浮子—電機一體式動圈式永磁直線海浪發電機

王慧 陳志豪 黃浩恩 馮潤貴 劉敏聰 嚴謹 陳春雷

摘? ?要：針對目前的海浪能直線永磁電機動子與定子的結構設計對發電特性以及產生的電能的質量的影響問題，文章研究了一種發電效率相對較高的動圈式永磁直線海浪發電機。該直線發電機采用動圈式結構，定子設計為整距單層分數槽繞組，不僅定子凹槽利用率高，且產生的電動勢波形較接近正弦波。與傳統的波浪能發電裝置相比，該裝置具有機械結構簡單、中間能量轉化級數少的優點，有效地提高了波浪能的利用率。

關鍵詞：動圈式永磁直線波浪發電機;波浪發電機結構設計;波浪發電;海浪能

隨著人類數量的增長，地球能源逐漸減少。根據資料顯示，21世紀末，地球的能源將會枯竭，開發新能源迫在眉睫。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。據估算，全球波浪能的理論儲量可達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電裝置進行研發的國家是法國，后來英國、挪威、印度、日本、美國、葡萄牙等國相繼跟進[2]。

根據能量轉化的方式，波浪能發電裝置可分為振蕩水柱式、振蕩浮子式、越浪式、點吸收式、鴨式、擺式等幾種形式。根據安裝的位置，波浪能發電裝置可分為岸式和離岸式。根據固定的方式，波浪能發電裝置可分為固定式和漂浮式。根據能量轉換中間級數，又可分為兩大類：第一類是對波浪進行二級利用，將波浪進行聚波處理，直接進行發電。第二類是將波浪能進行三級利用，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電裝置到現在已經歷時多年，研究該方向發電的學者和公司也有很多。目前世界上的海浪能發電機多數為永磁型發電結構，分為通過傳動裝置、驅動直線運動進而發電的直線式發電機，以及通過轉換裝置將直線運動轉化為旋轉運動的旋轉發電機。旋轉發電機都有較為復雜的機械結構，能量在傳遞的過程中大量損耗，直接導致轉化率較低。直線式發電機直接利用直線運動驅使發電，中間級數少，發電效率高。直線式發電機根據自身結構可分為圓筒型直線發電機和扁平式直線發電機。與扁平式直線發電機相比，圓筒型直線發電機沒有橫向邊端效應，可提高功率因數[4]。

本文針對海浪能的波動特性，設計出一種新型的海浪發電裝置—浮子—電機一體式動圈式永磁直線海浪發電機。該裝置在工作的過程中，通過簡單的機械結構，利用海浪的波動特性，使定子相對于轉子運動，導致定子中的電樞繞組切割磁感線產生感應電動勢，即實現了波浪能—機械能—電能的轉換過程。由于機械結構的簡單性，該裝置很大程度上減少了能量轉換過程中的能量損耗，因此，該裝置能有效提高波浪能的轉化率。除此之外，該裝置結構簡單且在水里運動的部件少，有利于簡化安裝工序及減小維修難度。

1? ? 海浪發電機結構設計

目前常見的海浪發電機通常都是由三級轉化結構構成，即波浪能—某種形式的機械能—另一種形式的機械能—電能。由于能級轉化的中間級數較多，因此轉化過程中損耗的能量也將越多，機械結構復雜，損耗機械能較大[5]。為了解決這些問題，最核心的思想是把復雜的傳動結構簡化，由此提出了將波浪特性與直線電機相結合的思想，實現把傳動結構簡化的目的。為了實現這一目的，本文設計了一種浮子—電機一體式海浪發電裝置，整體結構如圖1所示。該發電裝置由3部分組成，分別是機械結構、定子結構、動子結構。

1.1? 機械結構

機械結構由浮子、上夾板、下夾板、重物，中心桿，浮子6部分組成。根據波浪理論可畫出海浪運動軌跡如圖2所示。海浪既有縱波，也有橫波。浮子在海浪的帶動下，運動軌跡將與海面的水質點相同，近似看作一圓周。海浪的振幅大概與運動軌跡的半徑相等。經過精密地調整后，中心桿、重物以及永磁體的密度略輕于海水的密度。

當整個結構隨著波浪運動時，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，從而提高發電效率。同時，若海浪過大，發電裝置將面臨重心過高而導致傾斜并翻轉。重物需有質量大，體積大的要求。如此一來，便可使其重心降低，大大增強對海浪的抗性。

1.2? 定子、動子結構

目前，發電機的繞組形式可按繞組層數、每極每相槽數和節距大小區分。按繞組層數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。按每極每相槽數可分為分數槽繞組和整數槽繞組。分數槽繞組可削減高次諧波電勢。此外，分數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電機的定子結構采用整距的單層分數槽繞組，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，充磁方向為徑向充磁。動子結構如圖3所示，由3塊汝鐵硼永磁體構成。

2? ? 工作原理分析

2.1? 裝置發電原理

根據電磁感應定律可知，當閉合線圈的面積不變時，改變磁場強度，通過閉合線圈的磁通量也發生改變，使得導體中產生感應電動勢。根據這一原理，設計出本文介紹的動圈式永磁直線發電機[8]。

中心桿固定的重物經過精密地調整重量后，中心桿、重物以及永磁體組成的系統（動子整體）密度略輕于海水密度。此時，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動，導致定子內部的磁通量發生了變化，產生了感應電動勢E。電動勢E與Φ的關系方程為：

由于一個周期內，速度的變化是較緩慢。因此，可以認為定子以恒定的速度v做勻速直線運動，則ds=vdt。由電動勢E與Φ的關系方程兩邊同時除以v可得：

將ds=vdt代入，可得出感應電動勢E與位移S的關系：

2.2? 三相橋式整流原理

由于波浪的運動特性較不穩定，發電機產生的三相電動勢諧波較多，產生的電能質量較差，一旦供給電力設備，可能使得該電力設備壽命大幅度縮短，損害較為嚴重。一些對電能質量要求較高的用電設備也無法運行，而且對整個電力系統的運行也有所危害。

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，對發電機產生的三相電壓進行整流濾波，即將交流電源轉化為較穩定的直流電源[9]。利用二極管的單向導通性，對產生的交流電進行整流，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行濾波，采用多個濾波電容并聯濾波，可輸出更為穩定的直流電壓。

Ea，Eb，Ec為發電機產生的三相電動勢，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為負載電阻。

2.3? 效率分析

海浪的運動波形可以看作是水面周期性的上下波動運動，并且向岸邊沖擊的現象。波浪看似正弦波形，實際上海浪的運動波形是不規則的，海浪的波形毛刺較多，且波峰近似于尖頂形狀，每一個波浪周期波峰與波谷的差值H也不相同，分析以及計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。在多個波浪周期下記錄H值，求得平均值，將其等效為每一個波浪周期的H值，進而求出波浪能。這是理想狀態下波浪能的分析方法，臺風天氣等異常環境狀況除外。根據波浪理論可畫出理想狀態下海浪的運動軌跡（見圖5）。

經分析，波浪能由縱向勢能和橫向動能組成。由Kinsman公式結合理想狀態下的波浪運動特性，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，若負載為R，則輸出電流為IR。輸出功率P1與負載R以及輸出電流IR的關系方程：

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

3? ? 結語

本文研究直線運動波浪發電機的結構、發電原理以及吸收波浪能的機械結構，通過簡易的傳動裝置，該裝置中間級數少，利用二級能源轉化，實現波浪能轉化為機械能，帶動動子切割定子繞組進而產生電動勢。分析波浪運動帶動浮子運動過程中，發電機動子位移與其產生的電動勢的關系。通過三相橋式整流電路，將所產生的不穩定的交流電轉化為穩定輸出的直流電，很大程度上減少了對電力設備的損壞。同時，該裝置可以為海上浮標供電以及水下機器人等海上作業裝置連續性供電，因此，整個裝置在應用性方面具有很大的發展前景，在未來的波浪能發電領域內也具有很大的推廣和應用價值。

基金項目：海洋漁業設施裝備研究中心項目;項目編號：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