CN202405988U

CN202405988U - 一种海浪发电机

Info

Publication number: CN202405988U
Application number: CN2011205542215U
Authority: CN
Inventors: 蒋浩; 余海涛; 周赣; 洪丽
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2021-12-27

Abstract

一种海浪发电机，包括竖向设置的环形的定子和设置在定子轴线上的动子，定子的外表面上设置有定子线圈槽，定子线圈槽内嵌有初极三相绕组，动子包括动子轴、环绕所述动子轴的基板和环绕所述基板的海尔贝克阵列永磁体，海尔贝克阵列永磁体包括至少一组永磁体阵列，每组永磁体阵列包括四个轴向依次排列的环形永磁体，定子的内表面与海尔贝克阵列永磁体之间设有气隙。本实用新型以海尔贝克阵列永磁体代替传统的永磁体，不但减少了永磁体材料的成本，同时也使产生的磁场正弦性更好、磁感应强度更强。

Description

一种海浪发电机

技术领域

本实用新型涉及一种用于海浪发电的海浪发电机。

背景技术

海浪具有十分巨大的能量，从海啸能把轮船冲上陆地，甚至能推翻岸边的建筑物就不难看出其中能量的巨大，海浪能是以动能形式表现的水能资源。有科学家曾经估测，在1平方千米的海面上，海浪能的功率高达2.0×100000千瓦，如果我们能将海浪能合理利用，将海浪的动能转化为电能，这能源不仅储量大、无污染，而且是可再生能源，取之不尽，用之不竭，加之我国是海洋大国，可利用的海洋资源极为丰富。

海浪发电机是利用海浪的上下垂直位移作为动力，推动发电机动子使水能转化为电能, 其所产生的电能先被送到岸边的变电站，升压后送入电网。

在传统直线电机里，永磁体的磁化方向垂直气隙并且相邻磁体间磁化方向旋转，因对称性，磁场在永磁阵列两侧是对称的。用Halbach型永磁体阵列，可以很容易得到在空间按较理想的正弦分布的磁场，可大大减弱电机的齿槽效应力矩。即使采用每极较少的永磁体段数(例如3段，甚至2段)，也可以很容易得到和理想Halbach型永磁体阵列类似的磁场分布。上述特点使得采用Halbach型永磁体阵列的电机的齿槽效应力矩几乎可以忽略不计，有利于提高电机的性能。该特点也说明要制造此种高性能电机的成本不高，因为通过采用较少段数的Halbach型阵列，以及采用简单绕组和定、转子非斜槽结构，就可以得到理想的正弦分布的磁场。

圆筒型永磁直线发电机按动子永磁体排列不同可分为径向充磁结构，轴向充磁结构和海尔贝克阵列（Halbach）充磁结构；

径向充磁结构永磁阵列需要动子扼部导磁，并且效率较低，而且其磁密主要集中在永磁体处所示。很难得到正弦磁场。轴向充磁结构永磁阵列的磁场是在径向的上下两个方向是均匀分布的，轴向充磁结构对气隙的要求较高，当气隙较小时永磁体有较高的利用率，当气隙加大时漏磁会显著增大，功率密度、效率等性能指标明显减小，因此，轴向充磁结构不适合应用到大气隙直线电机中，同时其气隙磁密也很难达到正弦。在实际应用中很难做到理想Halbach充磁阵列，所以实际应用中用分段磁体构成，每极下永磁体每块按一定的方向排列近似等效理想Halbach阵列。

专利号201020163714的专利“一种永磁直线发电机”的动子由动子铁心和置于动子铁心槽内的非导磁材料组成，但其磁场的磁感应强度与正弦性存在不足。

电励磁直线电机有励磁损耗产生，降低了综合效率；无铁永磁直线电机具有磁阻力小、定位精度高等优点，并可同时提供水平和垂直驱动力，但因没有铁磁物质构成磁路，存在气隙磁通密度低、脉动力不足的缺点。

实用新型内容

技术问题：本实用新型针对现有技术的不足与缺陷，提供一种使磁场具有更好的正弦性以及更强的磁感应强度的海浪发电机。

技术方案：一种海浪发电机，包括竖向设置的环形的定子和设置在所述定子轴线上的动子，定子的外表面上设置有定子线圈槽，定子线圈槽内嵌有初极三相绕组，动子包括动子轴、环绕动子轴的基板和环绕基板的海尔贝克阵列永磁体；海尔贝克阵列永磁体包括至少一组永磁体阵列，每组永磁体阵列包括四个沿动子轴向依次排列的环形永磁体，各组永磁体阵列的充磁方向排列顺序相同，每个永磁体阵列中四个环形永磁体的充磁方向从下向上依次为径向向内、轴向向上、径向向外、轴向向下，或轴向向上、径向向外、轴向向下、径向向内，或径向向外、轴向向下、径向向内、轴向向上，或轴向向下、径向向内、轴向向上、径向向外；定子的内表面与海尔贝克阵列永磁体之间设有气隙。

本实用新型中，气隙是定子的内表面与海尔贝克阵列永磁体之间0.5至1厘米的间隙。

本实用新型的用于海浪发电的永磁直线同步电机以岸基海浪发电站为基础，利用海浪冲击发电机永磁体动子作上下运动，切割直线电机定子绕组产生感生电动势，再用变频装置将直线发电机频率转化为工频，就可以将电输送给用户或者电网；

本实用新型在次极绕组未运动时，直线电机气隙间存在一个由永磁体产生的静止磁场，这个磁场按直线方向呈正弦分布，定子绕组没有电流通过，当海浪来时，推动永磁体作上下运动，原理上与旋转电机基本相似，不同之处在于直线电机的磁场沿直线方向平移，定子绕组切割磁感线就会产生感生电动势，当外电路闭合时，直线电机就向外部电路输送电能。

有益效果：本实用新型的磁场由永磁体提供，因此没有励磁电流通过，降低了铜耗；因为无励磁绕组、滑环和电刷，因而提高了可靠性，使得发生短路或开路的概率减小；因为永磁电机的励磁磁场无需绕组和绝缘工作，因而磁极占据的空间大幅度地减小，在较小的空间区域内可以获得更大的磁场强度；因为此电机工作在海浪中，因而电机的散热和冷却非常高效。

由于此永磁直线同步电机使用了永磁体取代电励磁，且无励磁损耗。因此，永磁直线同步电机的效率要比电励磁直线同步电机高，而且无需从电网中吸取滞后的励磁电流，从而极大地提高了电动机的综合效率；

本实用新型的次极永磁体是由海尔贝克阵列永磁体组成，海尔贝克阵列永磁体的永磁体阵列按图2所示方向充磁，使磁场正弦性更好、磁感应强度更强，可提高气隙磁通密度；因强侧磁场不存在3次谐波，可大幅降低电磁力的脉动。本实用新型以直线电机取代传统的旋转发电机，无需接触式驱动，减少介质损耗，提高发电效率；并且以Halbach永磁体代替传统的永磁体，不但减少了永磁体材料的成本，同时也使产生的磁场正弦性更好、磁感应强度更强。

本实用新型动子采用基板外套永磁体结构，没有采用铁心材料。由于Halbach磁铁自屏蔽效应产生的单边磁场分布不再需要动子采用磁性材料为其提供通路，使系统有较低的转动惯量和较好的快速响应性能；

相对于传统永磁电机架构，由于Halbach磁环分解后的平行磁场与径向磁场的相互迭加使得另一侧的磁场强度大幅度提升，这样可有效地减小电机的体积，提升电机的功率密度；

在传统永磁电机中，由于气隙磁场不可避免的存在谐波，一般在定动子架构上采取斜槽削弱其影响。在Halbach电机中，由于气隙磁场正弦分布程度较高，谐波含量小，故定动子无需斜槽；

由于Halbach永磁体的永磁工作点较高，一般均超过0.9，提升了永磁的利用率；

传统永磁电机中往往采用分布式绕组来削弱谐波磁动势的影响，在Halbach电机中由于其磁场正弦分布程度较高，谐波磁场影响较小，故本实用新型的海浪发电机可采用集中式绕组；

本实用新型采用Halbach电机磁铁排列，对电机的轴承要求大大的减小；能承受海浪的冲击，不易损坏；不产生有毒气体，无附加噪声，环保健康。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型永磁直线电机轴向剖面示意图。

图2为本实用新型永磁直线电机立体剖面图，图中箭头所示为永磁体充磁方向。

图3为Halbach永磁体径向充磁结构。

图4为Halbach永磁体轴向充磁结构。

图5为Halbach永磁体理想充磁结构。

图6为本实用新型所采用的Halbach永磁体充磁结构。

图中有：定子1，定子线圈槽2，海尔贝克阵列永磁体3，动子轴4，基板5，气隙 6，初极三相绕组7。

具体实施方式

如图1所示，该海浪发电机主要包括以下几部分：定子1，定子线圈槽2，海尔贝克阵列永磁体3，动子轴4，基板5，气隙 6，初极三相绕组7。

实施例1：本实用新型的海浪发电机，包括竖向设置的环形的定子1和设置在定子1轴线上的动子，定子1采用导磁钢片叠压形成，以增强气隙中磁场密度，定子1的外表面上设置有定子线圈槽2，定子线圈槽2内嵌有平行放置的初极三相绕组7，初级三相绕组7采用漆包线绕制成集中绕组；动子包括动子轴4、环绕动子轴4的基板5和环绕基板5的海尔贝克阵列永磁体3，海尔贝克阵列永磁体3用环氧树脂粘贴在基板5上，基板采用非导磁不锈钢冲压形成，以增强动子工作时的坚固性和可靠性；海尔贝克阵列永磁体3包括至少一组永磁体阵列，每组永磁体阵列包括四个沿动子轴向依次排列的环形永磁体，各组永磁体阵列的充磁方向排列顺序都是相同的，每个永磁体阵列中四个环形永磁体的充磁方向从下向上依次为径向向内、轴向向上、径向向外、轴向向下，海尔贝克阵列永磁体3与定子1的内表面之间有0.5厘米的间隙。

实施例2：每个永磁体阵列中四个环形永磁体的充磁方向从下向上依次为轴向向上、径向向外、轴向向下、径向向内，海尔贝克阵列永磁体3与定子1的内表面之间有0.8厘米的间隙，其他同实施例1。

实施例3：每个永磁体阵列中四个环形永磁体的充磁方向从下向上依次为径向向外、轴向向下、径向向内、轴向向上，海尔贝克阵列永磁体3与定子1的内表面之间有0.6厘米的间隙，其他同实施例1。

实施例4：每个永磁体阵列中四个环形永磁体的充磁方向从下向上依次为轴向向下、径向向内、轴向向上、径向向外，海尔贝克阵列永磁体3与定子1的内表面之间有1厘米的间隙，另外在发电机底部两侧设置两个排水槽，通过气隙等漏到动子上方的海水便通过此排水槽漏出，不影响设备的使用，其他同实施例1。

本实用新型安装就位后，发电机底部固定在相应管道内，海水上涨时，海水通过管道上涨到一定位置继而推动动子向上运动；海水下落时，动子通过自身重力下落，从而动子随着海水的上涨和下落作上下往复运动，从而使永磁体产生的磁场在作上下运动，相当于定子线圈在切割磁感线。定子线圈中产生电流，此电流因为海水上涨和下落的频率不稳定等因素影响，所以并不是一定频率的电流，需通过变频装置将其频率转换为工频，转换后的电流就可以输送给用户使用或者送入电网。

Claims

1.一种海浪发电机，其特征在于，该发电机包括竖向设置的环形的定子（1）和设置在所述定子（1）轴线上的动子，定子（1）的外表面上设置有定子线圈槽（2），定子线圈槽（2）内嵌有初极三相绕组（7），所述动子包括动子轴（4）、环绕所述动子轴（4）的基板（5）和环绕所述基板（5）的海尔贝克阵列永磁体（3）；所述海尔贝克阵列永磁体（3）包括至少一组永磁体阵列，所述每组永磁体阵列包括四个沿动子轴向依次排列的环形永磁体，各组永磁体阵列的充磁方向排列顺序相同，每个永磁体阵列中四个环形永磁体的充磁方向从下向上依次为径向向内、轴向向上、径向向外、轴向向下，或轴向向上、径向向外、轴向向下、径向向内，或径向向外、轴向向下、径向向内、轴向向上，或轴向向下、径向向内、轴向向上、径向向外；定子（1）的内表面与海尔贝克阵列永磁体（3）之间设有气隙（6）。

2.根据权利要求1所述的海浪发电机，其特征在于，所述的气隙（6）是定子（1）的内表面与海尔贝克阵列永磁体（3）之间0.5至1厘米的间隙。