技術領域

本發明涉及波浪能發電技術領域，具體涉及一種應用于直驅式點吸收波浪能發電系統的長次級、短初級直線發電機。

背景技術

點吸收波浪能發電系統是指用于捕獲能量的漂浮浮子尺寸遠小于波浪波長的發電系統，該系統通常可分為直驅型和非直驅型。非直驅型系統的浮子連接氣動系統、液壓系統或齒輪箱等升速裝置，然后再連接旋轉發電機。非直驅型系統的體積小，但是其中間環節復雜，降低了系統的可靠性和轉換效率。直驅型系統浮子直接連接直線發電機，不需要任何中間機構。這種系統結構簡單，提高了系統的效率和可靠性。由直線發電機作為機電轉換裝置的點吸收波浪能發電系統為直驅式點吸收波浪能發電系統。

一般而言，直線發電機按照結構可以分為單邊型、雙邊型、四邊型、圓筒型等多種形式。為保證切割磁場的有效導線長度，直線發電機常采用長次級，短初級的結構。在直驅式波浪能發電系統中，為了保證極端海況下直線發電機不損毀，選用直線發電機的額定功率遠大于極端海況下波浪功率，因此在正常海況下，直線發電機工作在遠低于額定功率的情況下。根據電機學理論，在實際發電功率低于額定功率的情況下，輸入功率越低，電機轉換效率下降越快，使得波浪能直線發電機普遍效率低下，如我國某研究所研制10kW的點吸收式波浪能發電系統，其長期工作在3kW的波浪下，這種“大馬拉小車”的現象導致直線發電機轉換效率十分低。同樣的問題在國內外各類波浪能發電裝置中十分常見。

發明內容

本發明的目的是克服現有點吸收直驅式波浪能發電系統中直線發電機功率不匹配的缺點，針對短初級長次級的直線發電機提出一種直線發電機初級。

本發明結構合理，采用分段式、單元化設計，具有寬功率范圍內運行效率高的優點。本發明可用于點吸收直驅式波浪能發電系統。

本發明直線發電機初級包括分段式初級定子鐵芯和分段式初級繞組。

本發明在不增加電機用料成本的情況下，對初級定子鐵芯進行分段，將整段初級定子鐵芯和初級繞組在垂直方向上分段，構成多段初級定子鐵芯單元和初級繞組單元。每段初級定子鐵芯單元由硅鋼片疊壓而成，在初級定子鐵芯單元面向次級的一側以均勻的間隔開有凹槽，所開的凹槽為初級定子線槽。相鄰的初級定子線槽之間的凸起部分為初級定子齒。每一段初級繞組單元嵌入對應的初級定子鐵芯單元的初級定子線槽內，組成一段初級單元。每一段初級單元均可看成為可獨立運行的直線電機初級。同時考慮到波浪運動位移的正弦規律，每段初級單元以次級的中心位置為原點在垂直方向上對稱分布，且每段初級單元的長度不同，位于次級中心位置處的初級單元的長度最長，距離次級中心位置越遠的初級單元的長度越短。沿次級中心對稱布置的兩個初級單元繞組通過一套電力電子器件控制通斷。

本發明直線發電機的初級分為多個初級單元：根據實際波浪的大小調整投入發電初級單元個數，從而調節發電機有效繞組長度進而改變發電機銅耗，實現發電機額定功率的調整，具體工作原理如下述：傳統發電機在電機結構參數不變的情況下，額定功率不會發生變化，且其在額定功率下效率最高，原因在于，當電機繞組、鐵芯、永磁體材料尺寸固定的情況下，部分損耗的絕對值基本不變，當電機輸出功率減小時，損耗占輸出功率的比例增大，使電機在低于額定的工況下效率下降。而相關研究表明，在直驅式低速運行的設備中，發電機銅耗占比較大。

本發明為針對短初級長次級直線發電機的分段式單元化的短初級的結構，直線發電機結構可采用常規直線電機結構，如單邊型、雙邊型、四邊型、管型等。直線發電機次級可采用常規直線電機次級結構，次級勵磁采用永磁體勵磁，磁鋼陣列可采用N、S極均勻間隔陣列也可采用HALBACH陣列等。初級、次級外包裹有電機機殼，起到密封或支撐作用。初級、次級和機殼共同組成一臺完整的直線發電機。

本發明工作原理和工作過程如下：

直驅式點吸收波浪能發電系統通過漂浮浮子在波浪浮力的作用下上下運動，拖動帶有永磁體的次級在電機內直線往復運動產生交變磁場，進而在初級鐵芯的繞組上感應出電流，多個初級鐵芯線圈按照一定順序連接，形成穩定電流輸出。波浪大小變化時，次級振動幅度也會隨之變化。

本發明在正常小波浪的海況下，通過電力電子器件的開斷，僅令離中心處近的初級單元工作，使得有效繞組長度較短，可以減小電機銅耗，以保證在小波浪海況下發電機效率不下降；當波浪增大時，通過電力電子器件的開斷，令較為遠離靜止時次級中心的初級單元工作，增長有效繞組的長度，增大電磁阻尼，保證電機效率的同時，使電機不因大浪而損壞。也即通過控制各段定子繞組的投切，實現在不同海況下電機額定功率的改變。