本發(fā)明涉及一種綜合利用直線磁齒輪與永磁直線電機(jī)的波浪能發(fā)電的裝置。

背景技術(shù)：

自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，隨著生化能源的日益減少以及環(huán)境污染的加劇，在能源的攝取與應(yīng)用上人們?cè)絹?lái)越青睞于無(wú)污染、清潔、可持續(xù)發(fā)展的可再生能源。波浪能是一種取之不盡用之不竭的可再生能源，與風(fēng)能、太陽(yáng)能相比，波浪能又具有功率密度大、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。我國(guó)作為一個(gè)海洋大國(guó)，海岸線長(zhǎng)超過(guò)1.8萬(wàn)千米，海島岸線1.4萬(wàn)千米，波浪能資源豐富，根據(jù)中國(guó)沿海海洋觀測(cè)站臺(tái)的資料估算，中國(guó)沿海理論波浪年平均功率約為1.3*10⁷kw，若將其合理充分的利用，將會(huì)使得我國(guó)能源的結(jié)構(gòu)更加合理，資源利用更加的充分。

傳統(tǒng)利用波浪能發(fā)電的系統(tǒng)中多采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)，在低速是效率低下、耐久性差，從而嚴(yán)重的制約了波浪發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)，有學(xué)者提出采用直線電機(jī)直接利用波浪的直線運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為電能。然而，由于波浪上下振動(dòng)的速度比較緩慢，所以不論是采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)還是直線電機(jī)，發(fā)電機(jī)的體積與質(zhì)量一般較大，從而會(huì)帶來(lái)制造成本高、安裝調(diào)試維護(hù)困難等一系列的問(wèn)題；如果采用傳統(tǒng)齒輪箱或是液壓系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行增速達(dá)到增加發(fā)電機(jī)動(dòng)子速度的目的，必然會(huì)帶來(lái)整體系統(tǒng)效率降低，維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明提供一種能夠增速傳動(dòng)，有效減小電機(jī)的尺寸，具有更好的吸收波浪能和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的基于增速型直線永磁發(fā)電機(jī)的雙浮子直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的基于增速型直線永磁發(fā)電機(jī)的雙浮子直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)，包括增速型直線永磁發(fā)電機(jī)、環(huán)繞所述增速型直線永磁發(fā)電機(jī)設(shè)置的內(nèi)浮筒、環(huán)繞所述內(nèi)浮筒設(shè)置的外浮筒、設(shè)置在所述內(nèi)浮筒下側(cè)的阻尼盤、固定在所述內(nèi)浮筒底端的錨鏈；增速型直線永磁發(fā)電機(jī)包括定子和環(huán)繞所述定子設(shè)置的動(dòng)子，所述定子包括定子鐵心和設(shè)置在所述定子鐵心上的電樞繞組，所述動(dòng)子包括動(dòng)子鐵心和沿動(dòng)子鐵心內(nèi)表面以表貼或內(nèi)嵌方式排布的動(dòng)子永磁體。

進(jìn)一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，所述增速型直線永磁發(fā)電機(jī)的定子鐵心、電樞繞組安裝于所述內(nèi)浮筒內(nèi)部；所述增速型直線永磁發(fā)電機(jī)的動(dòng)子鐵心、動(dòng)子永磁體安裝于所述外浮筒內(nèi)部。

進(jìn)一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，所述動(dòng)子永磁體的磁極對(duì)數(shù)為nl，所述電樞繞組極對(duì)數(shù)為nh，所述定子的電樞齒數(shù)為np＝nh+nl，電機(jī)所獲得的速比為gr＝nl/nh，nh和nl均為自然數(shù)，且nh＜nl。

進(jìn)一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，所述動(dòng)子與外浮筒相連，波浪運(yùn)動(dòng)速度即為發(fā)電機(jī)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度vl。，定子和動(dòng)子之間氣隙有效諧波磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)等于電樞繞組的極對(duì)數(shù)nh，有效諧波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)速度為vh＝gr×vl。

進(jìn)一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，所述定子鐵心由導(dǎo)磁硅鋼片疊壓形成基塊，在所述基塊上設(shè)置鏤空槽，在鏤空槽內(nèi)放置電樞繞組，所述導(dǎo)磁硅鋼片和電樞繞組均為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，二者在定子直線運(yùn)動(dòng)方向上間隔排列，所述基塊在定子直線運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度a與鏤空槽在定子直線運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度b滿足：

進(jìn)一步的，本發(fā)明系統(tǒng)中，所述定子鐵心的齒部采用矩形齒或弧形齒，用作磁通調(diào)制極片，調(diào)制定子和動(dòng)子之間的氣隙諧波磁場(chǎng)。

本發(fā)明采用增速型直線永磁發(fā)電機(jī)，去除傳統(tǒng)波浪發(fā)電系統(tǒng)中直線-旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置和機(jī)械齒輪箱，形成一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量捕獲和能量轉(zhuǎn)換功能。

增速型直線永磁發(fā)電機(jī)動(dòng)子永磁體的磁極對(duì)數(shù)為nl，定子電樞繞組極對(duì)數(shù)為nh，發(fā)電機(jī)定子的電樞齒數(shù)為np＝nh+nl，電機(jī)所獲得的速比為gr＝nl/nh，nh和nl均為自然數(shù)，且nh＜nl。這樣才能保證氣隙中的高速諧波磁場(chǎng)與繞組極對(duì)數(shù)匹配。根據(jù)磁齒輪原理，定子電樞齒可以作為磁通調(diào)制極片調(diào)制氣隙中的諧波磁場(chǎng)。

此種結(jié)構(gòu)的波浪發(fā)電系統(tǒng)由兩個(gè)浮筒組成。內(nèi)浮筒的作用是提供浮力，使得裝置始終漂浮于海平面。外浮筒的作用是連接直線電機(jī)的動(dòng)子，跟隨波浪往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將波浪能轉(zhuǎn)換為電能。增速型直線永磁發(fā)電機(jī)定子安裝于內(nèi)浮筒，電機(jī)軸通過(guò)硬連接和外浮筒相連。內(nèi)浮筒底部設(shè)計(jì)了阻尼盤，其作用是盡量減小內(nèi)浮筒在海水中的上下運(yùn)動(dòng)，增大內(nèi)外浮筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。錨鏈通過(guò)沉石將系統(tǒng)固定于海底。在波浪的垂直方向力作用下，內(nèi)浮筒在波浪中更接近于靜止?fàn)顟B(tài)，如此也就使外浮筒和內(nèi)浮筒之間產(chǎn)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和位移。

外浮筒運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)子以速度vl運(yùn)動(dòng)，根據(jù)磁齒輪原理，運(yùn)動(dòng)速度為vh＝gr*vl的高速諧波磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)出高幅值的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，向負(fù)荷提供電能，實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換的功能。

優(yōu)選的，裝置中的永磁材料可以使用具有“自屏蔽”效應(yīng)的準(zhǔn)halbach結(jié)構(gòu)的釹鐵硼永磁體。

優(yōu)選的，所述定子電樞齒由導(dǎo)磁硅鋼片疊壓形成基塊，在基塊上均勻間隔設(shè)置鏤空槽，在鏤空槽內(nèi)嵌置電樞繞組，相鄰電樞繞組之間的導(dǎo)磁硅鋼片部分形成導(dǎo)磁體。

優(yōu)選的，所述定子鐵心、動(dòng)子鐵心均由普通硅鋼片材料制成。

優(yōu)選的，增速型直線永磁發(fā)電機(jī)動(dòng)子永磁體的磁極對(duì)數(shù)為nl，定子電樞繞組極對(duì)數(shù)為nh，發(fā)電機(jī)定子的電樞齒數(shù)為np＝nh+nl，電機(jī)所獲得的速比為gr＝nl/nh，nh和nl均為自然數(shù)，且nh＜nl。這樣才能保證氣隙中的高速諧波磁場(chǎng)與繞組極對(duì)數(shù)匹配。根據(jù)磁齒輪原理，定子電樞齒可以作為磁通調(diào)制極片調(diào)制氣隙中的諧波磁場(chǎng)。

優(yōu)選的，電機(jī)的定子部分采用環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行密封。

優(yōu)選的，裝置采用阻尼板以保持與所述電機(jī)定子鐵心相連的圓桿靜止。

優(yōu)選的，三相集中繞組采用新型的模塊化餅式結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子采用凸定子與輔助槽結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，為了達(dá)到永磁直線發(fā)電機(jī)防水和密封的效果，內(nèi)浮筒的所有氣隙區(qū)域用聚氨酯硬泡充滿?？梢圆捎镁郯滨ビ才莅淹飧⊥驳膬?nèi)部空間充滿。

優(yōu)選的，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，由于阻尼盤浸沒(méi)在海水之中，所以阻尼盤的材料采用不銹鋼316，以保障其抗海水腐蝕的能力。外浮筒和內(nèi)浮筒通過(guò)三角支架平臺(tái)連接。

優(yōu)選的，內(nèi)浮筒和外浮筒采用超高分子量聚乙烯材料加工而成。超高分子量聚乙烯其材料特性化學(xué)穩(wěn)定性極高。

優(yōu)選的，錨鏈u形環(huán)的作用是連接錨鏈和沉石，配重塊u形環(huán)的作用是調(diào)整內(nèi)浮筒的吃水深度。

本發(fā)明采用增速型直線永磁發(fā)電機(jī)，去除傳統(tǒng)波浪發(fā)電系統(tǒng)中直線-旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置和機(jī)械齒輪箱，形成一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量捕獲和能量轉(zhuǎn)換功能。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、相比于傳統(tǒng)的基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的波浪能發(fā)電裝置，本發(fā)明的發(fā)電裝置能夠直接利用波浪的上下起伏將其轉(zhuǎn)化為電能，不需要先將波浪的直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)再驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)電的中間轉(zhuǎn)換裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性，轉(zhuǎn)換效率高，從而提高了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

2、相比于單一基于直線電機(jī)的波浪發(fā)電裝置，本發(fā)明的發(fā)電裝置由于直線磁齒輪的增速作用，從而能夠大大減小直線電機(jī)的尺寸，進(jìn)而減小制造的成本以及安裝調(diào)試的復(fù)雜程度。

3、將直線磁齒輪與直線永磁電機(jī)相復(fù)合的結(jié)構(gòu)，磁齒輪低速側(cè)與浮筒相連，在波浪作用下做直線運(yùn)動(dòng)，并由磁齒輪進(jìn)行增速，大大減小了發(fā)電機(jī)的體積，同時(shí)避免了傳統(tǒng)裝置中發(fā)電機(jī)前另外增設(shè)齒輪箱或者液壓系統(tǒng)來(lái)增速所引起的損耗以及發(fā)熱等問(wèn)題。

4、采用磁力傳動(dòng)方案，因?yàn)槠錇榉墙佑|傳動(dòng)，所以不存在潤(rùn)滑以及機(jī)械磨損等問(wèn)題，同時(shí)磁齒輪具有很好的過(guò)負(fù)荷保護(hù)能力，能夠有效降低大風(fēng)浪對(duì)系統(tǒng)造成的破壞。

5、采用準(zhǔn)halbach結(jié)構(gòu)的釹鐵硼永磁體材料，由于其具有“自屏蔽”效應(yīng)，該方式使得線圈邊的磁場(chǎng)加強(qiáng)，鐵心邊的磁場(chǎng)減弱，可以減小鐵心的厚度，從而減小制造成本并且提高發(fā)電效率，同時(shí)，準(zhǔn)halbach結(jié)構(gòu)相比于徑向充磁結(jié)構(gòu)，能夠提高氣隙密度的正弦程度，從而可以提高空載反電動(dòng)勢(shì)的正弦程度。

6、繞組采用模塊化餅式結(jié)構(gòu)，具有繞線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)；凸定子和輔助槽用于減小電機(jī)的定位力，并且輔助槽齒可以有效的平衡三相反電動(dòng)勢(shì)。

7、采用阻尼板的結(jié)構(gòu)，可以提供系統(tǒng)的浮力并且保持和定子相連的圓桿靜止，選擇合適的距離以及重量，即可以保證阻尼板對(duì)振蕩浮子和波浪能轉(zhuǎn)換效率的影響忽略不計(jì)。

8、該裝置采用雙浮子漂浮式結(jié)構(gòu)，通過(guò)錨鏈固定在海底，故對(duì)水深的要求不高。

附圖說(shuō)明

圖1為增速型直線永磁發(fā)電機(jī)示意圖；

圖2為本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明的直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)包括增速型直線永磁發(fā)電機(jī)1、內(nèi)浮筒2和外浮筒3、阻尼盤4、錨鏈5等組成；所述增速型直線永磁發(fā)電機(jī)1包括定子13和動(dòng)子16；發(fā)電機(jī)定子13由定子鐵心11和電樞繞組12組成；發(fā)電機(jī)動(dòng)子16由動(dòng)子鐵心14和沿動(dòng)子鐵心14內(nèi)表面以表貼或內(nèi)嵌方式排布的動(dòng)子永磁體15組成；

所述增速型直線永磁發(fā)電機(jī)1的定子鐵心11、電樞繞組12安裝于所述內(nèi)浮筒2內(nèi)部；所述增速型直線永磁發(fā)電機(jī)1的動(dòng)子鐵心14、動(dòng)子永磁體15安裝于所述外浮筒3內(nèi)部；

本發(fā)明采用增速型直線永磁發(fā)電機(jī)，去除傳統(tǒng)波浪發(fā)電系統(tǒng)中直線-旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置和機(jī)械齒輪箱，形成一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量捕獲和能量轉(zhuǎn)換功能。

增速型直線永磁發(fā)電機(jī)動(dòng)子永磁體15的磁極對(duì)數(shù)為nl，定子電樞繞組12極對(duì)數(shù)為nh，發(fā)電機(jī)定子13的電樞齒數(shù)為np＝nh+nl，電機(jī)所獲得的速比為gr＝nl/nh，nh和nl均為自然數(shù)，且nh＜nl。這樣才能保證氣隙中的高速諧波磁場(chǎng)與繞組極對(duì)數(shù)匹配。根據(jù)磁齒輪原理，定子電樞齒可以作為磁通調(diào)制極片調(diào)制氣隙中的諧波磁場(chǎng)。

此種結(jié)構(gòu)的波浪發(fā)電系統(tǒng)由兩個(gè)浮筒組成。內(nèi)浮筒2的作用是提供浮力，使得裝置始終漂浮于海平面。外浮筒3的作用是連接直線電機(jī)的動(dòng)子16，跟隨波浪往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將波浪能轉(zhuǎn)換為電能。增速型直線永磁發(fā)電機(jī)定子13安裝于內(nèi)浮筒2，電機(jī)軸通過(guò)硬連接和外浮筒3相連。內(nèi)浮筒2底部設(shè)計(jì)了阻尼盤4，其作用是盡量減小內(nèi)浮筒在海水中的上下運(yùn)動(dòng)，增大內(nèi)外浮筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。錨鏈5通過(guò)沉石將系統(tǒng)固定于海底。在波浪的垂直方向力作用下，內(nèi)浮筒2在波浪中更接近于靜止?fàn)顟B(tài)，如此也就使外浮筒3和內(nèi)浮筒2之間產(chǎn)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和位移。

外浮筒3運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)子16以速度vl運(yùn)動(dòng)，根據(jù)磁齒輪原理，運(yùn)動(dòng)速度為vh＝gr*vl的高速諧波磁場(chǎng)在電樞繞組12中感應(yīng)出高幅值的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，向負(fù)荷提供電能，實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換的功能。

浮筒是波浪發(fā)電系統(tǒng)中吸收能量的載體。根據(jù)波浪能量以及波浪寬度等理論，盡可能多的吸收波浪能，要求其重量和體積之間滿足一定的關(guān)系。根據(jù)點(diǎn)吸式波浪發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，外浮筒跟直線發(fā)電機(jī)的動(dòng)子通過(guò)法蘭盤相連，因此，外浮筒的內(nèi)徑跟直線發(fā)電機(jī)的外徑相等。

根據(jù)規(guī)則物體漂浮在波浪中的理論，在波浪的周期性運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，外浮筒本身固有頻率與波浪頻率接近或者一致，內(nèi)浮筒本身固有頻率與波浪頻率相差較遠(yuǎn)。這樣，內(nèi)浮筒和外浮筒在海洋波浪的作用下，其二者會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并直接促使永磁圓筒直線發(fā)電機(jī)的動(dòng)子永磁體磁場(chǎng)切割定子繞組，從而產(chǎn)生電能。

永磁直線電機(jī)定子通過(guò)法蘭盤安裝于內(nèi)浮筒內(nèi)，在內(nèi)浮筒中用聚氨酯泡沫，對(duì)浮體起到強(qiáng)力支撐，避免了漏水。阻尼盤同樣用鋼骨架和內(nèi)浮筒連接，其作用為減小內(nèi)浮筒跟隨波浪運(yùn)動(dòng)的幅度，增大內(nèi)外浮筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而增大發(fā)電機(jī)的行程，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

內(nèi)外浮筒采用超高分子量聚乙烯材料，其材料特性化學(xué)穩(wěn)定性極高，在海水中數(shù)十年不會(huì)分解，不會(huì)污染環(huán)境；浮體及尾管具有自潤(rùn)滑性，任何水生物不會(huì)粘連浮體及尾管，節(jié)省了鏟除水生物的人力物力；具有很高的彈性和硬度，被外力撞擊后，迅速吸收撞擊能量，恢復(fù)原形。相比于不銹鋼材料，該種材料重量輕，慣性小，被撞擊后可迅速移位，化解了撞擊力，避免了破壞。其余材料均選用耐海水腐蝕的316l不銹鋼材料。

上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。