁场的极对数和速度相同情况下，才能产生恒定的推力，从而实现机电能量转换。因此，将第一定子绕组5-1通过绕组排布设计成可产生与调制谐波磁场相同极对数和速度的电枢磁场。那么，第一定子绕组5-1、调制动子和永磁动子就构成了磁场调制型的双动子直线电机。在这种情况下，作用在调制动子上的电磁推力等于作用在定子和永磁动子的二者的电磁推力之和，而且它们的电磁推力方向相反。同时，调制动子和永磁动子之间以及调制动子和第一定子绕组5-1之间的推力关系始终成一定比例。此外，第一定子绕组5-1产生的电枢磁场速度与调制谐波磁场速度相等，因此，可参考式(5)进行调速。因此，由第一定子绕组5-1、调制动子和永磁动子相互作用下，调制动子和永磁动子只能实现速度解耦，但他们之间的推力仍然是耦合的。在实际应用中，若只采用一套绕组(第一定子绕组5-1)，那么由于波浪运动的不确定性就会使绕组发出的电压极其不稳定。
进一步将第二定子绕组5-2通过绕组排布设计可产生与自然谐波磁场相同极对数和速度的电枢磁场。那么，第二定子绕组5-2和永磁动子就构成了一个永磁同步直线电机。此时，第二定子绕组5-2只与永磁动子作用产生推力，而不与调制动子产生推力。此外，由于第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2产生的电枢磁场极对数不同，因此它们之间不会产生推力，换言之，它们之间不会产生影响。因此，通过第二定子绕组5-2和永磁动子相互作用，可实现调制动子和永磁动子的推力解耦。
通过上述分析可知，调制动子上的电磁推力只与第一定子绕组5-1相关，调制动子速度与第一定子绕组5-1的电枢磁场和永磁动子的速度相关；而永磁动子上电磁推力不仅与第一定子绕组5-1相关，而且受第二定子绕组5-2的影响，同时永磁动子的速度只与第二定子绕组5-2的电枢磁场速度相同。因此，对于基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机来说，调制动子的推力和速度与永磁动子的推力和速度完全独立。
在实际应用中，调制动子与波浪传动装置相连，因此调制动子的运动具有很大的随机性。此时，通过第二定子绕组5-2使永磁转子推力和速度得到有效控制，从而使第一定子绕组5-1电枢磁场的速度始终保持恒定，进而使基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机发出的电压幅值、频率始终保持恒定，使整个发电***发电品质得到显著提升。
具体的讲，图1中永磁动子的极对数是6，调制动子中导磁块数是10。由式(4)可知，气隙中会产生一系列的调制谐波磁场。这些调制谐波磁场当中，通常是k＝1,j＝-1时对应的调制谐波磁场幅值最大，也就是说调制谐波磁场中4对极磁场幅值最大。因此，将第一定子绕组5-1通过绕组排布设计可产生4对极电枢磁场，如图3所示(第一定子绕组5-1在每个槽中有圆环型绕组，图中每个圆环型绕组用一竖线代替)。并通过控制第一定子绕组5-1产生电枢磁场的速度与4对极调制谐波磁场的速度相同，从而使第一定子绕组5-1、调制动子和永磁动子实现机电能量转换。
此时由式(3)也可知，气隙中会产生一系列的自然谐波磁场，这些自然谐波磁场当中，k＝1时对应的自然谐波磁场幅值最大，也就是说永磁动子产生6对极的自然谐波磁场幅值最大。因此，将第二定子绕组5-2通过绕组排布设计可产生6对极电枢磁场，如图4所示(第二定子绕组5-2在每个槽中有圆环型绕组，图中每个圆环型绕组用一竖线代替)。并通过控制第二定子绕组5-2产生电枢磁场的速度与6对极自然谐波磁场的速度相同，那么第二定子绕组5-2和永磁动子就可实现机电能量转换。
此外，由于第一定子绕组5-1和第二定子绕组5-2产生的电枢磁场极对数不同(一个是4对极电枢磁场，另一个是6对极电枢磁场)，根据机电能量转换原理，它们之间不会产生推力。换言之，它们之间并不会互相影响。
最终的效果相当于，第一定子绕组5-1、调制动子和永磁动子是一个双动子电机；而第二定子绕组5-2和永磁动子相当于传统的永磁同步直线电机。这样，通过第一定子绕组5-1的控制可实现调制动子和永磁动子速度解耦，但二者的推力是耦合(不是独立的)的；进一步通过第二定子绕组5-2的控制可实现调制动子和永磁动子之间的推力解耦。因此，在实际应用中通过第二定子绕组5-2实现了对永磁动子的有效控制，即使在调制动子随机变速运动下也能保证第一定子绕组5-1发出的电压幅值、频率恒定，从而使整个发电***的发电品质得到提高，也使***运行的稳定性得到提高。
Claims (2)
1.基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机，其特征在于，包括机壳(4)、双绕组定子(5)、永磁动子(7)、调制动子(6)、永磁动子输出轴(10)和调制动子输出轴(1)；
双绕组定子(5)固定在机壳(4)的内圆表面上，双绕组定子(5)内部由外向内依次设置有调制动子(6)和永磁动子(7)；永磁动子(7)固定在永磁动子输出轴(10)上，永磁动子输出轴(10)的左端通过第二轴承(3)与调制动子(6)滑动连接，永磁动子输出轴(10)的右端从机壳(4)的右侧端盖伸出，且通过第三轴承(8)也与调制动子(6)滑动连接；
调制动子(6)位于双绕组定子(5)与永磁动子(7)之间，调制动子(6)的两端分别从机壳(4)的两侧端盖伸出，其中右侧伸出部分通过第三轴承(8)和第四轴承(9)与永磁动子(7)和机壳(4)的右侧端盖滑动连接；其中左侧伸出部分作为调制动子输出轴(1)，所述调制动子输出轴(1)通过第一轴承2和第二轴承(3)分别与机壳(4)左侧端盖和永磁动子(7)滑动连接；
调制动子(6)和双绕组定子(5)之间存在径向气隙L1；调制动子(6)与永磁动子(7)之间存在径向气隙L2；调制动子输出轴(1)和永磁动子输出轴(10)的轴线重合；
双绕组定子(5)由定子铁心(5-3)、第一定子绕组(5-1)和第二定子绕组(5-2)构成；第一定子绕组(5-1)是一个m1相定子绕组，当第一定子绕组(5-1)通有m1相交流电流时，会形成沿轴线方向运动的ps1极对数电枢磁场，m1、ps1为正整数；第二定子绕组(5-2)是一个m2相定子绕组，当第二定子绕组(5-2)通有m2相交流电流时，会形成沿轴线方向运动的ps2极对数的电枢磁场，m2、ps2为正整数；
永磁动子(7)极对数为pPM，pPM为正整数；永磁动子(7)由永磁动子铁心(7-2)和2pPM个永磁体单元(7-1)构成，2pPM个永磁体单元(7-1)沿轴线方向均匀分布排列，2pPM个永磁体单元(7-1)固定在永磁动子铁心(7-2)的外圆表面上，相邻两块永磁体单元(7-1)的充磁方向相反；永磁体单元(7-1)的充磁方向为径向充磁；
调制动子(6)由pm个导磁块(6-1)、pm个非导磁块(6-2)和动子支架(6-3)构成，pm为正整数；动子支架(6-3)沿轴线方向交错设置导磁块(6-1)和非导磁块(6-2)；
同时满足条件ps1＝|kpPM+jpm|和ps2＝kpPM，其中k是正整数，j是整数。
2.根据权利要求1所述基于磁场调制原理的双动子双绕组圆筒型直线发电机，其特征在于，导磁块(6-1)选用软磁复合材料、硅钢片、实心铁或软磁铁氧体。
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