CN112769262A - 基于磁力齿轮的水下航行器随体式波浪能发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁力齿轮的水下航行器随体式波浪能发电***,包括外壳、波浪能捕获装置、磁齿轮复合发电机和电能后处理模块,其特征在于,波浪能捕获装置,包括获能偏心摆和中心主轴;磁齿轮复合发电机,包括低速转子,调磁环,高速转子与电机定子获能偏心摆连接在中心主轴上;将获能偏心摆的安装位置视为水平放置;中心主轴与水平放置的磁齿轮复合电机低速转子固定连接,磁齿轮复合电机由五个同心部件组成,从外至内依次为低速转子,调磁环,高速转子与电机内定子;低速转子、调磁环与高速转子共同构成磁力齿轮,电机定子同心放置于磁力齿轮内部,沿圆周方向开有定子槽,嵌放于定子槽的电枢绕组即为电机的电力输出端口。
Description
技术领域
本发明属于波浪能发电技术和海洋装备领域,具体涉及一种基于磁力齿轮的水下航行器随体式波浪能发电***。
背景技术
自主式水下航行器(AUV)作为海洋中的移动平台可以进行水下观测、数据采集、遥控作战等任务,其主要的动力源为自身携带的蓄电池,然而,航行器的体积有限,携带的电池续航能力弱,需要定期进行充电或更换电池组,不能满足长航时、远航程的工作需求。能源供给技术成为制约AUV持续工作的关键因素。波浪能能量密度与可开发容量较大,且不受时空限制,航行器采用波浪能进行发电可以实现全天候作业,对解决AUV的电力补给问题具有重要的现实意义。
波浪能发电存在能量分散、不稳定性较大、现有波浪能发电装置转换效率不高等问题,因此,更多地吸收波浪能量,简化能量转换过程,降低能量传递损失,提高转换效率成为波浪能在水下航行器上应用的关键。采用磁力齿轮代替齿轮箱等机械传动机构进行增速,避免了机械磨损、振动噪声等问题,降低了***体积,提升了发电效率。目前对AUV随体式波浪发电的研究尚不成熟,其发电量也较小,如何将波浪发电***与水下航行器进行有效结合,提升AUV波浪能随体发电***的效率与发电量,为AUV持续航行和深海作业提供电力支持仍需进一步研究。
发明内容
本发明提供一种基于磁力齿轮的水下航行器随体式波浪发电***,以期解决AUV的能源供给问题,采用磁力齿轮代替机械齿轮箱,降低能量损失,提升转换效率,有效地利用波浪能,实现AUV长航时、远航程的清洁稳定作业。技术方案如下:
一种基于磁力齿轮的水下航行器随体式波浪发电***,包括外壳、波浪能捕获装置、磁齿轮复合发电机和电能后处理模块,其特征在于,
波浪能捕获装置,包括获能偏心摆和中心主轴;磁齿轮复合发电机,包括低速转子,调磁环,高速转子与电机定子获能偏心摆连接在中心主轴上;将获能偏心摆的安装位置视为水平放置;中心主轴与水平放置的磁齿轮复合电机低速转子固定连接,磁齿轮复合电机由五个同心部件组成,从外至内依次为低速转子,调磁环,高速转子与电机内定子;低速转子、调磁环与高速转子共同构成磁力齿轮,电机定子同心放置于磁力齿轮内部,沿圆周方向开有定子槽,嵌放于定子槽的电枢绕组即为电机的电力输出端口。
进一步地,所述的磁齿轮复合电机采用混合充磁方式:在低速转子内侧以中心主轴为轴沿圆周方向均匀分布的低速转子永磁体采用分段式Halbach阵列充磁,而高速转子的内、外两侧以中心主轴为轴均匀表贴的永磁体采用径向充磁。
调磁环的圆周方向上均匀分布着由叠合的硅钢片构成的调磁铁块,在调磁铁块的空隙及调磁环的外端面是由环氧树脂材料浇注制成的环氧树脂卡套,非导磁材料制成的紧固螺栓穿过环氧树脂卡套将调磁环固定到电机端盖上。
本发明的技术效果如下:
1)本***利用清洁、绿色、可持续的波浪能为AUV的长航时、远航程作业提供能源支持,降低海洋污染问题。
2)本***可以捕获波浪横摇、纵摇、垂荡等方向的运动,提高波浪能的利用率。
3)本***仅有一个机械运动部件,且集成于水下航行器内部,有效避免海水腐蚀问题,可以在恶劣海况下工作,***稳定性与可靠性高。
4)磁力齿轮采用混合充磁,具有更高的转矩密度与功率密度。
5)将调磁铁块放入环氧树脂卡套中,从而紧固于电机端盖上,既确定了调磁铁块间的相对位置,又保证了较高的机械强度。
附图说明
图1是波浪能发电***安装示意图。
图2是偏心摆发电装置(获能偏心摆与磁齿轮复合发电机)结构示意图。
图3是电机永磁体充磁示意图。
图4是基于磁力齿轮的水下航行器波浪能发电***示意图。
其中:1为自主式水下航行器;2为基于磁力齿轮的波浪能发电***;3为外壳;4为隔板;5为获能偏心摆;6为中心主轴;7为磁齿轮低速转子;8为调磁环;9为磁齿轮高速转子;10为电机定子;11为调磁铁块;12为环氧树脂卡套;13为紧固螺栓;14为低速转子永磁体;15为高速转子永磁体;16为定子绕组。
具体实施方式
磁力齿轮具有高功率密度与高效率等优点,本发明提出一种基于磁力齿轮的波浪发电***,为水下航行器作业提供电力需求,解决单纯依靠蓄电池供电而续航能力不足的问题。
本发明提出一种基于磁力齿轮的水下航行器随体式波浪发电***,包括三大部分:由偏心摆、中心主轴组成的波浪能捕获装置,由低速转子,调磁环,高速转子与电机定子组成的磁齿轮复合发电机和由整流滤波电路、稳压电路、逆变电路、负载与储能单元组成的电能后处理模块。获能偏心摆与电机共用一个圆柱形外壳,构成偏心摆发电装置,壳体内安装隔板,将整个壳体分为机械仓与电机仓。机械仓内偏心摆水平方向放置并固接在中心主轴上,所述的获能偏心摆仅有一个运动部件且可以采集来自各个方向的波浪能。电机仓内放置磁齿轮复合电机,复合电机机械输入端口低速转子在竖直方向上与中心主轴固定连接。调磁环采用卡套法紧固到电机端盖上成为调磁环定子,具体地,将叠合的硅钢片放入由环氧树脂材料浇注而成的卡套中,通过非导磁材料制成的紧固螺栓固接于电机端盖上。高速转子位于调磁环内部,低速转子、调磁环与高速转子共同构成了磁力齿轮,电机定子同心放置于磁力齿轮内部,沿圆周方向开有定子槽,嵌放于定子槽的电枢绕组即为电机的电力输出端口。所述的磁齿轮复合电机采用混合充磁方式:在低速转子内侧以中心主轴为轴沿圆周方向均匀分布的低速转子永磁体采用分段式Halbach阵列充磁,而高速转子的内、外两侧以中心主轴为轴均匀表贴的永磁体采用径向充磁。
整个偏心摆发电装置内置于AUV中,在海洋波浪作用下,AUV产生横摇、纵摇、垂荡等运动,使中心主轴与水平面产生一定夹角,偏心摆在重力作用下运动,通过中心主轴带动磁齿轮低速转子转动。通过磁性齿轮的磁场调制作用进行增速,将低速转动转换为高速圆周运动传递给永磁同步发电机,得到的不稳定电能经整流、滤波、稳压等环节后转换为稳定的电能供给负载或储存入蓄电池内。
如图1所示,波浪能发电***2固定安装于水下航行器1内部,航行器采用鱼雷外形,降低了流体阻力与噪声。波浪能发电***2具有偏心摆波浪能捕获装置、磁齿轮复合电机与电能后处理模块三个部分。
图2中所述的偏心摆发电装置包括一个置于AUV内部的圆柱形外壳3,在圆柱形外壳内安装水平方向的圆形隔板4,在隔板的中心位置安装轴承座,并在轴承座上安装轴承。壳体以隔板为界分为机械仓与电机仓两部分。机械仓内为波浪能捕获装置,包括一个水平放置的偏心摆5和与偏心摆固定连接的中心主轴6。中心主轴的底端穿过隔板上的轴承进入电机仓与水平放置的磁齿轮复合电机低速转子7固定连接。该磁齿轮复合电机由五个同心部件组成,从外至内依次为低速转子,调磁环8,高速转子9与电机内定子10。其中,调磁环8的圆周方向上均匀分布着由叠合的硅钢片构成的调磁铁块11,在调磁铁块的空隙及调磁环的外端面是由环氧树脂材料浇注制成的环氧树脂卡套12,紧固螺栓13穿过环氧树脂卡套将调磁环固定到电机端盖上。为避免调磁环的磁场调制性能被破坏,紧固螺栓采用非导磁材料制成。这种调磁环的紧固方法具有较高的机械强度,可以承受低速转子与高速转子在旋转过程中产生的磁力转矩。
调磁环固定,低速转子与高速转子的转速关系符合式(1):
其中,Gr为磁齿轮变速比;ωh、ωl分别为高速转子、低速转子转速;ph、pl分别为高速转子、低速转子永磁体极对数;“-”表示两转子转动方向相反。
低速转子永磁体14以中心主轴为轴沿圆周方向表贴于低速转子7内侧,采用分段式Halbach阵列的充磁方式:将每对磁极分为4段,按照0°、270°、180°、90°的顺时针方向对每段磁极进行磁化,然后将其拼接到一起组成Halbach阵列;高速转子永磁体15以中心主轴为轴沿圆周方向表贴于高速转子9内、外两侧,均采用径向充磁方式,电机永磁体充磁示意图如图3所示。这种混合充磁的方式增强了外层气隙的磁通密度、并且提高了转矩密度。且Halbach充磁方式的聚磁效应使得低速转子永磁体内侧气隙磁场得到增强,外侧气隙磁场则被削弱,由此采用薄外轭结构,降低了低速转子铁芯厚度,节省了材料,又保证了一定的机械强度。
如图4所示,磁齿轮复合电机的输入端口即低速转子7通过中心主轴6与获能偏心摆5连接,输出端口即定子绕组16通过滑环与整流桥连接。偏心摆5在海洋波浪作用下转动,通过中心主轴6将机械能传递给电机的低速转子7,进而通过调磁环对内、外气隙磁场的调制作用传递至高速转子9,将低速转动转换为高速圆周运动,在高速转子9内侧永磁体与定子线圈16的相互作用下将机械能转换为不稳定的交流电能,并引出至AC-DC整流桥,然后通过滤波电容转变为脉动的直流电,再经过DC-DC稳压电路处理后变为稳定的直流电提供给储能模块;或通过DC-AC逆变电路为交流负载供电。
Claims (3)
1.一种基于磁力齿轮的水下航行器随体式波浪能发电***,包括外壳、波浪能捕获装置、磁齿轮复合发电机和电能后处理模块,其特征在于,
波浪能捕获装置,包括获能偏心摆和中心主轴;磁齿轮复合发电机,包括低速转子,调磁环,高速转子与电机定子获能偏心摆连接在中心主轴上;将获能偏心摆的安装位置视为水平放置;中心主轴与水平放置的磁齿轮复合电机低速转子固定连接,磁齿轮复合电机由五个同心部件组成,从外至内依次为低速转子,调磁环,高速转子与电机内定子;低速转子、调磁环与高速转子共同构成磁力齿轮,电机定子同心放置于磁力齿轮内部,沿圆周方向开有定子槽,嵌放于定子槽的电枢绕组即为电机的电力输出端口。
2.根据权利要求1所述的水下航行器随体式波浪能发电***,其特征在于,所述的磁齿轮复合电机采用混合充磁方式:在低速转子内侧以中心主轴为轴沿圆周方向均匀分布的低速转子永磁体采用分段式Halbach阵列充磁,而高速转子的内、外两侧以中心主轴为轴均匀表贴的永磁体采用径向充磁。
3.根据权利要求1所述的水下航行器随体式波浪能发电***,其特征在于,调磁环的圆周方向上均匀分布着由叠合的硅钢片构成的调磁铁块,在调磁铁块的空隙及调磁环的外端面是由环氧树脂材料浇注制成的环氧树脂卡套,非导磁材料制成的紧固螺栓穿过环氧树脂卡套将调磁环固定到电机端盖上。
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