一种用于波浪发电的场调制丝杠多端口发电机

1.本发明涉及一种多端口轴向磁通场调制发电机，具体涉及一种用于波浪发电的多端口场调制丝杠轴向磁通发电机，属于磁齿轮和电机技术领域。


背景技术：

2.直驱式波浪发电装置将波浪能直接转化成电能，省去了传动环节，具有结构简单、效率较高、稳定性强的优点。然而，由于直驱式波浪发电机的直驱速度较低，造成直线发电机的功率密度较小，同时大功率直线发电机往往造成电机的定位力较大，影响电机的运动性能，而且直驱式波浪发电机的低速直驱造成电机体积庞大，成本高。除此之外，由于波浪的幅度和频率的变化较大，造成直驱式波浪发电装置输出瞬时功率波动频繁、且波动范围大，短时间尺度内，使得波浪发电的瞬时功率不断波动。这种输出功率长时间尺度波动和短时间尺度波动的叠加波动，使得输出稳定较为困难。此外，现有波浪发电机只能在额定的波浪速度范围内才能正常运转，波浪能利用系数较低，大量的波浪能未能得到充分的捕捉和转化，整个系统的能量转化效率低下。
3.基于上述，现有技术中存在的问题是：直驱式波浪发电固有机械速度低，电机体积大，功率密度低，传统螺旋形磁力丝杠虽然可以提高部分能量转换效率，但是由于没有磁齿轮的增速效果，系统的功率密度相对较低，同时，现有直驱式波浪发电机波浪捕获范围窄，应对不同海况的调节形式单一，波浪能利用率低下。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为克服现有技术的缺陷而提出一种用于波浪发电的场调制丝杠多端口发电机，在保证可靠性和经济性的前提下，解决了直驱式波浪发电机功率密度低的问题，同时解决了现有发电系统应对不同海况的调节形式单一而导致的系统效率低下的问题。
5.为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种用于波浪发电的场调制丝杠多端口发电机，主要由场调制磁力丝杠和发电机构成，包括转轴、电工钢、非导磁材料、外环形永磁体、内丝杠永磁体、定子外壳、定子铁芯i、定子铁芯ii、转子铁芯i、转子铁芯ii、发电绕组i、永磁体i、第一控制绕组、调制器、发电绕组ii、第二控制绕组、永磁体ii、轴承；
6.所述场调制磁力丝杠部分，内丝杠永磁体安装于转轴外，并绕转轴旋转，外环形永磁体静止，电工钢和非导磁材料在波浪作用下作直线运动。
7.所述的发电机部分，定子外壳与定子铁芯i、定子铁芯ii连接，并处于静止状态，定子铁芯i装设发电绕组i。转子铁芯i轴向两侧分别装设永磁体i和第一控制绕组，转子铁芯i与转轴连接，做旋转运动。定子铁芯ii沿径向方向从内往外分别为调制器、发电绕组ii。转子铁芯ii沿径向方向从内往外分别是轴承、第二控制绕组、永磁体ii。
8.所述的电工钢和非导磁材料起到调制作用，同一轴向长度，所述的外环形永磁体极对数为n
so
，内丝杠永磁体的极对数为n
si
，电工钢的个数为n
st
，外环形永磁体在轴向方向
产生的磁密为b
zo
(r,z)，其通过(1)计算：
[0009][0010]
式(1)中外环形永磁体在轴向方向产生的磁密为b
zo
(r,z)，包含b
zo11
、b
zo12
和b
zo13
三个分量，λ(z)为轴向总磁导，f
zo
(r,z)为轴向总磁动势，λ0和λm分别为磁导平均分量和磁导交变分量的幅值，t为时间，z
so
和z
st
分别为外环形永磁体和电工钢的轴向位置，f
2m
为外环形永磁体产生的磁动势幅值，v
st
为电工钢在轴向方向的直线运动速度，v
so
为外环形永磁体的直线轴向运动速度，根据磁场分量b
zo12
可知，当n
st
＝n
so
n
si
时，外环形永磁体和内丝杠永磁体产生的磁场互相耦合，这是磁场调制的基本理论。
[0011]
所述的外环形永磁体固定，电工钢在波浪作用下沿轴向方向做直线运动，因此，内丝杠永磁体受到磁场作用做直线运动，但由于本发明将内丝杠永磁体固定在转轴上，不可以直线运动，但内丝杠永磁体可以在旋转时产生磁场轴向运动的效果，因此内丝杠永磁体可以在磁场作用下旋转。
[0012]
所述的内丝杠永磁体的导程为λ，内丝杠永磁体与电工钢的运动速度满足：推导得内丝杠永磁体的旋转速度满足：因此当n
st
》n
si
时，内丝杠永磁体可以高速旋转，可以将电工钢的低速直线运动转化成内丝杠永磁体的高速旋转运动，形成磁齿轮效果；
[0013]
所述的外环形永磁体和内丝杠永磁体均采用halbach充磁方式，进一步提高功率密度；
[0014]
所述的外环形永磁体静止，电工钢外接浮子，在波浪外力作用下在位移距离内沿轴向做直线运动，内丝杠永磁体做高速旋转运动，将动力传输至发电机部分；
[0015]
所述的定子铁芯i和定子铁芯ii均与定子外壳连接，处于静止状态，所述的转轴与转子铁芯i连接，当转子铁芯i与转轴作周向旋转运动时，发电绕组i作为基础发电端口向外输出电能；
[0016]
所述的永磁体i和第一控制绕组分别装设在转子铁芯i的轴向两侧，且分别位于转子铁芯i的径向外侧和径向内侧；
[0017]
所述的转子铁芯i径向中部镂空，通过支撑杆连接径向外侧的铁芯部分，这是为了减小转子整体的质量，提高系统的动态响应性能；
[0018]
所述的定子铁芯ii沿径向方向从内往外分别装设有调制器和发电绕组ii；
[0019]
所述的转子铁芯ii沿径向方向从内往外分别装设有轴承、第二控制绕组和永磁体ii，转子铁芯ii可以绕转轴作周向旋转运动，也可以处于静止状态；
[0020]
所述的第一控制绕组产生的磁场极对数为n
ko
，调制器的齿数为n
kt
，第二控制绕组的极对数为n
ki
，第一控制绕组的磁场在圆周方向的磁密为b
ri
(r,θ)，其通过(2)计算：
[0021][0022]
式(2)中，第一控制绕组的磁场在圆周方向的磁密b
ri
(r,θ)包含b
ri11
、b
ri12
和b
ri13
三个分量，λ(θ)为周向总磁导，f
θi
(r,θ)为周向总磁动势，λ0和λm分别为磁导平均分量和磁导交变分量的幅值，和分别为第一控制绕组产生的磁场在圆周方向的相对位置和调制器的相对位置，t为时间，f
1m
为第一控制绕组产生的磁场磁动势幅值，ω
kt
为调制器在圆周方向的旋转角速度，ω
ko
为第一控制绕组产生的磁场在圆周方向的旋转角速度，根据磁场分量b
ri12
可知，当n
kt
＝n
ko
n
ki
时，第一控制绕组和第二控制绕组产生的磁场互相耦合；
[0023]
所述的第一控制绕组和第二控制绕组的旋转角速度满足：
[0024]
所述的第一控制绕组和第二控制绕组，当调整第一控制绕组和第二控制绕组的接线方式，使绕组产生的磁场极对数满足n
ko
》n
ki
时，则ω
ki
》ω
ko
，即第二控制绕组的旋转速度大于第一控制绕组的旋转速度，即转子铁芯ii的旋转速度大于转子铁芯i的旋转速度；
[0025]
所述的第一控制绕组和第二控制绕组，当调整第一控制绕组和第二控制绕组的接线方式，使绕组产生的磁场极对数满足n
ko
＝n
ki
时，ω
ki
＝ω
ko
，即转子铁芯ii的旋转速度等于转子铁芯i的旋转速度；
[0026]
所述的第一控制绕组和第二控制绕组，当调整第一控制绕组和第二控制绕组的接线方式，使绕组产生的磁场极对数满足n
ko
《n
ki
时，ω
ki
《ω
ko
，即转子铁芯ii的旋转速度小于转子铁芯i的旋转速度；
[0027]
所述的第一控制绕组、第二控制绕组和调制器形成一套电磁控制器，当第一控制绕组和第二控制绕组的旋转速度不同时，电磁控制器形成磁齿轮效果；
[0028]
所述的第一控制绕组、第二控制绕组和调制器，可根据不同海况调节第一控制绕组和第二控制绕组产生的磁场极对数，当年波浪较小时，第一控制绕组或第二控制绕组不通电流，此时，仅有发电绕组i作为基础发电端口向外输出电能；
[0029]
所述的第一控制绕组和第二控制绕组，随着波浪不断增大，在使绕组产生的磁场极对数满足n
kt
＝n
ko
n
ki
的情况下，增大第一控制绕组的磁场极对数n
ko
，减小第二控制绕组的磁场极对数n
ki
，此时，基础发电端口和辅助发电端口同时工作，且转子铁心ii的转速不断增大，发电机的功率密度提高。
[0030]
本发明产生的有益效果是：
[0031]
1、本发明提出了一种基于磁齿轮增速的发电机结构，首先，在磁力丝杠部分，场调制磁力丝杠不仅可以将直线运动变为旋转运动，还起到了磁齿轮增速的效果。与传统直线电机相比，本发明提升了发电机的功率密度和输出稳定性，同时，电工钢和非导磁材料作为直线动子，且位移距离增大，大大减小了动子复杂度，减小了动子质量，使其惯性减小，增加了系统动态响应性能。此外，本发明所采用的环形halbach充磁永磁体，增加了气隙磁场磁
通密度，进一步增加了电机功率密度，具有重要的意义与实用价值。
[0032]
2、本发明电机部分通过电磁控制器控制基础发电端口和辅助发电端口。通过控制第一控制绕组和第二控制绕组的电流，实现调节多端口电机发电执行端口数量。同时通过调节第一控制绕组和第二控制绕组产生的磁场，形成磁齿轮进一步控制发电机的转子旋转速度，并提高电机功率密度，以改变发电机的工作状态来适应不同的海况，进一步提高装置捕获波浪能的能力，使直驱式波浪发电系统的能量转换效率和可适应波浪条件的范围进一步提升。
[0033]
3、本发明在丝杠部分和发电机部分各采用了一套磁场调制磁齿轮，因此，与传统的直线发电机相比，本系统的过负载能力更强，功率密度更高，维护费用更低，清洁度更高，尤其适合远洋海底波浪发电等维护费用较高的场合。此外，传统的直线电机体积大、成本高，本发明提升电机功率密度的同时减小了电机体积，降低了生产成本，同时提升了从波浪能到电能的转换效率。本发明可实现深远海岛礁的持续稳定供电，还可为军事设施的特殊供电提供技术支持，成为稳定且隐蔽的海面下固定点的电能补充来源。
附图说明
[0034]
图1是本发明的整体结构示意图；
[0035]
图2是图1的丝杠部分的三维剖视示意图；
[0036]
图3是图2的丝杠永磁内转子局部示意图；
[0037]
图4是图1的发电机部分的局部示意图；
[0038]
图5是图4的轴向a-b方向和轴向b-a方向的发电机三维爆炸示意图；
[0039]
图中：1.转轴；2.电工钢；3.非导磁材料；4.外环形永磁体；4-1.外环形永磁体i；4-2.外环形永磁体ii；4-3.外环形永磁体iii；4-4.外环形永磁体iv；5.内丝杠永磁体；5-1.内丝杠永磁体i；5-2.内丝杠永磁体ii；5-3.内丝杠永磁体iii；5-4.内丝杠永磁体iv；6.定子外壳；7.定子铁芯i；8.定子铁芯ii；9.转子铁芯i；10.转子铁芯ii；11.发电绕组i；12.支撑杆；13.永磁体i；14.第一控制绕组；15.调制器；16.发电绕组ii；17.第二控制绕组；18.永磁体ii；19.轴承。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0041]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0042]
在本技术中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0043]
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
[0044]
此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0045]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-5并结合实施例来详细说明本技术。
[0046]
实施例：参见图1至图5，本实施例的一种用于波浪发电的场调制丝杠多端口发电机。
[0047]
所述的转轴1、电工钢2、非导磁材料3、外环形永磁体4、内丝杠永磁体5、定子外壳6、定子铁芯i 7、定子铁芯ii 8、转子铁芯i 9、转子铁芯ii 10、发电绕组i11、支撑杆12、永磁体i13、第一控制绕组14、调制器15、发电绕组ii 16、第二控制绕组17、永磁体ii 18、轴承19。
[0048]
另外，根据一种实现方式，参见图1，所述内丝杠永磁体5安装于转轴1外，并绕转轴1旋转，外环形永磁体4静止，电工钢2和非导磁材料3在波浪作用下作直线运动。
[0049]
另外，根据一种实现方式，参见图2，所述的电工钢2和非导磁材料3起到调制作用，同一轴向长度，所述的外环形永磁体4极对数为n
so
，内丝杠永磁体的极对数5为n
si
，电工钢2的个数为n
st
，外环形永磁体4在轴向方向产生的磁密为b
zo
(r,z)，其通过(1)计算：
[0050][0051]
式(1)中外环形永磁体4在轴向方向产生的磁密为b
zo
(r,z)，包含b
zo11
、b
zo12
和b
zo13
三个分量，λ(z)为轴向总磁导，f
zo
(r,z)为轴向总磁动势，λ0和λm分别为磁导平均分量和磁导交变分量的幅值，t为时间，z
so
和z
st
分别为外环形永磁体4和电工钢2的轴向位置，f
2m
为外环形永磁体4产生的磁动势幅值，v
st
为电工钢2在轴向方向的直线运动速度，v
so
为外环形永磁体4的直线轴向运动速度，根据磁场分量b
zo12
可知，当n
st
＝n
so
n
si
时，外环形永磁体4和内丝杠永磁体5产生的磁场互相耦合，这是磁场调制的基本理论。
[0052]
另外，根据一种实现方式，参见图1和图2，所述的外环形永磁体4固定，电工钢2在波浪作用下沿轴向方向做直线运动，因此，内丝杠永磁体5受到磁场作用做直线运动，但由于本发明将内丝杠永磁体5固定在转轴1上，不可以直线运动，但内丝杠永磁体5可以在旋转
时产生磁场轴向运动的效果，因此内丝杠永磁体5可以在磁场作用下旋转。
[0053]
另外，根据一种实现方式，参见图3，所述的内丝杠永磁体5的导程为λ，内丝杠永磁体5与电工钢2的运动速度满足：推导得内丝杠永磁体5的旋转速度满足：因此当n
st
》n
si
时，内丝杠永磁体5可以高速旋转，可以将电工钢2的低速直线运动转化成内丝杠永磁体5的高速旋转运动，形成磁齿轮效果；
[0054]
另外，根据一种实现方式，参见图2，所述的外环形永磁体4和内丝杠永磁体5均采用halbach充磁方式，进一步提高功率密度；
[0055]
另外，根据一种实现方式，参见图2和图3，所述的外环形永磁体4静止，电工钢2外接浮子，在波浪外力作用下在位移距离内沿轴向做直线运动，内丝杠永磁体5做高速旋转运动，将动力传输至发电机部分；
[0056]
另外，根据一种实现方式，参见图4和图5，所述的发电机部分，定子外壳6与定子铁芯i 7、定子铁芯ii 8连接，并处于静止状态，定子铁芯i 7装设发电绕组i11。转子铁芯i 9轴向两侧分别装设永磁体i13和第一控制绕组14，转子铁芯i 9与转轴1连接，做旋转运动。定子铁芯ii 8沿径向方向从内往外分别为调制器15、发电绕组ii 16。转子铁芯ii 10沿径向方向从内往外分别是轴承19、第二控制绕组17、永磁体ii 18。
[0057]
另外，根据一种实现方式，参见图4和图5，所述的定子铁芯i 7和定子铁芯ii 8均与定子外壳5连接，处于静止状态，所述的转轴1与转子铁芯i 9连接，当转子铁芯i 9与转轴1作周向旋转运动时，发电绕组i11作为基础发电端口向外输出电能；
[0058]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的永磁体i13和第一控制绕组14分别装设在转子铁芯i 9的轴向两侧，且分别位于转子铁芯i 9的径向外侧和径向内侧；
[0059]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的转子铁芯i 9径向中部镂空，通过支撑杆12连接径向外侧的铁芯部分，这是为了减小转子整体的质量，提高系统的动态响应性能；
[0060]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的定子铁芯ii 8沿径向方向从内往外分别装设有调制器15和发电绕组ii 16；
[0061]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的转子铁芯ii 10沿径向方向从内往外分别装设有轴承19、第二控制绕组17和永磁体ii 18，转子铁芯ii 10可以绕转轴1作周向旋转运动，也可以处于静止状态；
[0062]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的第一控制绕组14产生的磁场极对数为n
ko
，调制器15的齿数为n
kt
，第二控制绕组17的极对数为n
ki
，第一控制绕组14的磁场在圆周方向的磁密为b
ri
(r,θ)，其通过(2)计算：
[0063]
[0064]
式(2)中，第一控制绕组14的磁场在圆周方向的磁密b
ri
(r,θ)包含b
ri11
、b
ri12
和b
ri13
三个分量，λ(θ)为周向总磁导，f
θi
(r,θ)为周向总磁动势，λ0和λm分别为磁导平均分量和磁导交变分量的幅值，和分别为第一控制绕组14产生的磁场在圆周方向的相对位置和调制器15的相对位置，t为时间，f
1m
为第一控制绕组14产生的磁场磁动势幅值，ω
kt
为调制器15在圆周方向的旋转角速度，ω
ko
为第一控制绕组14产生的磁场在圆周方向的旋转角速度，根据磁场分量b
ri12
可知，当n
kt
＝n
ko
n
ki
时，第一控制绕组14和第二控制绕组17产生的磁场互相耦合；
[0065]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的第一控制绕组14和第二控制绕组17的旋转角速度满足：
[0066]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的第一控制绕组14和第二控制绕组17，当调整第一控制绕组14和第二控制绕组17的接线方式，使绕组产生的磁场极对数满足n
ko
》n
ki
时，则ω
ki
》ω
ko
，即第二控制绕组17的旋转速度大于第一控制绕组14的旋转速度，即转子铁芯ii 10的旋转速度大于转子铁芯i 9的旋转速度；
[0067]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的第一控制绕组14和第二控制绕组17，当调整第一控制绕组14和第二控制绕组17的接线方式，使绕组产生的磁场极对数满足n
ko
＝n
ki
时，ω
ki
＝ω
ko
，即转子铁芯ii 19的旋转速度等于转子铁芯i 9的旋转速度；
[0068]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的第一控制绕组14和第二控制绕组17，当调整第一控制绕组14和第二控制绕组17的接线方式，使绕组产生的磁场极对数满足n
ko
《n
ki
时，ω
ki
《ω
ko
，即转子铁芯ii 19的旋转速度小于转子铁芯i 9的旋转速度；
[0069]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的第一控制绕组14、第二控制绕组17和调制器15形成一套电磁控制器，当第一控制绕组14和第二控制绕组17的旋转速度不同时，电磁控制器形成磁齿轮效果；
[0070]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的第一控制绕组14、第二控制绕组17和调制器15，可根据不同海况调节第一控制绕组14和第二控制绕组17产生的磁场极对数，当年波浪较小时，第一控制绕组14或第二控制绕组17不通电流，此时，仅有发电绕组i11作为基础发电端口向外输出电能；
[0071]
另外，根据一种实现方式，参见图5，所述的第一控制绕组14和第二控制绕组17，随着波浪不断增大，在使绕组产生的磁场极对数满足n
kt
＝n
ko
n
ki
的情况下，增大第一控制绕组14的磁场极对数n
ko
，减小第二控制绕组17的磁场极对数n
ki
，此时，基础发电端口和辅助发电端口同时工作，且转子铁心ii 10的转速不断增大，发电机的功率密度提高。
[0072]
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。