直線式波浪能發(fā)電裝置

直線發(fā)電機(jī)的類型有單邊直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)式、雙邊直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)式及圓筒直線往復(fù)式3種。其中，單邊直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)式發(fā)電機(jī)一邊是永磁體動(dòng)子，另一邊是勵(lì)磁繞組定子;雙邊直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)電機(jī)是將單邊往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行鏡像復(fù)制，動(dòng)子在中間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)為定子，動(dòng)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(fā)電機(jī)發(fā)電功率提高了一倍，同時(shí)成本低、材料利用率高、體積小，消除了單邊型發(fā)電機(jī)定、動(dòng)子間產(chǎn)生的側(cè)向吸引力，其缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生橫向和縱向端部效應(yīng)。圓筒直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)電機(jī)將定子和動(dòng)子做成圓柱形，動(dòng)子上安放永磁體，永磁體之間用非導(dǎo)磁材料隔開，定子上繞有勵(lì)磁繞組，通過動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)，勵(lì)磁繞組切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種圓筒型往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)電機(jī)不僅有雙邊型的功率高、成本低、體積小、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，而且圓柱體的形狀可以消除橫向端部效應(yīng)，縱向端部效應(yīng)也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來彌補(bǔ)。

基于以上比較，本研究選用圓筒型直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)式發(fā)電機(jī)作為波浪能發(fā)電裝置的電機(jī)模型，具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按照直線發(fā)電電機(jī)的動(dòng)子永磁體排列不同進(jìn)行分類，可分為徑向充磁結(jié)構(gòu)，軸向充磁結(jié)構(gòu)和Halbach充磁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

從圖3中可以看出理想Halbach陣列磁場(chǎng)分布的磁通密度比軸向充磁結(jié)構(gòu)顯著提高，與徑向充磁結(jié)構(gòu)相差不大，但其陣列結(jié)構(gòu)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(chǎn)加工相對(duì)簡(jiǎn)單的徑向充磁永磁體結(jié)構(gòu)。

永磁電機(jī)的材料性能、磁路形式、磁體體積和尺寸以及外磁路的材質(zhì)和尺寸決定了氣隙磁通密度B，因而設(shè)計(jì)永磁發(fā)電機(jī)時(shí)，首先要對(duì)永磁體牌號(hào)和磁路形式進(jìn)行選擇，然后確定永磁體的體積和尺寸。電機(jī)中最常用的永磁材料有:鋁鎳鉆永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料。對(duì)這幾類永磁材料的性能進(jìn)行了詳細(xì)具體的闡述。對(duì)照以上選擇原則，本研究選擇性價(jià)比最高的永磁材料欽鐵硼為低速永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁源。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)式波浪能發(fā)電裝置由于存在中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致發(fā)電效率降低的問題，圍繞直線式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)一中的關(guān)鍵技術(shù)，通過三維建模技術(shù)和Ansoft / Maxwell仿真軟件，開展了鐵芯槽口大小優(yōu)化、磁鐵充磁方式選擇、磁鐵間隙優(yōu)化以及鐵芯縱向端部效應(yīng)改善和彌補(bǔ)方法等研究，介紹了一種直線式波浪發(fā)電裝置，對(duì)優(yōu)化后的直線發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行了電磁瞬態(tài)仿真分析，進(jìn)而得出該發(fā)電機(jī)的電磁力矩曲線、磁鏈曲線、以及所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線圖，為直線式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，該發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁源選擇了錢鐵硼永磁材料，具有功率大、性能指標(biāo)較優(yōu)越、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)潔、噪音低、效率高等顯著優(yōu)勢(shì).

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。盡管海洋能在技術(shù)成熟度、規(guī)模以及價(jià)格等方面還不能與常規(guī)能源相提并論，但從能源長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略的角度看，加大和加快海洋波浪能源開發(fā)相關(guān)技術(shù)具有重要的意義。

世界上最早對(duì)波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行研發(fā)的國(guó)家是法國(guó)，后來英國(guó)、挪威、印度、日本、美國(guó)、葡萄牙等國(guó)相繼跟進(jìn)。各國(guó)都在積極研發(fā)各種各樣的波浪能發(fā)電裝置。波浪能發(fā)電研究的重點(diǎn)在于將波浪能轉(zhuǎn)化為電能的中間轉(zhuǎn)換裝置，它決定著能量轉(zhuǎn)化效率，因此它是波浪能研究的熱點(diǎn)，本研究中優(yōu)化的直線發(fā)電機(jī)就屬于波浪能轉(zhuǎn)化為電能的中間轉(zhuǎn)換裝置。

以往的浮子震蕩式發(fā)電是利用震蕩浮子隨波震動(dòng)采集波浪能，然后轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再經(jīng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械式的中間轉(zhuǎn)換裝置不但加大了系統(tǒng)的復(fù)雜性，成本較高，而且降低了轉(zhuǎn)換效率，后期維護(hù)也很困難。直線發(fā)電機(jī)則省略了繁瑣的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直線發(fā)電機(jī)在浮體內(nèi)可以隨著浮體在波浪的作用下進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，直線電機(jī)內(nèi)的動(dòng)子可以直接將其轉(zhuǎn)換為切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，無需再進(jìn)行其他轉(zhuǎn)換即可發(fā)電，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率比浮子震蕩式發(fā)電高，逐漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注5。波浪發(fā)電中涉及到的直線電機(jī)有直線感應(yīng)電機(jī)、直線開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁直線電機(jī)等幾類。直線感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其性能較永磁直線電機(jī)差;直線開關(guān)磁阻電機(jī)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪聲與震動(dòng)比一般發(fā)電機(jī)大;永磁直線電機(jī)具有較高的功率因數(shù)，但是存在漏磁易腐蝕的缺點(diǎn)。

根據(jù)空載漏磁系數(shù)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(zhǔn)確值，那么它們的比值就是空載漏磁系數(shù)的準(zhǔn)確值。本研究通過Ansoft軟件在直線發(fā)電機(jī)原模型的基礎(chǔ)上對(duì)其靜態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行分析，并在磁路中設(shè)置兩個(gè)特殊點(diǎn)，建立point模型進(jìn)行數(shù)據(jù)場(chǎng)分析，之后通過分析獲得這兩點(diǎn)的單位磁通量數(shù)值，最終求得該電機(jī)的空載漏磁系數(shù)。

由于永磁直線發(fā)電機(jī)端部鐵芯的斷開，產(chǎn)生了直線發(fā)電機(jī)特有的缺陷一縱向端部效應(yīng)?？v向端部效應(yīng)是端部磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變以及結(jié)構(gòu)斷開對(duì)直線電機(jī)性能和設(shè)計(jì)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(dòng)，還包括磁場(chǎng)分布的變化、出現(xiàn)奇數(shù)極電機(jī)、感應(yīng)電壓不對(duì)稱等現(xiàn)象?？v向端部效應(yīng)是產(chǎn)生直線電機(jī)推力波動(dòng)的主要原因，是直線電機(jī)設(shè)計(jì)過程不可忽略的內(nèi)容。

己經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)直線電機(jī)縱向端部效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，而且給出了優(yōu)化措施，其中包括磁場(chǎng)相似化方法，通過改變端部齒的寬度以及端部齒的氣隙長(zhǎng)度來改善縱向邊端效應(yīng)對(duì)永磁直線同步發(fā)電機(jī)性能的影響。

設(shè)計(jì)和制造高性能永磁發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)研究的重要內(nèi)容之一。齒槽力是齒槽效應(yīng)的主要表現(xiàn)形式，因?yàn)辇X槽的存在，使得動(dòng)子和定子之間的氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生了齒槽力。齒槽力波動(dòng)對(duì)電機(jī)性能的好壞有非常重要的影響，例如使電機(jī)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率和發(fā)電機(jī)固有頻率相近或一致時(shí)，甚至可能發(fā)生共振。

現(xiàn)有的槽口寬度對(duì)齒槽力影響的研究主要針對(duì)表面式結(jié)構(gòu)，采用解析法對(duì)其分析求解，但是解析法的難點(diǎn)在于難以準(zhǔn)確的確定有效氣隙長(zhǎng)度。有限元法能夠準(zhǔn)確地計(jì)算齒槽轉(zhuǎn)矩的大小，對(duì)于不同槽口寬度，需要建立不同的模型來確定最佳槽口寬度。

（1）勵(lì)磁源選擇了欽鐵硼永磁材料，它勵(lì)磁性能優(yōu)異，改革了電機(jī)磁場(chǎng)，不僅擁有一般低速電機(jī)的普遍優(yōu)點(diǎn)，而且具有功率大、性能指標(biāo)優(yōu)越、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)潔、噪音低、效率高等顯著優(yōu)勢(shì)。

(2)應(yīng)用有限元法對(duì)磁鐵排布間隙進(jìn)行優(yōu)化，得出符合實(shí)際合理的最優(yōu)間隙。

(3)根據(jù)空載漏磁系數(shù)來衡量磁鐵與鐵芯間氣隙大小，最后計(jì)算出最合適的氣隙參數(shù)。

(4)根據(jù)齒槽口寬度的大小與齒槽力的密切聯(lián)系，改變齒槽口寬度，齒槽力也相應(yīng)發(fā)生變化，從而優(yōu)化出齒槽口的寬度。

與一般的波能轉(zhuǎn)換裝置一樣，浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置也包括三級(jí)能量轉(zhuǎn)換：第一級(jí)是將波浪能轉(zhuǎn)換為直接與海浪接觸的中間部件的機(jī)械能或者海水的位能、壓能；第二級(jí)是將上一級(jí)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的動(dòng)能；第三級(jí)是將上一級(jí)動(dòng)能通過發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能。如圖2所示的浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置組成簡(jiǎn)圖。

由圖2看出，在浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置中，一級(jí)能量機(jī)構(gòu)是浮標(biāo)，俘獲波浪能轉(zhuǎn)換為浮標(biāo)的機(jī)械能，二級(jí)能量機(jī)構(gòu)是齒輪箱和蓄能系統(tǒng)，將浮標(biāo)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為二級(jí)能量機(jī)構(gòu)的機(jī)械能，三級(jí)能量機(jī)構(gòu)是發(fā)電系統(tǒng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

圖3所示為浮標(biāo)式波浪發(fā)電裝置示意圖，該裝置主要由浮標(biāo)1、浮筒2、龍門架3、齒條4等部分組成，其中浮筒內(nèi)置齒輪箱換向定向系統(tǒng)6、蓄能系統(tǒng)以及發(fā)電系統(tǒng)8等。龍門架固定于浮標(biāo)上，圓齒條通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置5連接在龍門架上，此處可以解決浮標(biāo)在垂直波浪力以及水平波浪力綜合作用下產(chǎn)生繞浮筒轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，充分保證了齒輪齒條的嚙合。浮標(biāo)在垂直波浪力作用下沿浮筒上下往復(fù)滑動(dòng)，在浮標(biāo)上鑲嵌青銅軸瓦，保證了浮筒與浮標(biāo)之間的耐磨性。浮筒通過錨固定與海床上。

江河波浪能稍有別于海洋波浪能，主要以水平方向運(yùn)動(dòng)所具有的動(dòng)能為主，同時(shí)存在勢(shì)能，其能量相對(duì)于海洋波浪能較低。為實(shí)現(xiàn)對(duì)江河波浪能的充分利用，必須解決目前江河波浪能發(fā)電所而臨的三大難題:一是固定問題，由于江河多為水運(yùn)要道，發(fā)電裝置須不影響航運(yùn)，且由于波浪能很不規(guī)律，浮于水而的發(fā)電裝置易受波浪沖擊;二是穩(wěn)定性問題，由于波浪的運(yùn)動(dòng)沒有規(guī)律性和周期J哇，受技術(shù)限制，波浪能發(fā)電裝置只能將吸收來的不穩(wěn)定波浪能轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的電能;三是效率問題，江河中的波浪能相較于海洋波浪能能量較小，必須提高波浪能的利用效率才有實(shí)用價(jià)值。

江河波浪能是一種取之不盡的可再生清潔能源，且其分布而廣，以武漢為例，就有長(zhǎng)江、東湖等水系。目前江河波浪能的利用僅限于小功率發(fā)電，主要應(yīng)用于導(dǎo)航浮標(biāo)、燈塔等設(shè)備，波浪能的利用仍有很大的開發(fā)空間，具有良好的應(yīng)用前景。