王慧 陳志豪 黃浩恩 馮潤貴 劉敏聰 嚴(yán)謹(jǐn) 陳春雷

摘? ?要：針對目前的海浪能直線永磁電機(jī)動子與定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對發(fā)電特性以及產(chǎn)生的電能的質(zhì)量的影響問題，文章研究了一種發(fā)電效率相對較高的動圈式永磁直線海浪發(fā)電機(jī)。該直線發(fā)電機(jī)采用動圈式結(jié)構(gòu)，定子設(shè)計(jì)為整距單層分?jǐn)?shù)槽繞組，不僅定子凹槽利用率高，且產(chǎn)生的電動勢波形較接近正弦波。與傳統(tǒng)的波浪能發(fā)電裝置相比，該裝置具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、中間能量轉(zhuǎn)化級數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了波浪能的利用率。

關(guān)鍵詞：動圈式永磁直線波浪發(fā)電機(jī);波浪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);波浪發(fā)電;海浪能

隨著人類數(shù)量的增長，地球能源逐漸減少。根據(jù)資料顯示，21世紀(jì)末，地球的能源將會枯竭，開發(fā)新能源迫在眉睫。海洋能源是一種清潔的可再生能源，不僅分布廣泛且存儲能量巨大。據(jù)估算，全球波浪能的理論儲量可達(dá)100 GW[1]。因此，世界各國將目光投射到海洋里面儲量最豐富的可再生能源—波浪能。世界上最早對波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行研發(fā)的國家是法國，后來英國、挪威、印度、日本、美國、葡萄牙等國相繼跟進(jìn)[2]。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化的方式，波浪能發(fā)電裝置可分為振蕩水柱式、振蕩浮子式、越浪式、點(diǎn)吸收式、鴨式、擺式等幾種形式。根據(jù)安裝的位置，波浪能發(fā)電裝置可分為岸式和離岸式。根據(jù)固定的方式，波浪能發(fā)電裝置可分為固定式和漂浮式。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換中間級數(shù)，又可分為兩大類：第一類是對波浪進(jìn)行二級利用，將波浪進(jìn)行聚波處理，直接進(jìn)行發(fā)電。第二類是將波浪能進(jìn)行三級利用，將波浪的能量通過液壓等方式傳遞[3]。

自開始研究海浪能發(fā)電裝置到現(xiàn)在已經(jīng)歷時(shí)多年，研究該方向發(fā)電的學(xué)者和公司也有很多。目前世界上的海浪能發(fā)電機(jī)多數(shù)為永磁型發(fā)電結(jié)構(gòu)，分為通過傳動裝置、驅(qū)動直線運(yùn)動進(jìn)而發(fā)電的直線式發(fā)電機(jī)，以及通過轉(zhuǎn)換裝置將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)都有較為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能量在傳遞的過程中大量損耗，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率較低。直線式發(fā)電機(jī)直接利用直線運(yùn)動驅(qū)使發(fā)電，中間級數(shù)少，發(fā)電效率高。直線式發(fā)電機(jī)根據(jù)自身結(jié)構(gòu)可分為圓筒型直線發(fā)電機(jī)和扁平式直線發(fā)電機(jī)。與扁平式直線發(fā)電機(jī)相比，圓筒型直線發(fā)電機(jī)沒有橫向邊端效應(yīng)，可提高功率因數(shù)[4]。

本文針對海浪能的波動特性，設(shè)計(jì)出一種新型的海浪發(fā)電裝置—浮子—電機(jī)一體式動圈式永磁直線海浪發(fā)電機(jī)。該裝置在工作的過程中，通過簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用海浪的波動特性，使定子相對于轉(zhuǎn)子運(yùn)動，導(dǎo)致定子中的電樞繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即實(shí)現(xiàn)了波浪能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)換過程。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡單性，該裝置很大程度上減少了能量轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗，因此，該裝置能有效提高波浪能的轉(zhuǎn)化率。除此之外，該裝置結(jié)構(gòu)簡單且在水里運(yùn)動的部件少，有利于簡化安裝工序及減小維修難度。

1? ? 海浪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前常見的海浪發(fā)電機(jī)通常都是由三級轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即波浪能—某種形式的機(jī)械能—另一種形式的機(jī)械能—電能。由于能級轉(zhuǎn)化的中間級數(shù)較多，因此轉(zhuǎn)化過程中損耗的能量也將越多，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損耗機(jī)械能較大[5]。為了解決這些問題，最核心的思想是把復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)簡化，由此提出了將波浪特性與直線電機(jī)相結(jié)合的思想，實(shí)現(xiàn)把傳動結(jié)構(gòu)簡化的目的。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本文設(shè)計(jì)了一種浮子—電機(jī)一體式海浪發(fā)電裝置，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該發(fā)電裝置由3部分組成，分別是機(jī)械結(jié)構(gòu)、定子結(jié)構(gòu)、動子結(jié)構(gòu)。

1.1? 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)由浮子、上夾板、下夾板、重物，中心桿，浮子6部分組成。根據(jù)波浪理論可畫出海浪運(yùn)動軌跡如圖2所示。海浪既有縱波，也有橫波。浮子在海浪的帶動下，運(yùn)動軌跡將與海面的水質(zhì)點(diǎn)相同，近似看作一圓周。海浪的振幅大概與運(yùn)動軌跡的半徑相等。經(jīng)過精密地調(diào)整后，中心桿、重物以及永磁體的密度略輕于海水的密度。

當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)隨著波浪運(yùn)動時(shí)，浮子受橫波的影響，將會飄搖不定。上下夾板能固定定子偏離原來的位置，從而提高發(fā)電效率。同時(shí)，若海浪過大，發(fā)電裝置將面臨重心過高而導(dǎo)致傾斜并翻轉(zhuǎn)。重物需有質(zhì)量大，體積大的要求。如此一來，便可使其重心降低，大大增強(qiáng)對海浪的抗性。

1.2? 定子、動子結(jié)構(gòu)

目前，發(fā)電機(jī)的繞組形式可按繞組層數(shù)、每極每相槽數(shù)和節(jié)距大小區(qū)分。按繞組層數(shù)可分為單層繞組和雙層繞組。與雙層繞組對比，單層繞組的定子凹槽利用率較高，只有單層邊，無須考慮擊穿問題。按每極每相槽數(shù)可分為分?jǐn)?shù)槽繞組和整數(shù)槽繞組。分?jǐn)?shù)槽繞組可削減高次諧波電勢。此外，分?jǐn)?shù)槽繞組也可以改善電動勢的波形，得到更加接近于正弦波的電動勢[6]。因此，本文研究的動圈式發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)采用整距的單層分?jǐn)?shù)槽繞組，剖面如圖3所示。定子槽每相繞線5 200匝，由上至下分別為A相，B相，C相。

目前，永磁材料的綜合性能最強(qiáng)的是汝鐵硼[7]。因此本次研究選用汝鐵硼永磁鐵作為動子，充磁方向?yàn)閺较虺浯?。動子結(jié)構(gòu)如圖3所示，由3塊汝鐵硼永磁體構(gòu)成。

2? ? 工作原理分析

2.1? 裝置發(fā)電原理

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)閉合線圈的面積不變時(shí)，改變磁場強(qiáng)度，通過閉合線圈的磁通量也發(fā)生改變，使得導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)這一原理，設(shè)計(jì)出本文介紹的動圈式永磁直線發(fā)電機(jī)[8]。

中心桿固定的重物經(jīng)過精密地調(diào)整重量后，中心桿、重物以及永磁體組成的系統(tǒng)（動子整體）密度略輕于海水密度。此時(shí)，若以海底為參照物，動子整體是靜止。然而，浮子受海浪的影響，相對海面或動子整體是靜止不動。永磁體相對于定子上下運(yùn)動，導(dǎo)致定子內(nèi)部的磁通量發(fā)生了變化，產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢E。電動勢E與Φ的關(guān)系方程為：

由于一個(gè)周期內(nèi)，速度的變化是較緩慢。因此，可以認(rèn)為定子以恒定的速度v做勻速直線運(yùn)動，則ds=vdt。由電動勢E與Φ的關(guān)系方程兩邊同時(shí)除以v可得：

將ds=vdt代入，可得出感應(yīng)電動勢E與位移S的關(guān)系：

2.2? 三相橋式整流原理

由于波浪的運(yùn)動特性較不穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相電動勢諧波較多，產(chǎn)生的電能質(zhì)量較差，一旦供給電力設(shè)備，可能使得該電力設(shè)備壽命大幅度縮短，損害較為嚴(yán)重。一些對電能質(zhì)量要求較高的用電設(shè)備也無法運(yùn)行，而且對整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行也有所危害。

為了解決以上問題，該裝置采用三相橋式整流濾波電路，三相橋式整流電容濾波電路如圖4所示，對發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相電壓進(jìn)行整流濾波，即將交流電源轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的直流電源[9]。利用二極管的單向?qū)ㄐ裕瑢Ξa(chǎn)生的交流電進(jìn)行整流，輸出單一方向的電壓。由于電容具有通高頻阻低頻的工作特性，可利用其特性對整流后的電壓進(jìn)行濾波，采用多個(gè)濾波電容并聯(lián)濾波，可輸出更為穩(wěn)定的直流電壓。

Ea，Eb，Ec為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相電動勢，Ia，Ib，Ic分別為三相繞組電流，VD1～VD6為二極管，Id為整流后的直流電流，C1，C2，C3為濾波電容，R為負(fù)載電阻。

2.3? 效率分析

海浪的運(yùn)動波形可以看作是水面周期性的上下波動運(yùn)動，并且向岸邊沖擊的現(xiàn)象。波浪看似正弦波形，實(shí)際上海浪的運(yùn)動波形是不規(guī)則的，海浪的波形毛刺較多，且波峰近似于尖頂形狀，每一個(gè)波浪周期波峰與波谷的差值H也不相同，分析以及計(jì)算這樣的波浪能比較困難。利用折線逼近法可將其近似等效成正弦波形，等效過程中存在細(xì)微誤差，但由于海浪中存儲著豐富的能源，故此誤差可忽略不計(jì)。在多個(gè)波浪周期下記錄H值，求得平均值，將其等效為每一個(gè)波浪周期的H值，進(jìn)而求出波浪能。這是理想狀態(tài)下波浪能的分析方法，臺風(fēng)天氣等異常環(huán)境狀況除外。根據(jù)波浪理論可畫出理想狀態(tài)下海浪的運(yùn)動軌跡（見圖5）。

經(jīng)分析，波浪能由縱向勢能和橫向動能組成。由Kinsman公式結(jié)合理想狀態(tài)下的波浪運(yùn)動特性，可以近似求出總波浪能總海浪能Pw：

式中ρ為海水密度，其值通常設(shè)為1.02×103 kg/m3，g為重力加速度，H為波峰與波谷之間的垂直距離，T為波浪周期。

由圖4可知，若負(fù)載為R，則輸出電流為IR。輸出功率P1與負(fù)載R以及輸出電流IR的關(guān)系方程：

理想狀態(tài)下求出波浪的總能量，以及求出發(fā)電機(jī)的輸出功率P1。即可求出該動圈式發(fā)電機(jī)的效率η：

3? ? 結(jié)語

本文研究直線運(yùn)動波浪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、發(fā)電原理以及吸收波浪能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過簡易的傳動裝置，該裝置中間級數(shù)少，利用二級能源轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動動子切割定子繞組進(jìn)而產(chǎn)生電動勢。分析波浪運(yùn)動帶動浮子運(yùn)動過程中，發(fā)電機(jī)動子位移與其產(chǎn)生的電動勢的關(guān)系。通過三相橋式整流電路，將所產(chǎn)生的不穩(wěn)定的交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定輸出的直流電，很大程度上減少了對電力設(shè)備的損壞。同時(shí)，該裝置可以為海上浮標(biāo)供電以及水下機(jī)器人等海上作業(yè)裝置連續(xù)性供電，因此，整個(gè)裝置在應(yīng)用性方面具有很大的發(fā)展前景，在未來的波浪能發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)也具有很大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

基金項(xiàng)目：海洋漁業(yè)設(shè)施裝備研究中心項(xiàng)目;項(xiàng)目編號：Q17093。

作者簡介：王慧（1963— ），女，湖南長沙人，副教授，碩士;研究方向：電子與通信，光纖傳感器。

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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