本發(fā)明屬于波浪發(fā)電用直線(xiàn)發(fā)電機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海洋波浪能是一種清潔發(fā)電能源，通過(guò)波浪能發(fā)電可滿(mǎn)足海洋觀(guān)測(cè)儀器、軍事及民用測(cè)試浮標(biāo)、獨(dú)島、作業(yè)平臺(tái)等需求。目前，傳統(tǒng)波浪能發(fā)電方式通常采用機(jī)械裝置將波浪的上下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。相比之下，直驅(qū)式發(fā)電方式通過(guò)能量回收裝置和直線(xiàn)電機(jī)直接結(jié)合進(jìn)行發(fā)電，省去了中間復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)發(fā)電效率得到提高，同時(shí)發(fā)電系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性也得到了提高。因此，直驅(qū)式波浪能發(fā)電具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)中，由于能量回收裝置轉(zhuǎn)換的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)推力大、速度低且不恒定，使直線(xiàn)電機(jī)的發(fā)電電壓幅值、頻率等參數(shù)變化較大，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電品質(zhì)較差、甚至出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電品質(zhì)較差的問(wèn)題，提供了一種基于單邊調(diào)磁原理的雙動(dòng)子雙繞組圓筒型直線(xiàn)發(fā)電機(jī)。

本發(fā)明所述基于單邊調(diào)磁原理的雙動(dòng)子雙繞組圓筒型直線(xiàn)發(fā)電機(jī)包括機(jī)殼4、雙繞組定子5、永磁動(dòng)子6、調(diào)制動(dòng)子7、永磁動(dòng)子輸出軸1和調(diào)制動(dòng)子輸出軸10；

雙繞組定子5固定在機(jī)殼4的內(nèi)圓表面上，雙繞組定子5內(nèi)部由外向內(nèi)依次設(shè)置有永磁動(dòng)子6和調(diào)制動(dòng)子7；調(diào)制動(dòng)子7固定在調(diào)制動(dòng)子輸出軸10上，調(diào)制動(dòng)子輸出軸10的左端通過(guò)第二軸承3與永磁動(dòng)子6滑動(dòng)連接，調(diào)制動(dòng)子輸出軸10的右端從機(jī)殼4的右側(cè)端蓋伸出，且通過(guò)第三軸承8也與永磁動(dòng)子6滑動(dòng)連接；

永磁動(dòng)子6位于雙繞組定子5與調(diào)磁動(dòng)子7之間，永磁動(dòng)子6的兩端分別從機(jī)殼4的兩側(cè)端蓋伸出，其中右側(cè)伸出部分通過(guò)第三軸承8和第四軸承9分別與調(diào)制動(dòng)子7和機(jī)殼4的右側(cè)端蓋滑動(dòng)連接，其中左側(cè)伸出部分作為永磁動(dòng)子輸出軸1，所述永磁動(dòng)子輸出軸1通過(guò)第一軸承2和第二軸承3分別與調(diào)制動(dòng)子7和機(jī)殼4的左側(cè)端蓋滑動(dòng)連接；

永磁動(dòng)子6和雙繞組定子5之間存在徑向氣隙L1；永磁動(dòng)子6和調(diào)制動(dòng)子7之間存在徑向氣隙L2；永磁動(dòng)子輸出軸1和調(diào)制動(dòng)子輸出軸10的軸線(xiàn)重合。

優(yōu)選地，雙繞組定子5由定子鐵心5-3、第一定子繞組5-1和第二定子繞組5-2構(gòu)成；第一定子繞組5-1是一個(gè)m₁相定子繞組，當(dāng)?shù)谝欢ㄗ永@組5-1通有m₁相交流電流時(shí)，會(huì)形成沿軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的p_s1極對(duì)數(shù)電樞磁場(chǎng)，m1、p_s1為正整數(shù)；第二定子繞組5-2是一個(gè)m₂相定子繞組，當(dāng)?shù)诙ㄗ永@組5-2通有m₂相交流電流時(shí)，會(huì)形成沿軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的p_s2極對(duì)數(shù)電樞磁場(chǎng)，m₂、p_s2為正整數(shù)；

優(yōu)選地，永磁動(dòng)子6極對(duì)數(shù)為p_PM，p_PM為正整數(shù)；永磁動(dòng)子6由2p_PM個(gè)永磁體單元6-1和動(dòng)子支架6-2構(gòu)成，動(dòng)子支架6-2沿軸線(xiàn)方向放置2p_PM個(gè)永磁體單元6-1，相鄰兩塊永磁體單元6-1的充磁方向相反，永磁體單元6-1的充磁方向?yàn)閺较虺浯拧?/p>

優(yōu)選地，調(diào)制動(dòng)子7由p_m個(gè)突起單元7-1和調(diào)制動(dòng)子鐵心7-2構(gòu)成，p_m為正整數(shù)；p_m個(gè)突起單元7-1沿軸向方向排列在調(diào)制動(dòng)子鐵心7-2外圓表面；

同時(shí)滿(mǎn)足條件p_s1＝|kp_PM+jp_m|和p_s2＝kp_PM，其中k是正整數(shù)，j是整數(shù)。

優(yōu)選地，突起單元7-1和調(diào)制動(dòng)子鐵心7-2選用軟磁復(fù)合材料、硅鋼片、實(shí)心鐵或軟磁鐵氧體；

優(yōu)選地，p_m個(gè)突起單元7-1和調(diào)制動(dòng)子鐵心7-2為一體件或分立件，突起單元7-1的形狀隨意。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的基于單邊調(diào)磁原理的雙動(dòng)子雙繞組圓筒型直線(xiàn)發(fā)電機(jī)具有兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)子，且兩個(gè)動(dòng)子的推力和速度完全獨(dú)立。因此，在實(shí)際的波浪發(fā)電系統(tǒng)中，一個(gè)動(dòng)子無(wú)論隨波浪怎樣運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)另一動(dòng)子的有效控制，可以使發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓幅值、頻率保持恒定，進(jìn)而提高了發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電品質(zhì)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1是所述基于單邊調(diào)磁原理的雙動(dòng)子雙繞組圓筒型直線(xiàn)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的A處放大圖；

圖3是第一定子繞組的繞組排布示意圖；

圖4是第二定子繞組的繞組排布示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1～圖4對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1為基于單邊調(diào)磁原理的雙動(dòng)子雙繞組圓筒型直線(xiàn)發(fā)電機(jī)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

基于單邊調(diào)磁原理的雙動(dòng)子雙繞組圓筒型直線(xiàn)發(fā)電機(jī)包括機(jī)殼4、雙繞組定子5、永磁動(dòng)子6、調(diào)制動(dòng)子7、永磁動(dòng)子輸出軸1和調(diào)制動(dòng)子輸出軸10；

雙繞組定子5固定在機(jī)殼4的內(nèi)圓表面上，雙繞組定子5內(nèi)部由外向內(nèi)依次設(shè)置有永磁動(dòng)子6和調(diào)制動(dòng)子7；調(diào)制動(dòng)子7固定在調(diào)制動(dòng)子輸出軸10上，調(diào)制動(dòng)子輸出軸10的左端通過(guò)第二軸承3與永磁動(dòng)子6滑動(dòng)連接，調(diào)制動(dòng)子輸出軸10的右端從機(jī)殼4的右側(cè)端蓋伸出，且通過(guò)第三軸承8也與永磁動(dòng)子6滑動(dòng)連接；

永磁動(dòng)子6位于雙繞組定子5與調(diào)磁動(dòng)子7之間，永磁動(dòng)子6的兩端分別從機(jī)殼4的兩側(cè)端蓋伸出，其中右側(cè)伸出部分通過(guò)第三軸承8和第四軸承9分別與調(diào)制動(dòng)子7和機(jī)殼4的右側(cè)端蓋滑動(dòng)連接，其中左側(cè)伸出部分作為永磁動(dòng)子輸出軸1，所述永磁動(dòng)子輸出軸1通過(guò)第一軸承2和第二軸承3分別與調(diào)制動(dòng)子7和機(jī)殼4的左側(cè)端蓋滑動(dòng)連接；

永磁動(dòng)子6和雙繞組定子5之間存在徑向氣隙L1；永磁動(dòng)子6和調(diào)制動(dòng)子7之間存在徑向氣隙L2；永磁動(dòng)子輸出軸1和調(diào)制動(dòng)子輸出軸10的軸線(xiàn)重合。

雙繞組定子5由定子鐵心5-3、第一定子繞組5-1和第二定子繞組5-2構(gòu)成；第一定子繞組5-1是一個(gè)m₁相定子繞組，當(dāng)?shù)谝欢ㄗ永@組5-1通有m₁相交流電流時(shí)，會(huì)形成沿軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的p_s1極對(duì)數(shù)電樞磁場(chǎng)，m1、p_s1為正整數(shù)；第二定子繞組5-2是一個(gè)m2相定子繞組，當(dāng)?shù)诙ㄗ永@組5-2通有m2相交流電流時(shí)，會(huì)形成沿軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的p_s2極對(duì)數(shù)電樞磁場(chǎng)，m2、p_s2為正整數(shù)；

永磁動(dòng)子6極對(duì)數(shù)為p_PM，p_PM為正整數(shù)；永磁動(dòng)子6由2p_PM個(gè)永磁體單元6-1和動(dòng)子支架6-2構(gòu)成，動(dòng)子支架6-2沿軸線(xiàn)方向放置2p_PM個(gè)永磁體單元6-1，相鄰兩塊永磁體單元6-1的充磁方向相反，永磁體單元6-1的充磁方向?yàn)閺较虺浯拧?/p>

調(diào)制動(dòng)子7由p_m個(gè)突起單元7-1和調(diào)制動(dòng)子鐵心7-2構(gòu)成，p_m為正整數(shù)；p_m個(gè)突起單元7-1沿軸向方向排列在調(diào)制動(dòng)子鐵心7-2外圓表面；

同時(shí)滿(mǎn)足條件p_s1＝|kp_PM+jp_m|和p_s2＝kp_PM，其中k是正整數(shù)，j是整數(shù)。

突起單元7-1和調(diào)制動(dòng)子鐵心7-2選用軟磁復(fù)合材料、硅鋼片、實(shí)心鐵或軟磁鐵氧體；

p_m個(gè)突起單元7-1和調(diào)制動(dòng)子鐵心7-2為一體件或分立件，突起單元7-1的形狀隨意。

為了說(shuō)明本發(fā)明的工作原理，下面結(jié)合圖1至圖4進(jìn)行說(shuō)明。

設(shè)永磁動(dòng)子極對(duì)數(shù)為p_PM，速度為V_PM，初始相位角為θ_PM，則永磁動(dòng)子所形成沿軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的永磁磁動(dòng)勢(shì)F_PM(θ,t)可表示為

式中F_k——各次諧波磁動(dòng)勢(shì)幅值；

k——永磁磁動(dòng)勢(shì)諧波次數(shù)；

θ——機(jī)械角；

t——時(shí)間。

設(shè)調(diào)制動(dòng)子的導(dǎo)磁塊數(shù)為p_m，速度為V_m，初始相位角為θ_m，則調(diào)制動(dòng)子作用下隨時(shí)間變化的空間比磁導(dǎo)λ(θ,t)可表示為

式中λ₀、λ_i——各次諧波比磁導(dǎo)幅值；

i——諧波比磁導(dǎo)次數(shù)。

永磁體磁動(dòng)勢(shì)在調(diào)制動(dòng)子作用下產(chǎn)生的沿軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的永磁磁場(chǎng)可表示為

式中B_k——自然諧波磁場(chǎng)幅值，且B_k＝F_kλ₀；

B_k,i——調(diào)制諧波磁場(chǎng)幅值，且B_k,i＝F_kλ_i。

由式(3)可知，永磁動(dòng)子和調(diào)制動(dòng)子的共同作用下將會(huì)產(chǎn)生兩類(lèi)磁場(chǎng)。第一類(lèi)為自然諧波磁場(chǎng)，該類(lèi)磁場(chǎng)的特點(diǎn)是它的磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)和速度與永磁動(dòng)子磁動(dòng)勢(shì)的極對(duì)數(shù)和速度相同，該類(lèi)磁場(chǎng)的幅值為B_k。第二類(lèi)為調(diào)制諧波磁場(chǎng)，該類(lèi)磁場(chǎng)的特點(diǎn)是它的磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)與永磁動(dòng)子極對(duì)數(shù)和調(diào)制動(dòng)子中導(dǎo)磁塊數(shù)相關(guān)，它的磁場(chǎng)速度也與永磁動(dòng)子和調(diào)制動(dòng)子二者的速度相關(guān)，該類(lèi)磁場(chǎng)的幅值為B_k,i，如下：

p_k,j＝|kp_PM+jp_m| (4)

j＝0,±1,±2,... (6)

式中p_k,j、V_k,j——調(diào)制諧波磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)和同步速度。

根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理可知，只有當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)和速度相同情況下，才能產(chǎn)生恒定的推力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。因此，將第一定子繞組5-1通過(guò)繞組排布設(shè)計(jì)成可產(chǎn)生與調(diào)制諧波磁場(chǎng)相同極對(duì)數(shù)和速度的電樞磁場(chǎng)。那么，第一定子繞組5-1、調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子就構(gòu)成了磁場(chǎng)調(diào)制型的雙動(dòng)子直線(xiàn)電機(jī)。在這種情況下，作用在調(diào)制動(dòng)子上的電磁推力等于作用在定子和永磁動(dòng)子的二者的電磁推力之和，而且它們的電磁推力方向相反。同時(shí)，調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子之間以及調(diào)制動(dòng)子和第一定子繞組5-1之間的推力關(guān)系始終成一定比例。此外，第一定子繞組5-1產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)速度與調(diào)制諧波磁場(chǎng)速度相等，因此，可參考式(5)進(jìn)行調(diào)速。因此，由第一定子繞組5-1、調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子相互作用下，調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子只能實(shí)現(xiàn)速度解耦，但他們之間的推力仍然是耦合的。在實(shí)際應(yīng)用中，若只采用一套繞組(第一定子繞組5-1)，那么由于波浪運(yùn)動(dòng)的不確定性就會(huì)使繞組發(fā)出的電壓極其不穩(wěn)定。

進(jìn)一步將第二定子繞組5-2通過(guò)繞組排布設(shè)計(jì)可產(chǎn)生與自然諧波磁場(chǎng)相同極對(duì)數(shù)和速度的電樞磁場(chǎng)。那么，第二定子繞組5-2和永磁動(dòng)子就構(gòu)成了一個(gè)永磁同步直線(xiàn)電機(jī)。此時(shí)，第二定子繞組5-2只與永磁動(dòng)子作用產(chǎn)生推力，而不與調(diào)制動(dòng)子產(chǎn)生推力。此外，由于第一定子繞組5-1和第二定子繞組5-2產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)不同，因此它們之間不會(huì)產(chǎn)生推力，換言之，它們之間不會(huì)產(chǎn)生影響。因此，通過(guò)第二定子繞組5-2和永磁動(dòng)子相互作用，可實(shí)現(xiàn)調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子的推力解耦。

通過(guò)上述分析可知，調(diào)制動(dòng)子上的電磁推力只與第一定子繞組5-1相關(guān)，調(diào)制動(dòng)子速度與第一定子繞組5-1的電樞磁場(chǎng)和永磁動(dòng)子的速度相關(guān)；而永磁動(dòng)子上電磁推力不僅與第一定子繞組5-1相關(guān)，而且受第二定子繞組5-2的影響，同時(shí)永磁動(dòng)子的速度只與第二定子繞組5-2的電樞磁場(chǎng)速度相同。因此，對(duì)于基于單邊調(diào)磁原理的雙動(dòng)子雙繞組圓筒型直線(xiàn)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，調(diào)制動(dòng)子的推力和速度與永磁動(dòng)子的推力和速度完全獨(dú)立。

在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)制動(dòng)子與波浪傳動(dòng)裝置相連，因此調(diào)制動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)具有很大的隨機(jī)性。此時(shí)，通過(guò)第二定子繞組5-2使永磁轉(zhuǎn)子推力和速度得到有效控制，從而使第一定子繞組5-1電樞磁場(chǎng)的速度始終保持恒定，進(jìn)而使基于單邊調(diào)磁原理的雙動(dòng)子雙繞組圓筒型直線(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓幅值、頻率始終保持恒定，使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電品質(zhì)得到顯著提升。

具體的講，圖1中永磁動(dòng)子的極對(duì)數(shù)是6，調(diào)制動(dòng)子中突起單元數(shù)是10。由式(4)可知，氣隙中會(huì)產(chǎn)生一系列的調(diào)制諧波磁場(chǎng)。這些調(diào)制諧波磁場(chǎng)當(dāng)中，通常是k＝1,j＝-1時(shí)對(duì)應(yīng)的調(diào)制諧波磁場(chǎng)幅值最大，也就是說(shuō)調(diào)制諧波磁場(chǎng)中4對(duì)極磁場(chǎng)幅值最大。因此，將第一定子繞組5-1通過(guò)繞組排布設(shè)計(jì)可產(chǎn)生4對(duì)極電樞磁場(chǎng)，如圖3所示(第一定子繞組5-1在每個(gè)槽中有圓環(huán)型繞組，圖中每個(gè)圓環(huán)型繞組用一豎線(xiàn)代替)。并通過(guò)控制第一定子繞組5-1產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)的速度與4對(duì)極調(diào)制諧波磁場(chǎng)的速度相同，從而使第一定子繞組5-1、調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

此時(shí)由式(3)也可知，氣隙中會(huì)產(chǎn)生一系列的自然諧波磁場(chǎng)，這些自然諧波磁場(chǎng)當(dāng)中，k＝1時(shí)對(duì)應(yīng)的自然諧波磁場(chǎng)幅值最大，也就是說(shuō)永磁動(dòng)子產(chǎn)生6對(duì)極的自然諧波磁場(chǎng)幅值最大。因此，將第二定子繞組5-2通過(guò)繞組排布設(shè)計(jì)可產(chǎn)生6對(duì)極電樞磁場(chǎng)，如圖4所示(第二定子繞組5-2在每個(gè)槽中有圓環(huán)型繞組，圖中每個(gè)圓環(huán)型繞組用一豎線(xiàn)代替)。并通過(guò)控制第二定子繞組5-2產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)的速度與6對(duì)極自然諧波磁場(chǎng)的速度相同，那么第二定子繞組5-2和永磁動(dòng)子就可實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

此外，由于第一定子繞組5-1和第二定子繞組5-2產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)不同(一個(gè)是4對(duì)極電樞磁場(chǎng)，另一個(gè)是6對(duì)極電樞磁場(chǎng))，根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，它們之間不會(huì)產(chǎn)生推力。換言之，它們之間并不會(huì)互相影響。

最終的效果相當(dāng)于，第一定子繞組5-1、調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子是一個(gè)雙動(dòng)子電機(jī)；而第二定子繞組5-2和永磁動(dòng)子相當(dāng)于傳統(tǒng)的永磁同步直線(xiàn)電機(jī)。這樣，通過(guò)第一定子繞組5-1的控制可實(shí)現(xiàn)調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子速度解耦，但二者的推力是耦合(不是獨(dú)立的)的；進(jìn)一步通過(guò)第二定子繞組5-2的控制可實(shí)現(xiàn)調(diào)制動(dòng)子和永磁動(dòng)子之間的推力解耦。因此，在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)第二定子繞組5-2實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁動(dòng)子的有效控制，即使在調(diào)制動(dòng)子隨機(jī)變速運(yùn)動(dòng)下也能保證第一定子繞組5-1發(fā)出的電壓幅值、頻率恒定，從而使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電品質(zhì)得到提高，也使系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到提高。