[发明专利]一种直线发电机初级

说明书

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系统的长次级、短初级直线发电机。

背景技术

点吸收波浪能发电系统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系统，该系统通常可分为直驱型和非直驱型。非直驱型系统的浮子连接气动系统、液压系统或齿轮箱等升速装置，然后再连接旋转发电机。非直驱型系统的体积小，但是其中间环节复杂，降低了系统的可靠性和转换效率。直驱型系统浮子直接连接直线发电机，不需要任何中间机构。这种系统结构简单，提高了系统的效率和可靠性。由直线发电机作为机电转换装置的点吸收波浪能发电系统为直驱式点吸收波浪能发电系统。

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系统中，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系统，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系统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系统。

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系统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。