直線式波浪能發電裝置

直線式波浪能發電裝置是一種新型波浪發電裝置。直線發電機的類型有單邊直線往復運動式、雙邊直線往復運動式及圓筒直線往復式3種。其中，單邊直線往復運動式發電機一邊是永磁體動子，另一邊是勵磁繞組定子;雙邊直線往復運動發電機是將單邊往復直線運動發電機進行鏡像複製，動子在中間往復運動，兩側為定子，動子上安裝有相互隔開的永磁體材料。

基本介紹

• 中文名：直線式波浪能發電裝置
• 外文名：linear wave energy generator
• 類型：發電裝置
• 形式：波浪能發電
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

定義

針對旋轉式波浪能發電裝置由於存在中間環節轉換而導致發電效率降低的問題，圍繞直線式波浪能發電裝置設計一中的關鍵技術，通過三維建模技術和Ansoft / Maxwell仿真軟體，開展了鐵芯槽口大小最佳化、磁鐵充磁方式選擇、磁鐵間隙最佳化以及鐵芯縱向端部效應改善和彌補方法等研究，介紹了一種直線式波浪發電裝置，對最佳化後的直線發電機模型進行了電磁瞬態仿真分析，進而得出該發電機的電磁力矩曲線、磁鏈曲線、以及所產生的感應電動勢曲線圖，為直線式波浪能發電裝置設計提供了理論依據。研究結果表明，該發電機的勵磁源選擇了錢鐵硼永磁材料，具有功率大、性能指標較優越、結構緊湊簡潔、噪音低、效率高等顯著優勢.

海洋中貯藏著潮汐能、波浪能、海流能等形式的海洋可再生能源。其中波浪能取之不盡，用之不竭。儘管目前海洋能在技術成熟度、規模以及價格等方面還不能與常規能源相提並論，但從能源長期發展戰略的角度看，加大和加快海洋波浪能源開發相關技術具有重要的意義。

世界上最早對波浪能發電裝置進行研發的國家是法國，後來英國、挪威、印度、日本、美國、葡萄牙等國相繼跟進。各國都在積極研發各種各樣的波浪能發電裝置。波浪能發電研究的重點在於將波浪能轉化為電能的中間轉換裝置，它決定著能量轉化效率，因此它是波浪能研究的熱點，本研究中最佳化的直線發電機就屬於波浪能轉化為電能的中間轉換裝置。

以往的浮子震盪式發電是利用震盪浮子隨波震動採集波浪能，然後轉換為機械能，再經齒輪齒條機構把直線運動轉換為發電機軸的旋轉運動。這種機械式的中間轉換裝置不但加大了系統的複雜性，成本較高，而且降低了轉換效率，後期維護也很困難。直線發電機則省略了繁瑣的轉換環節，直線發電機在浮體內可以隨著浮體在波浪的作用下進行上下往復運動，將波浪能轉換為機械能，直線電機內的動子可以直接將其轉換為切割磁力線的運動，無需再進行其他轉換即可發電，因此結構簡單、效率比浮子震盪式發電高，逐漸受到國內外學者關注5。目前波浪發電中涉及到的直線電機有直線感應電機、直線開關磁阻電機、永磁直線電機等幾類。直線感應電機具有結構簡單、維修方便、可靠等優點，但其性能較永磁直線電機差;直線開關磁阻電機有轉矩脈動，噪聲與震動比一般發電機大;永磁直線電機具有較高的功率因數，但是存在漏磁易腐蝕的缺點。

結構設計

直線發電機的類型有單邊直線往復運動式、雙邊直線往復運動式及圓筒直線往復式3種。其中，單邊直線往復運動式發電機一邊是永磁體動子，另一邊是勵磁繞組定子;雙邊直線往復運動發電機是將單邊往復直線運動發電機進行鏡像複製，動子在中間往復運動，兩側為定子，動子上安裝有相互隔開的永磁體材料。與單邊型相比，雙邊型發電機發電功率提高了一倍，同時成本低、材料利用率高、體積小，消除了單邊型發電機定、動子間產生的側向吸引力，其缺點是會產生橫向和縱向端部效應。圓筒直線往復運動發電機將定子和動子做成圓柱形，動子上安放永磁體，永磁體之間用非導磁材料隔開，定子上繞有勵磁繞組，通過動子往復運動，勵磁繞組切割磁感線運動而產生感應電動勢，這種圓筒型往復運動發電機不僅有雙邊型的功率高、成本低、體積小、材料利用率高等優點，而且圓柱體的形狀可以消除橫向端部效應，縱向端部效應也可以根據結構的最佳化來彌補。

基於以上比較，本研究選用圓筒型直線往復運動式發電機作為波浪能發電裝置的電機模型，具體的設計結構如圖1所示。

類型選擇

永磁電機的材料性能、磁路形式、磁體體積和尺寸以及外磁路的材質和尺寸決定了氣隙磁通密度B，因而設計永磁發電機時，首先要對永磁體牌號和磁路形式進行選擇，然後確定永磁體的體積和尺寸。目前，電機中最常用的永磁材料有:鋁鎳鑽永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料。對這幾類永磁材料的性能進行了詳細具體的闡述。對照以上選擇原則，本研究選擇目前性價比最高的永磁材料欽鐵硼為低速永磁直線同步電動機的勵磁源。

充磁方式

按照直線發電電機的動子永磁體排列不同進行分類，可分為徑向充磁結構，軸向充磁結構和Halbach充磁結構如圖2所示。

通過有限元仿真給出的徑向、軸向及Halbach充磁結構永磁陣列的磁通分布圖如圖3所示。

從圖中可以看出理想Halbach陣列磁場分布的磁通密度比軸向充磁結構顯著提高，與徑向充磁結構相差不大，但其陣列結構的加工難度大、充磁不方便、成本較高，因此本研究選用了生產加工相對簡單的徑向充磁永磁體結構。

氣隙大小選擇

根據空載漏磁係數的原始公式，如果能正確地得到永磁體向外部磁路提供的總磁通和外磁路中主磁通的準確值，那么它們的比值就是空載漏磁係數的準確值。本研究通過Ansoft軟體在直線發電機原模型的基礎上對其靜態磁場進行分析，並在磁路中設定兩個特殊點，建立point模型進行數據場分析，之後通過分析獲得這兩點的單位磁通量數值，最終求得該電機的空載漏磁係數。

寬度的影響

設計和製造高性能永磁發電機所需要考慮的問題有很多，其中齒槽力的改善一直是永磁直線發電機研究的重要內容之一。齒槽力是齒槽效應的主要表現形式，因為齒槽的存在，使得動子和定子之間的氣隙磁導發生變化，因而產生了齒槽力。齒槽力波動對電機性能的好壞有非常重要的影響，例如使電機產生噪聲和振動，當振動頻率和發電機固有頻率相近或一致時，甚至可能發生共振。

現有的槽口寬度對齒槽力影響的研究主要針對表面式結構，採用解析法對其分析求解，但是解析法的難點在於難以準確的確定有效氣隙長度。有限元法能夠準確地計算齒槽轉矩的大小，對於不同槽口寬度，需要建立不同的模型來確定最佳槽口寬度。

縱向端部效應

由於永磁直線發電機端部鐵芯的斷開，產生了直線發電機特有的缺陷一縱向端部效應。縱向端部效應是端部磁場產生畸變以及結構斷開對直線電機性能和設計帶來的一系列變化的總稱，不僅包括定由位力造成的推力波動，還包括磁場分布的變化、出現奇數極電機、感應電壓不對稱等現象。縱向端部效應是產生直線電機推力波動的主要原因，是直線電機設計過程不可忽略的內容。

目前為止，己經有不少學者對直線電機縱向端部效應的影響進行了研究，而且給出了最佳化措施，其中包括磁場相似化方法，通過改變端部齒的寬度以及端部齒的氣隙長度來改善縱向邊端效應對永磁直線同步發電機性能的影響。

總結

（1）勵磁源選擇了欽鐵硼永磁材料，它勵磁性能優異，改革了電機磁場，不僅擁有一般低速電機的普遍優點，而且具有功率大、性能指標優越、結構緊湊簡潔、噪音低、效率高等顯著優勢。

(2)套用有限元法對磁鐵排布間隙進行最佳化，得出符合實際合理的最優間隙。

(3)根據空載漏磁係數來衡量磁鐵與鐵芯間氣隙大小，最後計算出最合適的氣隙參數。

(4)根據齒槽口寬度的大小與齒槽力的密切聯繫，改變齒槽口寬度，齒槽力也相應發生變化，從而最佳化出齒槽口的寬度。