浮子—电机一体式动圈式永磁直线海浪发电机

王慧 陈志豪 黄浩恩 冯润贵 刘敏聪 严谨 陈春雷

摘   要：针对目前的海浪能直线永磁电机动子与定子的结构设计对发电特性以及产生的电能的质量的影响问题，文章研究了一种发电效率相对较高的动圈式永磁直线海浪发电机。该直线发电机采用动圈式结构，定子设计为整距单层分数槽绕组，不仅定子凹槽利用率高，且产生的电动势波形较接近正弦波。与传统的波浪能发电装置相比，该装置具有机械结构简单、中间能量转化级数少的优点，有效地提高了波浪能的利用率。

关键词：动圈式永磁直线波浪发电机;波浪发电机结构设计;波浪發电;海浪能

随着人类数量的增长，地球能源逐渐减少。根据资料显示，21世纪末，地球的能源将会枯竭，开发新能源迫在眉睫。海洋能源是一种清洁的可再生能源，不仅分布广泛且存储能量巨大。据估算，全球波浪能的理论储量可达100 GW[1]。因此，世界各国将目光投射到海洋里面储量最丰富的可再生能源—波浪能。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[2]。

根据能量转化的方式，波浪能发电装置可分为振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式、点吸收式、鸭式、摆式等几种形式。根据安装的位置，波浪能发电装置可分为岸式和离岸式。根据固定的方式，波浪能发电装置可分为固定式和漂浮式。根据能量转换中间级数，又可分为两大类：第一类是对波浪进行二级利用，将波浪进行聚波处理，直接进行发电。第二类是将波浪能进行三级利用，将波浪的能量通过液压等方式传递[3]。

自开始研究海浪能发电装置到现在已经历时多年，研究该方向发电的学者和公司也有很多。目前世界上的海浪能发电机多数为永磁型发电结构，分为通过传动装置、驱动直线运动进而发电的直线式发电机，以及通过转换装置将直线运动转化为旋转运动的旋转发电机。旋转发电机都有较为复杂的机械结构，能量在传递的过程中大量损耗，直接导致转化率较低。直线式发电机直接利用直线运动驱使发电，中间级数少，发电效率高。直线式发电机根据自身结构可分为圆筒型直线发电机和扁平式直线发电机。与扁平式直线发电机相比，圆筒型直线发电机没有横向边端效应，可提高功率因数[4]。

本文针对海浪能的波动特性，设计出一种新型的海浪发电装置—浮子—电机一体式动圈式永磁直线海浪发电机。该装置在工作的过程中，通过简单的机械结构，利用海浪的波动特性，使定子相对于转子运动，导致定子中的电枢绕组切割磁感线产生感应电动势，即实现了波浪能—机械能—电能的转换过程。由于机械结构的简单性，该装置很大程度上减少了能量转换过程中的能量损耗，因此，该装置能有效提高波浪能的转化率。除此之外，该装置结构简单且在水里运动的部件少，有利于简化安装工序及减小维修难度。

1    海浪发电机结构设计

目前常见的海浪发电机通常都是由三级转化结构构成，即波浪能—某种形式的机械能—另一种形式的机械能—电能。由于能级转化的中间级数较多，因此转化过程中损耗的能量也将越多，机械结构复杂，损耗机械能较大[5]。为了解决这些问题，最核心的思想是把复杂的传动结构简化，由此提出了将波浪特性与直线电机相结合的思想，实现把传动结构简化的目的。为了实现这一目的，本文设计了一种浮子—电机一体式海浪发电装置，整体结构如图1所示。该发电装置由3部分组成，分别是机械结构、定子结构、动子结构。

1.1  机械结构

机械结构由浮子、上夹板、下夹板、重物，中心杆，浮子6部分组成。根据波浪理论可画出海浪运动轨迹如图2所示。海浪既有纵波，也有横波。浮子在海浪的带动下，运动轨迹将与海面的水质点相同，近似看作一圆周。海浪的振幅大概与运动轨迹的半径相等。经过精密地调整后，中心杆、重物以及永磁体的密度略轻于海水的密度。

当整个结构随着波浪运动时，浮子受横波的影响，将会飘摇不定。上下夹板能固定定子偏离原来的位置，从而提高发电效率。同时，若海浪过大，发电装置将面临重心过高而导致倾斜并翻转。重物需有质量大，体积大的要求。如此一来，便可使其重心降低，大大增强对海浪的抗性。

1.2  定子、动子结构

目前，发电机的绕组形式可按绕组层数、每极每相槽数和节距大小区分。按绕组层数可分为单层绕组和双层绕组。与双层绕组对比，单层绕组的定子凹槽利用率较高，只有单层边，无须考虑击穿问题。按每极每相槽数可分为分数槽绕组和整数槽绕组。分数槽绕组可削减高次谐波电势。此外，分数槽绕组也可以改善电动势的波形，得到更加接近于正弦波的电动势[6]。因此，本文研究的动圈式发电机的定子结构采用整距的单层分数槽绕组，剖面如图3所示。定子槽每相绕线5 200匝，由上至下分别为A相，B相，C相。

目前，永磁材料的综合性能最强的是汝铁硼[7]。因此本次研究选用汝铁硼永磁铁作为动子，充磁方向为径向充磁。动子结构如图3所示，由3块汝铁硼永磁体构成。

2    工作原理分析

2.1  装置发电原理

根据电磁感应定律可知，当闭合线圈的面积不变时，改变磁场强度，通过闭合线圈的磁通量也发生改变，使得导体中产生感应电动势。根据这一原理，设计出本文介绍的动圈式永磁直线发电机[8]。

中心杆固定的重物经过精密地调整重量后，中心杆、重物以及永磁体组成的系统（动子整体）密度略轻于海水密度。此时，若以海底为参照物，动子整体是静止。然而，浮子受海浪的影响，相对海面或动子整体是静止不动。永磁体相对于定子上下运动，导致定子内部的磁通量发生了变化，产生了感应电动势E。电动势E与Φ的关系方程为：

由于一个周期内，速度的变化是较缓慢。因此，可以认为定子以恒定的速度v做匀速直线运动，则ds=vdt。由电动势E与Φ的关系方程两边同时除以v可得：

将ds=vdt代入，可得出感应电动势E与位移S的关系：

2.2  三相桥式整流原理

由于波浪的运动特性较不稳定，发电机产生的三相电动势谐波较多，产生的电能质量较差，一旦供给电力设备，可能使得该电力设备寿命大幅度缩短，损害较为严重。一些对电能质量要求较高的用电设备也无法运行，而且对整个电力系统的运行也有所危害。

为了解决以上问题，该装置采用三相桥式整流滤波电路，三相桥式整流電容滤波电路如图4所示，对发电机产生的三相电压进行整流滤波，即将交流电源转化为较稳定的直流电源[9]。利用二极管的单向导通性，对产生的交流电进行整流，输出单一方向的电压。由于电容具有通高频阻低频的工作特性，可利用其特性对整流后的电压进行滤波，采用多个滤波电容并联滤波，可输出更为稳定的直流电压。

Ea，Eb，Ec为发电机产生的三相电动势，Ia，Ib，Ic分别为三相绕组电流，VD1～VD6为二极管，Id为整流后的直流电流，C1，C2，C3为滤波电容，R为负载电阻。

2.3  效率分析

海浪的运动波形可以看作是水面周期性的上下波动运动，并且向岸边冲击的现象。波浪看似正弦波形，实际上海浪的运动波形是不规则的，海浪的波形毛刺较多，且波峰近似于尖顶形状，每一个波浪周期波峰与波谷的差值H也不相同，分析以及计算这样的波浪能比较困难。利用折线逼近法可将其近似等效成正弦波形，等效过程中存在细微误差，但由于海浪中存储着丰富的能源，故此误差可忽略不计。在多个波浪周期下记录H值，求得平均值，将其等效为每一个波浪周期的H值，进而求出波浪能。这是理想状态下波浪能的分析方法，台风天气等异常环境状况除外。根据波浪理论可画出理想状态下海浪的运动轨迹（见图5）。

经分析，波浪能由纵向势能和横向动能组成。由Kinsman公式结合理想状态下的波浪运动特性，可以近似求出总波浪能总海浪能Pw：

式中ρ为海水密度，其值通常设为1.02×103 kg/m3，g为重力加速度，H为波峰与波谷之间的垂直距离，T为波浪周期。

由图4可知，若负载为R，则输出电流为IR。输出功率P1与负载R以及输出电流IR的关系方程：

理想状态下求出波浪的总能量，以及求出发电机的输出功率P1。即可求出该动圈式发电机的效率η：

3    结语

本文研究直线运动波浪发电机的结构、发电原理以及吸收波浪能的机械结构，通过简易的传动装置，该装置中间级数少，利用二级能源转化，实现波浪能转化为机械能，带动动子切割定子绕组进而产生电动势。分析波浪运动带动浮子运动过程中，发电机动子位移与其产生的电动势的关系。通过三相桥式整流电路，将所产生的不稳定的交流电转化为稳定输出的直流电，很大程度上减少了对电力设备的损坏。同时，该装置可以为海上浮标供电以及水下机器人等海上作业装置连续性供电，因此，整个装置在应用性方面具有很大的发展前景，在未来的波浪能发电领域内也具有很大的推广和应用价值。

基金项目：海洋渔业设施装备研究中心项目;项目编号：Q17093。

作者简介：王慧（1963— ），女，湖南长沙人，副教授，硕士;研究方向：电子与通信，光纤传感器。

[参考文献]

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[5]宋保维，丁文俊，毛昭勇.基于波浪能的海洋浮标发电系统[J].机械工程学报，2012（12）：6-8.

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[7]司纪凯，苏鹏，封海潮，等.圆筒永磁直线波浪发电机设计方法与性能分析[J].微特电机，2014（9）：15-19.

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[10]陈春雷.大学物理基础教程[M].北京：中国农业出版社，2014.

Abstract：Aiming at the influence of current rotor wave linear permanent magnet motor mover and stator structure design on power generation characteristics and the quality of generated electric energy. In this paper， we study a moving coil permanent magnet linear generator with better power generation quality. The linear generator adopts a moving coil structure， and the stator is designed as a single-layer fractional slot winding， which effectively improves the power generation quality. Moreover， the power generating device has a simple mechanical structure and a small number of energy conversion stages， and the purpose is to fully utilize wave energy and improve power generation efficiency.

Key words：moving coil permanent magnet linear generator; generator design; wave power generation; wave energy