一种直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机

摘要

本发明公开了一种直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机，由初级定子和次级动子组成，初级定子由直线排列的多组定子单元组成，每个定子单元包括由两个初级铁芯构成的开口面向次级动子的U型铁芯、设置在所述初级铁芯中的初级电枢绕组、设置在所述U型铁芯中的初级励磁绕组，次级动子为不含绕组的齿槽结构的铁芯，所述初级铁芯上设置有与之对应的齿槽结构。本发明中，弧形结构励磁绕组套装于初级铁芯外部，冷却系统不运动，降低了复杂程度。多齿结构次级，可增加磁场变换率和端电压，弥补低速电压低的缺点；不等距齿，减小端部齿距，增大运动至端部时发出电压频率和幅值。

说明书

技术领域

本发明属于直线发电机领域，涉及一种应用于直驱式波浪发电系统的初级励磁直 线发电机。

背景技术

海洋能广泛分布于地球表面，波浪能是一种分布广泛、能量密度大、品位最高、 最易于直接利用的海洋能源。波浪发电没有任何噪音，不存在油污泄露危险。波浪发 电将开启一个新的纯净能源时代。波浪能发电技术可直接应用于海洋观测仪器供电系 统、军事及民用测试浮标供电系统、独岛供电系统、作业平台供电系统以及大规模并 网型海洋能发电系统。直驱往复式波浪发电装置采用能量收集装置和直线发电机直接 结合，改变了传统的将直线运动通过其他机械装置转换为旋转运动、带动旋转发电机 的发电方式，对直线运动能源进行直接收集，省去了中间的能量传动环节，系统发电 效率可以提高20％以上。同时，降低了系统的复杂度，减小了体积，提高了稳定性。 另外，直驱波浪发电系统机构简单、成本低、投放区域广，适合于规模化应用。因此， 直驱往复式波浪能发电具有广阔的前景。然而，由于波浪发电低速直驱的特点，一次 能量转换具有大推力、低速度特点，并且电机气隙远大于旋转电机，使得采用传统的 永磁结构和电励磁结构的直线发电机均具有体积庞大、功率密度较低下的缺点。

发明内容

技术问题：本发明提供一种具有高功率密度和效率，采用初级励磁简化了冷却系 统结构，运行次级分段设计优化了电机输出电能质量的直驱式波浪发电用全超导初级 励磁直线发电机。

技术方案：本发明的直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机，由初级定子和 次级动子组成，所述初级定子由直线排列的多组定子单元组成，每个所述定子单元包 括由两个初级铁芯构成的开口面向次级动子的U型铁芯、设置在所述初级铁芯中的初 级电枢绕组、设置在所述U型铁芯中的初级励磁绕组，所述次级动子为不含绕组的齿 槽结构的铁芯，所述初级铁芯上设置有与之对应的齿槽结构。所述次级动子齿槽结构 的齿宽相同，次级动子分为一个齿距为2τ的第一次级段、两个齿距为1.25τ的第二次 级段和两个齿距为τ的第三次级段，所述第一次级段位于次级动子中部，两个第三次 级段分别位于次级动子两端，第二次级段(14)位于第一次级段和第三次级段之间。 所述初级励磁绕组分为两部分，一部分设置在两个初级铁芯相临之处的外侧，另一部 分设置在沿U型铁芯外侧布置的励磁绕组支架上，所述初级励磁绕组和初级电枢绕组 均为超导绕组。

进一步的，本发明中，所述超导绕组由饼型结构的MgB₂超导线材料组成，所述 初级定子中设置有电枢绕组冷却杜瓦和励磁绕组冷却杜瓦。

进一步的，本发明中，所述初级定子中，相邻两个定子单元的间距为(5N+1+2/3) τ-D，其中，D为定子单元在直线排列方向上的长度，N为奇数，同一定子单元中两 个初级铁芯的间距为(M±1/2)τ-d，其中d为初级铁芯在直线排列方向上的长度， M为整数。

进一步的，本发明中，初级定子中，相邻两个定子单元的间距为(6+2/3)τ-D， 次级动子与初级定子的齿宽相等，所述第一次级段的齿槽比，即齿宽与槽宽的比值为 1∶3，第二次级段的齿槽比为1∶1.5，第三次级段的齿槽比为1∶1。

本发明主要由初级和次级组成，电机初级由机壳、初级铁芯、电枢绕组、励磁绕 组和冷却杜瓦组成，次级主要包括齿槽结构的导磁铁芯和槽填充。其中，初级固定于 机壳之上，次级为运动部分直接和波浪能收集装置(浮筒)相连接。超导电枢绕组和 超导励磁绕组均位于固定的初级，简化了超导冷却机构。次级为齿槽结构的铁芯，不 含任何绕组，结构简单。

本发明一种方案中，电机为圆筒形结构，外筒为电机初级(定子)，内筒为电机 次级(动子)。励磁绕组和电枢绕组采用MgB₂超导线材，为实现线间绝缘，MgB₂超 导线材外采用非导电材料(耐高温玻璃纤维)进行包套。励磁绕组支架为钛合金或者 铝合金材料。动子为齿槽结构的导磁金属体或者合金导磁体，槽间填充非导磁材料。

本发明的优选方案中，励磁绕组采用套筒式冷却杜瓦结构，安装于初级铁芯和机 壳之间，相间采用隔离容器或整体容器，冷却气体入口位于上端，出口位于下端。励 磁绕组采用弧形设计，采用不导磁的钛合金支架进行支撑。

优选方案中，电枢绕组采用套管式冷却杜瓦，安装于初级槽内，初级电枢绕组包 于环形管状杜瓦管中，管间通过连接管相连，冷却气体入口位于最上端杜瓦管一侧， 出口位于最下端杜瓦管另一侧。

优选方案中，冷媒可采用液氢。初级铁芯和次级铁芯为高饱和点的铁钴合金材料。 次级齿距随次级位置采用从中间到端部逐渐减少的变齿距结构。

本发明中，弧形结构励磁绕组套装于初级铁芯外部，冷却系统不运动，降低了复 杂程度。超导励磁可提高气隙磁密，增大功率密度，并可实现磁场调节。超导电枢可 消除电枢损耗，增大发电效率，并可减小槽宽，增大初、次级间有效磁通面积。MgB₂超导材料和铁钴合金的初次级铁芯结构，可充分利用MgB₂的场强和铁钴合金高饱和 点。多齿结构次级，可增加磁场变换率和端电压，弥补低速电压低的缺点；不等距齿， 减小端部齿距，增大运动至端部时发出电压频率和幅值。模块化结构，完全机械结构 和冷却单元独立，降低了冷却难度。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明为初级励磁全超导直线发电机，励磁绕组和电枢绕组均位于定子部分的初 级，具有复杂结构的冷却杜瓦和制冷机及相关接头不需要运动，其复杂程度得到了大 大降低。选用了MgB₂超导材料可用液氢制冷，降低了制冷机的要求，同时避免了多 种超导材料混合的复杂性，利于实现。采用超导励磁绕组代替了常规铜线绕组使得气 隙磁通密度得到提高，增大功率密度，同时，可通过改变励磁绕组的电流实现磁场调 节，降低波浪变化较大形成外部电路开关器件的电压工作压力，增大功率调节范围。 电枢绕组采用超导线材，可消除电枢损耗，增大发电效率，而且由于超导绕组载流量 远超过通绕组，可减小槽的宽度，增大初级和次级间的有效磁通面积，同时由于采用 较少匝数的超导绕组，可降低电枢绕组的电抗，提高功率因数。采用了有铁心铁钴合 金的初次级铁芯结构，由于铁钴合金的高饱和点，可充分利用MgB₂超导材料工作磁 场强和铁钴合金饱和点匹配的优点。初级采用多齿结构，可增加磁场变换率，从而增 大有效电压，弥补波浪直驱低速时输出电压不高的缺点；采用不等距齿排列，次级端 部齿距离小于次级中间齿距，直线电机在波浪驱动下，在端部运动速度减小，因此， 通过减小端部齿距可增大运动至端部时磁场变化率从而增大电机发出电压频率和幅 值。采用1∶3(第一次级段)，1∶1.5(第二次级段)和1∶1(第三次级段)的比例，可 以实现电机输出电压三相电压相差120°相角。完全采用了模块化结构，模块间完全 机械结构和冷却单元独立。可分别独立冷却，降低了冷却难度，而且有利于安装和运 输。

附图说明

图1是初级励磁全超导直线发电机的剖面图。

图2是初级励磁全超导直线发电机的单个模块示意图。

图3是初级励磁全超导直线发电机的初级电枢冷却杜瓦图。

图4是初级励磁全超导直线发电机的次级结构图。

图中：1.初级铁芯，2.次级铁芯，3.电枢绕组冷却杜瓦，4.励磁绕组冷却杜瓦，5. 初级励磁绕组，6.初级电枢绕组，7.励磁绕组支架，8.励磁绕组杜瓦冷气输入管，9. 励磁绕组杜瓦冷气输出管，10.电枢绕组杜瓦冷气输入口，11.电枢绕组杜瓦冷气输出 口，12.电枢绕组杜瓦间冷气传输管，13.第一次级段，14.第二次级段，15.第三次级段。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

下面结合图1-图4说明本实施方式。本实施方式包括初级和次级。初级由初级铁 芯1、初级励磁绕组5、初级电枢绕组6、励磁绕组冷却杜瓦4、电枢绕组冷却杜瓦5 和励磁绕组支架7组成。次级采用不同齿槽比的次级段13、14和15组成，为实现次 级运动次级槽内填充环氧树脂。初级和次级铁芯采用铁钴合金以提高电机铁芯的磁饱 和点。励磁绕组采用励磁绕组支架7支撑，支架外部的励磁绕组和支架内的励磁绕组 5，采用饼型绕组结构，绕组内电流为方向相反的直流电流，以形成弧形闭合磁路。 同一励磁绕组支架下的初级为一独立初级模块(如图2)。励磁绕组杜瓦4通过励磁绕 组杜瓦冷气输入口8输入制冷剂，通过励磁绕组杜瓦冷气输出管9进行冷却循环。电 枢绕组封闭于电枢电枢绕组冷却杜瓦3中，通过电枢绕组杜瓦冷气输入口10、电枢绕 组中间过渡管12，电枢绕组杜瓦冷气输出口11和电枢绕组冷却杜瓦3实现电枢绕组 制冷循环。

相邻两个定子单元的间距为(5N+1+2/3)τ-D，其中，D为定子单元在直线排 列方向上的长度，N为奇数，优选的，这一间距为(6+2/3)τ-D，第1个模块和第4 个初级模块共同组成一相绕组，相邻初级模块间励磁绕组方向相反，即支架外励磁电 枢电流方向和临近绕支架内励磁电枢电流方向相同。同一定子单元中两个初级铁芯1 的间距为(M±1/2)τ-d，其中d为初级铁芯1在直线排列方向上的长度，M为整数。 同一初级U型铁芯电枢绕组方向相反。

本发明的优选实施例中，次级采用不同次级段组成，不同段的齿宽相同，其齿宽 与初级齿宽相等。第一次级段13的齿槽比，即齿宽与槽宽的比值为1∶3，第二次级段 14的齿槽比为1∶1.5，第三次级段15的齿槽比为1∶1。通过边端齿的极距变化提高运 动到两端时的电压。此时可获得相同速度下的三段电压比为1∶1.6∶2。各相电压相位差 为120°，实现了三相对称。可改善电机在实际波浪驱动下时两端时电压急剧下降的现 象，提高电机输出性能。

以上实施方法适用于双边扁平直线电机或单边扁平直线电机。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对 本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。