[科普中国]-直线式波浪能发电装置

简介

针对旋转式波浪能发电装置由于存在中间环节转换而导致发电效率降低的问题，围绕直线式波浪能发电装置设计一中的关键技术，通过三维建模技术和Ansoft / Maxwell仿真软件，开展了铁芯槽口大小优化、磁铁充磁方式选择、磁铁间隙优化以及铁芯纵向端部效应改善和弥补方法等研究，介绍了一种直线式波浪发电装置，对优化后的直线发电机模型进行了电磁瞬态仿真分析，进而得出该发电机的电磁力矩曲线、磁链曲线、以及所产生的感应电动势曲线图，为直线式波浪能发电装置设计提供了理论依据。研究结果表明，该发电机的励磁源选择了钱铁硼永磁材料，具有功率大、性能指标较优越、结构紧凑简洁、噪音低、效率高等显著优势.

海洋中贮藏着潮汐能、波浪能、海流能等形式的海洋可再生能源。其中波浪能取之不尽，用之不竭。尽管目前海洋能在技术成熟度、规模以及价格等方面还不能与常规能源相提并论，但从能源长期发展战略的角度看，加大和加快海洋波浪能源开发相关技术具有重要的意义。

世界上最早对波浪能发电装置进行研发的国家是法国，后来英国、挪威、印度、日本、美国、葡萄牙等国相继跟进。各国都在积极研发各种各样的波浪能发电装置。波浪能发电研究的重点在于将波浪能转化为电能的中间转换装置，它决定着能量转化效率，因此它是波浪能研究的热点，本研究中优化的直线发电机就属于波浪能转化为电能的中间转换装置。

以往的浮子震荡式发电是利用震荡浮子随波震动采集波浪能，然后转换为机械能，再经齿轮齿条机构把直线运动转换为发电机轴的旋转运动。这种机械式的中间转换装置不但加大了系统的复杂性，成本较高，而且降低了转换效率，后期维护也很困难。直线发电机则省略了繁琐的转换环节，直线发电机在浮体内可以随着浮体在波浪的作用下进行上下往复运动，将波浪能转换为机械能，直线电机内的动子可以直接将其转换为切割磁力线的运动，无需再进行其他转换即可发电，因此结构简单、效率比浮子震荡式发电高，逐渐受到国内外学者关注5。目前波浪发电中涉及到的直线电机有直线感应电机、直线开关磁阻电机、永磁直线电机等几类。直线感应电机具有结构简单、维修方便、可靠等优点，但其性能较永磁直线电机差;直线开关磁阻电机有转矩脉动，噪声与震动比一般发电机大;永磁直线电机具有较高的功率因数，但是存在漏磁易腐蚀的缺点。

直线发电机的结构设计直线发电机的类型有单边直线往复运动式、双边直线往复运动式及圆筒直线往复式3种。其中，单边直线往复运动式发电机一边是永磁体动子，另一边是励磁绕组定子;双边直线往复运动发电机是将单边往复直线运动发电机进行镜像复制，动子在中间往复运动，两侧为定子，动子上安装有相互隔开的永磁体材料。与单边型相比，双边型发电机发电功率提高了一倍，同时成本低、材料利用率高、体积小，消除了单边型发电机定、动子间产生的侧向吸引力，其缺点是会产生横向和纵向端部效应。圆筒直线往复运动发电机将定子和动子做成圆柱形，动子上安放永磁体，永磁体之间用非导磁材料隔开，定子上绕有励磁绕组，通过动子往复运动，励磁绕组切割磁感线运动而产生感应电动势，这种圆筒型往复运动发电机不仅有双边型的功率高、成本低、体积小、材料利用率高等优点，而且圆柱体的形状可以消除横向端部效应，纵向端部效应也可以根据结构的优化来弥补。

基于以上比较，本研究选用圆筒型直线往复运动式发电机作为波浪能发电装置的电机模型，具体的设计结构如图1所示。

永磁体类型的选择永磁电机的材料性能、磁路形式、磁体体积和尺寸以及外磁路的材质和尺寸决定了气隙磁通密度B，因而设计永磁发电机时，首先要对永磁体牌号和磁路形式进行选择，然后确定永磁体的体积和尺寸。目前，电机中最常用的永磁材料有:铝镍钻永磁材料、铁氧体永磁材料和稀土永磁材料。对这几类永磁材料的性能进行了详细具体的阐述。对照以上选择原则，本研究选择目前性价比最高的永磁材料钦铁硼为低速永磁直线同步电动机的励磁源。

磁铁的充磁方式按照直线发电电机的动子永磁体排列不同进行分类，可分为径向充磁结构，轴向充磁结构和Halbach充磁结构如图2所示。

通过有限元仿真给出的径向、轴向及Halbach充磁结构永磁阵列的磁通分布图如图3所示。

从图中可以看出理想Halbach阵列磁场分布的磁通密度比轴向充磁结构显著提高，与径向充磁结构相差不大，但其阵列结构的加工难度大、充磁不方便、成本较高，因此本研究选用了生产加工相对简单的径向充磁永磁体结构。

磁铁和铁芯气隙大小选择根据空载漏磁系数的原始公式，如果能正确地得到永磁体向外部磁路提供的总磁通和外磁路中主磁通的准确值，那么它们的比值就是空载漏磁系数的准确值。本研究通过Ansoft软件在直线发电机原模型的基础上对其静态磁场进行分析，并在磁路中设置两个特殊点，建立point模型进行数据场分析，之后通过分析获得这两点的单位磁通量数值，最终求得该电机的空载漏磁系数。

齿槽口宽度的影响设计和制造高性能永磁发电机所需要考虑的问题有很多，其中齿槽力的改善一直是永磁直线发电机研究的重要内容之一。齿槽力是齿槽效应的主要表现形式，因为齿槽的存在，使得动子和定子之间的气隙磁导发生变化，因而产生了齿槽力。齿槽力波动对电机性能的好坏有非常重要的影响，例如使电机产生噪声和振动，当振动频率和发电机固有频率相近或一致时，甚至可能发生共振。

现有的槽口宽度对齿槽力影响的研究主要针对表面式结构，采用解析法对其分析求解，但是解析法的难点在于难以准确的确定有效气隙长度。有限元法能够准确地计算齿槽转矩的大小，对于不同槽口宽度，需要建立不同的模型来确定最佳槽口宽度。

纵向端部效应由于永磁直线发电机端部铁芯的断开，产生了直线发电机特有的缺陷一纵向端部效应。纵向端部效应是端部磁场产生畸变以及结构断开对直线电机性能和设计带来的一系列变化的总称，不仅包括定由位力造成的推力波动，还包括磁场分布的变化、出现奇数极电机、感应电压不对称等现象。纵向端部效应是产生直线电机推力波动的主要原因，是直线电机设计过程不可忽略的内容。

目前为止，己经有不少学者对直线电机纵向端部效应的影响进行了研究，而且给出了优化措施，其中包括磁场相似化方法，通过改变端部齿的宽度以及端部齿的气隙长度来改善纵向边端效应对永磁直线同步发电机性能的影响。

总结（1）励磁源选择了钦铁硼永磁材料，它励磁性能优异，改革了电机磁场，不仅拥有一般低速电机的普遍优点，而且具有功率大、性能指标优越、结构紧凑简洁、噪音低、效率高等显著优势。

(2)应用有限元法对磁铁排布间隙进行优化，得出符合实际合理的最优间隙。

(3)根据空载漏磁系数来衡量磁铁与铁芯间气隙大小，最后计算出最合适的气隙参数。

(4)根据齿槽口宽度的大小与齿槽力的密切联系，改变齿槽口宽度，齿槽力也相应发生变化，从而优化出齿槽口的宽度。