本發(fā)明屬于波浪發(fā)電用直線發(fā)電機領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海洋波浪能是一種清潔發(fā)電能源，通過波浪能發(fā)電可滿足海洋觀測儀器、軍事及民用測試浮標、獨島、作業(yè)平臺等需求。目前，傳統(tǒng)波浪能發(fā)電方式通常采用機械裝置將波浪的上下直線運動形式轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動，并帶動旋轉(zhuǎn)發(fā)電機進行發(fā)電。相比之下，直驅(qū)式發(fā)電方式通過能量回收裝置和直線電機直接結(jié)合進行發(fā)電，省去了中間復(fù)雜的機械傳動環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)發(fā)電效率得到提高，同時發(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)換的直線運動推力大、速度低且不恒定，使直線電機的發(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)定等問題。

技術(shù)實現(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)較差的問題，提供了一種基于單邊調(diào)磁原理的雙動子雙繞組圓筒型直線發(fā)電機。

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

雙繞組定子5固定在機殼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)置有永磁動子6和調(diào)制動子7；調(diào)制動子7固定在調(diào)制動子輸出軸10上，調(diào)制動子輸出軸10的左端通過第二軸承3與永磁動子6滑動連接，調(diào)制動子輸出軸10的右端從機殼4的右側(cè)端蓋伸出，且通過第三軸承8也與永磁動子6滑動連接；

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

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

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m₁相定子繞組，當?shù)谝欢ㄗ永@組5-1通有m₁相交流電流時，會形成沿軸線方向運動的p_s1極對數(shù)電樞磁場，m1、p_s1為正整數(shù)；第二定子繞組5-2是一個m₂相定子繞組，當?shù)诙ㄗ永@組5-2通有m₂相交流電流時，會形成沿軸線方向運動的p_s2極對數(shù)電樞磁場，m₂、p_s2為正整數(shù)；

優(yōu)選地，永磁動子6極對數(shù)為p_PM，p_PM為正整數(shù)；永磁動子6由2p_PM個永磁體單元6-1和動子支架6-2構(gòu)成，動子支架6-2沿軸線方向放置2p_PM個永磁體單元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的充磁方向為徑向充磁。

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

同時滿足條件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)制動子鐵心7-2選用軟磁復(fù)合材料、硅鋼片、實心鐵或軟磁鐵氧體；

優(yōu)選地，p_m個突起單元7-1和調(diào)制動子鐵心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：本發(fā)明的基于單邊調(diào)磁原理的雙動子雙繞組圓筒型直線發(fā)電機具有兩個獨立的動子，且兩個動子的推力和速度完全獨立。因此，在實際的波浪發(fā)電系統(tǒng)中，一個動子無論隨波浪怎樣運動，通過對另一動子的有效控制，可以使發(fā)電機發(fā)出的電壓幅值、頻率保持恒定，進而提高了發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電品質(zhì)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是所述基于單邊調(diào)磁原理的雙動子雙繞組圓筒型直線發(fā)電機的結(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。

具體實施方式

下面結(jié)合圖1～圖4對本發(fā)明作進一步說明。圖1為基于單邊調(diào)磁原理的雙動子雙繞組圓筒型直線發(fā)電機實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

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

雙繞組定子5固定在機殼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)置有永磁動子6和調(diào)制動子7；調(diào)制動子7固定在調(diào)制動子輸出軸10上，調(diào)制動子輸出軸10的左端通過第二軸承3與永磁動子6滑動連接，調(diào)制動子輸出軸10的右端從機殼4的右側(cè)端蓋伸出，且通過第三軸承8也與永磁動子6滑動連接；

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

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

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m₁相定子繞組，當?shù)谝欢ㄗ永@組5-1通有m₁相交流電流時，會形成沿軸線方向運動的p_s1極對數(shù)電樞磁場，m1、p_s1為正整數(shù)；第二定子繞組5-2是一個m2相定子繞組，當?shù)诙ㄗ永@組5-2通有m2相交流電流時，會形成沿軸線方向運動的p_s2極對數(shù)電樞磁場，m2、p_s2為正整數(shù)；

永磁動子6極對數(shù)為p_PM，p_PM為正整數(shù)；永磁動子6由2p_PM個永磁體單元6-1和動子支架6-2構(gòu)成，動子支架6-2沿軸線方向放置2p_PM個永磁體單元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的充磁方向為徑向充磁。

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

同時滿足條件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)制動子鐵心7-2選用軟磁復(fù)合材料、硅鋼片、實心鐵或軟磁鐵氧體；

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

為了說明本發(fā)明的工作原理，下面結(jié)合圖1至圖4進行說明。

設(shè)永磁動子極對數(shù)為p_PM，速度為V_PM，初始相位角為θ_PM，則永磁動子所形成沿軸線方向運動的永磁磁動勢F_PM(θ,t)可表示為

式中F_k——各次諧波磁動勢幅值；

k——永磁磁動勢諧波次數(shù)；

θ——機械角；

t——時間。

設(shè)調(diào)制動子的導(dǎo)磁塊數(shù)為p_m，速度為V_m，初始相位角為θ_m，則調(diào)制動子作用下隨時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)。

永磁體磁動勢在調(diào)制動子作用下產(chǎn)生的沿軸線方向運動的永磁磁場可表示為

式中B_k——自然諧波磁場幅值，且B_k＝F_kλ₀；

B_k,i——調(diào)制諧波磁場幅值，且B_k,i＝F_kλ_i。

由式(3)可知，永磁動子和調(diào)制動子的共同作用下將會產(chǎn)生兩類磁場。第一類為自然諧波磁場，該類磁場的特點是它的磁場極對數(shù)和速度與永磁動子磁動勢的極對數(shù)和速度相同，該類磁場的幅值為B_k。第二類為調(diào)制諧波磁場，該類磁場的特點是它的磁場極對數(shù)與永磁動子極對數(shù)和調(diào)制動子中導(dǎo)磁塊數(shù)相關(guān)，它的磁場速度也與永磁動子和調(diào)制動子二者的速度相關(guān)，該類磁場的幅值為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)制諧波磁場的極對數(shù)和同步速度。

根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理可知，只有當兩個磁場的極對數(shù)和速度相同情況下，才能產(chǎn)生恒定的推力，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。因此，將第一定子繞組5-1通過繞組排布設(shè)計成可產(chǎn)生與調(diào)制諧波磁場相同極對數(shù)和速度的電樞磁場。那么，第一定子繞組5-1、調(diào)制動子和永磁動子就構(gòu)成了磁場調(diào)制型的雙動子直線電機。在這種情況下，作用在調(diào)制動子上的電磁推力等于作用在定子和永磁動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，調(diào)制動子和永磁動子之間以及調(diào)制動子和第一定子繞組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)生的電樞磁場速度與調(diào)制諧波磁場速度相等，因此，可參考式(5)進行調(diào)速。因此，由第一定子繞組5-1、調(diào)制動子和永磁動子相互作用下，調(diào)制動子和永磁動子只能實現(xiàn)速度解耦，但他們之間的推力仍然是耦合的。在實際應(yīng)用中，若只采用一套繞組(第一定子繞組5-1)，那么由于波浪運動的不確定性就會使繞組發(fā)出的電壓極其不穩(wěn)定。

進一步將第二定子繞組5-2通過繞組排布設(shè)計可產(chǎn)生與自然諧波磁場相同極對數(shù)和速度的電樞磁場。那么，第二定子繞組5-2和永磁動子就構(gòu)成了一個永磁同步直線電機。此時，第二定子繞組5-2只與永磁動子作用產(chǎn)生推力，而不與調(diào)制動子產(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)生的電樞磁場極對數(shù)不同，因此它們之間不會產(chǎn)生推力，換言之，它們之間不會產(chǎn)生影響。因此，通過第二定子繞組5-2和永磁動子相互作用，可實現(xiàn)調(diào)制動子和永磁動子的推力解耦。

通過上述分析可知，調(diào)制動子上的電磁推力只與第一定子繞組5-1相關(guān)，調(diào)制動子速度與第一定子繞組5-1的電樞磁場和永磁動子的速度相關(guān)；而永磁動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，同時永磁動子的速度只與第二定子繞組5-2的電樞磁場速度相同。因此，對于基于單邊調(diào)磁原理的雙動子雙繞組圓筒型直線發(fā)電機來說，調(diào)制動子的推力和速度與永磁動子的推力和速度完全獨立。

在實際應(yīng)用中，調(diào)制動子與波浪傳動裝置相連，因此調(diào)制動子的運動具有很大的隨機性。此時，通過第二定子繞組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電樞磁場的速度始終保持恒定，進而使基于單邊調(diào)磁原理的雙動子雙繞組圓筒型直線發(fā)電機發(fā)出的電壓幅值、頻率始終保持恒定，使整個發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電品質(zhì)得到顯著提升。

具體的講，圖1中永磁動子的極對數(shù)是6，調(diào)制動子中突起單元數(shù)是10。由式(4)可知，氣隙中會產(chǎn)生一系列的調(diào)制諧波磁場。這些調(diào)制諧波磁場當中，通常是k＝1,j＝-1時對應(yīng)的調(diào)制諧波磁場幅值最大，也就是說調(diào)制諧波磁場中4對極磁場幅值最大。因此，將第一定子繞組5-1通過繞組排布設(shè)計可產(chǎn)生4對極電樞磁場，如圖3所示(第一定子繞組5-1在每個槽中有圓環(huán)型繞組，圖中每個圓環(huán)型繞組用一豎線代替)。并通過控制第一定子繞組5-1產(chǎn)生電樞磁場的速度與4對極調(diào)制諧波磁場的速度相同，從而使第一定子繞組5-1、調(diào)制動子和永磁動子實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。

此時由式(3)也可知，氣隙中會產(chǎn)生一系列的自然諧波磁場，這些自然諧波磁場當中，k＝1時對應(yīng)的自然諧波磁場幅值最大，也就是說永磁動子產(chǎn)生6對極的自然諧波磁場幅值最大。因此，將第二定子繞組5-2通過繞組排布設(shè)計可產(chǎn)生6對極電樞磁場，如圖4所示(第二定子繞組5-2在每個槽中有圓環(huán)型繞組，圖中每個圓環(huán)型繞組用一豎線代替)。并通過控制第二定子繞組5-2產(chǎn)生電樞磁場的速度與6對極自然諧波磁場的速度相同，那么第二定子繞組5-2和永磁動子就可實現(xiàn)機電能量轉(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)生的電樞磁場極對數(shù)不同(一個是4對極電樞磁場，另一個是6對極電樞磁場)，根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，它們之間不會產(chǎn)生推力。換言之，它們之間并不會互相影響。

最終的效果相當于，第一定子繞組5-1、調(diào)制動子和永磁動子是一個雙動子電機；而第二定子繞組5-2和永磁動子相當于傳統(tǒng)的永磁同步直線電機。這樣，通過第一定子繞組5-1的控制可實現(xiàn)調(diào)制動子和永磁動子速度解耦，但二者的推力是耦合(不是獨立的)的；進一步通過第二定子繞組5-2的控制可實現(xiàn)調(diào)制動子和永磁動子之間的推力解耦。因此，在實際應(yīng)用中通過第二定子繞組5-2實現(xiàn)了對永磁動子的有效控制，即使在調(diào)制動子隨機變速運動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，從而使整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電品質(zhì)得到提高，也使系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性得到提高。