一种波浪发电用变速永磁直线发电机

本发明涉及动力装置，尤其是一种波浪发电用变速永磁直线发电机。

背景技术：

1、波浪能因能流密度高、开采技术易于小型化、对海洋生态影响小等特点，具有广阔的开发利用前景。

2、最为传统的波浪发电装置一般是采用旋转电机，工作中需要用到直线-旋转机械转换装置，这导致其动态响应能力和能量转换效率相对较低，而且存在俘获频带窄、捕能效率低的问题。

3、目前现有技术中逐渐出现了直驱波浪发电技术，例如，在专利授权公告号为cn202364009u的专利文献中也公开了一种低速直驱海浪发电机，其转子部分主要由发电机轴、轴承、转子铁芯、稀土磁钢组成，定子部分主要由定子机壳、定子铁芯、定子线圈、发电机端盖组成，由其结构组成可以看出其采用的结构为低速直驱式波浪发电机结构。

4、低速直驱式波浪发电机结构与采用旋转电机的波浪发电装置相比，省去了直线-旋转机械转换装置，可显著提高系统对波浪的动态响应能力和能量转换效率，但是，其缺点也十分明显，低速直驱会造成电机体积大、功率密度小，这也使其成为了导致直驱波浪发电技术发展的瓶颈问题。

5、综上所述，为保证波浪发电装置在较宽频率范围内的波浪条件下，都能获得较好的捕能效率，宽频捕能的研究将会成为波浪发电领域的一个关键课题。

6、为此，本发明针对现有技术中海浪发电存在的相关问题进行了优化与改进，提出了一种波浪发电用变速永磁直线发电机，用以更好地解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、本发明为解决上述技术问题之一，所采用的技术方案是：一种波浪发电用变速永磁直线发电机，所述变速永磁直线发电机由变速直线磁齿轮单元、永磁同步直线电机单元并联耦合组成；

2、所述变速直线磁齿轮单元包括双动子结构和调磁定子；

3、所述永磁同步直线电机单元包括永磁动子和电枢定子，其中，永磁动子由永磁动子铁芯和若干个安装在永磁动子铁芯上的高矫顽力钕铁硼永磁体组成；电枢定子包括电枢铁心，在电枢铁心的长度方向上间隔设置有若干个铁心槽，在各铁心槽内均安装有对应的交流电枢绕组。

4、在上述任一方案中优选的是，所述变速直线磁齿轮单元的双动子结构包括磁齿轮低速动子、磁齿轮高速动子，磁齿轮低速动子与磁齿轮高速动子相对于调磁定子间隔设置；

5、磁齿轮低速动子、磁齿轮高速动子均由位于调磁定子外侧的磁齿轮动子铁芯组成，在对应的磁齿轮动子铁芯的内表面间隔开设有若干个内槽，在各内槽内部均放置直流励磁绕组；

6、各磁齿轮动子铁芯相邻位置处的内槽之间均形成铁芯齿；

7、在其中若干个铁芯齿的内端部表面均嵌入安装有低矫顽力铝镍钴永磁体，相邻的低矫顽力铝镍钴永磁体之间均间隔有一铁芯齿并形成交替极结构；

8、调磁定子由相互水平同轴固连的若干个导磁极片和非导磁片交替排列构成。

9、在上述任一方案中优选的是，永磁同步直线电机单元的永磁动子上的各高矫顽力钕铁硼永磁体以内嵌或表贴的方式安装在永磁动子铁芯上。

10、在上述任一方案中优选的是，磁齿轮低速动子和调磁定子之间形成第一层气隙；调磁定子和对位位置处的高速动子单元之间形成第二层气隙；其中，高速动子单元包括磁齿轮高速动子、隔磁磁障和永磁动子；高速动子单元和电枢定子之间形成第三层气隙。

11、在上述任一方案中优选的是，磁齿轮低速动子与外部的浮筒刚性连接并形成一体结构，发电机与浮筒构成的整体结构的固有频率为ωc。

12、在上述任一方案中优选的是，所述变速直线磁齿轮单元在轴向有效长度内，磁齿轮低速动子、磁齿轮高速动子的低矫顽力铝镍钴永磁体极对数分别为p1和p2，调磁定子中导磁极片的数量为ps，三者满足约束关系ps=p1+p2，则变速直线磁齿轮单元的传动比gr=-p1/p2，其中，负号代表变速直线磁齿轮单元的双动子结构的运动方向相反。

13、在上述任一方案中优选的是，磁齿轮低速动子运行速度为vl，基于磁场调制原理，将磁齿轮低速动子的运动转变成为有效谐波磁场的高速运动；高速动子单元与高速谐波磁场耦合，以vh=gr×vl的速度运行，即实现磁齿轮增速效应。

14、在上述任一方案中优选的是，为了获得所需要的传动比gr，通常保持调磁定子中导磁极片的数量ps不变，改变变速直线磁齿轮单元的磁齿轮低速动子、磁齿轮高速动子的低矫顽力铝镍钴永磁体极对数p1和p2，采用h桥电路给双动子结构上的直流励磁绕组施加电流脉冲，控制对应的低矫顽力铝镍钴永磁体磁化或去磁，实现变极。

15、在上述任一方案中优选的是，所述高速动子单元由磁齿轮高速动子和永磁动子组成且二者通过隔磁磁障实现并联耦合。

16、在上述任一方案中优选的是，将直流励磁绕组置于变速直线磁齿轮单元的双动子结构上，每个直流励磁绕组只针对其对应的一块低矫顽力铝镍钴永磁体进行充磁或去磁。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

18、1、本发明设置的变速直线磁齿轮单元的传动比可调，可以实现根据波浪变化调节发电机传动比，使外部的浮筒波能捕获装置与入射波发生多次共振，其宽频捕能特性，可以使波能捕获装置在较宽频率范围内的波浪条件下获得较好的捕能效率，提高直驱式变速波浪发电机发电效率。

19、2、本波浪发电用变速永磁直线发电机具有低速直驱和高速设计的创新点，能够利用变速直线磁齿轮单元的增速效应，加快发电机驱动速度，有效提高直驱式变速波浪发电机的功率密度和效率。

20、3、同样地，本波浪发电用变速永磁直线发电机结构具备永磁同步电机高功率因数的优良特性。

21、4、本发明专利的波浪发电用变速永磁直线发电机具有过负荷保护特性；磁齿轮高速动子、磁齿轮低速动子在变速直线磁齿轮单元的过负荷时可以自动滑开，切断输入与输出之间的联系，增加波浪发电机的可靠性和使用寿命。

技术特征：

1.一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：所述变速永磁直线发电机由变速直线磁齿轮单元、永磁同步直线电机单元并联耦合组成；

2.根据权利要求1所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：所述变速直线磁齿轮单元的双动子结构包括磁齿轮低速动子、磁齿轮高速动子，磁齿轮低速动子与磁齿轮高速动子相对于调磁定子间隔设置；

3.根据权利要求2所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：永磁同步直线电机单元的永磁动子上的各高矫顽力钕铁硼永磁体以内嵌或表贴的方式安装在永磁动子铁芯上。

4.根据权利要求3所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于： 磁齿轮低速动子和调磁定子之间形成第一层气隙；调磁定子和对位位置处的高速动子单元之间形成第二层气隙；其中，高速动子单元包括磁齿轮高速动子、隔磁磁障和永磁动子；高速动子单元和电枢定子之间形成第三层气隙。

5.根据权利要求4所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：磁齿轮低速动子与外部的浮筒刚性连接并形成一体结构，发电机与浮筒构成的整体结构的固有频率为ωc。

6.根据权利要求5所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：所述变速直线磁齿轮单元在轴向有效长度内，磁齿轮低速动子、磁齿轮高速动子的低矫顽力铝镍钴永磁体极对数分别为p1和p2，调磁定子中导磁极片的数量为ps，三者满足约束关系ps=p1+p2，则变速直线磁齿轮单元的传动比gr=-p1/p2，其中，负号代表变速直线磁齿轮单元的双动子结构的运动方向相反。

7.根据权利要求6所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：磁齿轮低速动子运行速度为vl，基于磁场调制原理，将磁齿轮低速动子的运动转变成为有效谐波磁场的高速运动；高速动子单元与高速谐波磁场耦合，以vh=gr×vl的速度运行，即实现磁齿轮增速效应。

8.根据权利要求7所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：为了获得所需要的传动比gr，通常保持调磁定子中导磁极片的数量ps不变，改变变速直线磁齿轮单元的磁齿轮低速动子、磁齿轮高速动子的低矫顽力铝镍钴永磁体极对数p1和p2，采用h桥电路给双动子结构上的直流励磁绕组施加电流脉冲，控制对应的低矫顽力铝镍钴永磁体磁化或去磁，实现变极。

9.根据权利要求8所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：所述高速动子单元由磁齿轮高速动子和永磁动子组成且二者通过隔磁磁障实现并联耦合。

10.根据权利要求9所述的一种波浪发电用变速永磁直线发电机，其特征在于：将直流励磁绕组置于变速直线磁齿轮单元的双动子结构上，每个直流励磁绕组只针对其对应的一块低矫顽力铝镍钴永磁体进行充磁或去磁。

技术总结
本发明涉及动力装置技术领域，尤其是一种波浪发电用变速永磁直线发电机，所述变速永磁直线发电机由变速直线磁齿轮单元、永磁同步直线电机单元并联耦合组成；所述变速直线磁齿轮单元包括双动子结构和调磁定子；所述永磁同步直线电机单元包括永磁动子和电枢定子，其中，永磁动子由永磁动子铁芯和若干个安装在永磁动子铁芯上的高矫顽力钕铁硼永磁体组成。本发明设置的变速直线磁齿轮单元的传动比可调，可以实现根据波浪变化调节发电机传动比，使外部的浮筒与入射波发生多次共振，其宽频捕能特性，可以使波能捕获装置在较宽频率范围内的波浪条件下获得较好的捕能效率。

技术研发人员：封宁君,王福才,徐明铭,邓冠龙,冯树林,张平,韩辅君,周鲁苹,侯典立
受保护的技术使用者：鲁东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16