- 頭條用于波浪發電裝置的永磁陣列直線電機：短行程、輸出效率高2019-07-19 作者：張靜、余海濤等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語金陵科技學院機電工程學院、東南大學伺服控制技術教育部工程研究中心的研究人員張靜、余海濤等，在2018年第19期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“一種波浪發電裝置用低速雙動子永磁直線電機運行機理研究”），提出了一種用于直驅式波浪發電裝置的短行程、低速、雙動子雙側Halbach永磁陣列直線電機。研究該電機的運行機理及電磁特性，通過優化電機永磁體結構提高電機磁能密度及發電效率，降低電機磁阻力。首先，根據電機的電磁負荷、運動行程和平均速度，給出電機模型的初始設計結構和參數，采用磁場分析法輔助有限元法分析電機電磁特性，驗證電機模型的正確性。其次，對Halbach永磁陣列拓撲結構及其磁場分布進行計算與分析，研究電機徑向磁通密度增強原理與電機軸向磁通密度抵消原理，對電機雙側Halbach永磁結構進行優化，提高電機磁能密度及輸出電壓幅值，降低電機軸向磁阻力，減少電機低速運行過程中的振動；研究電機在恒速及正弦速度下的電動勢曲線，并計算電機的輸出效率。最后，采用一臺圓筒形永磁直線電機驗證在不同波浪參數下的輸出電壓曲線。分析與計算結果表明雙動子雙側Halbach永磁陣列直線電機較其他類型電機具有磁能密度高、磁阻力波動小及輸出效率高的優勢。
海洋波浪能源取之不盡，用之不竭，且是可再生的清潔能源。開發和利用海洋波浪能對緩解能源危機和環境污染問題具有重要的意義。從20世紀70年代世界范圍內的能源危機開始，國內外學者便開始對波浪能發電技術進行相關的理論和應用研究，并建立了波浪發電站。20世紀80年代，英國、葡萄牙、荷蘭、丹麥和印度等國家積極開展了大型波浪發電系統的研究。
與風能等新能源發電不同，我國開始波浪發電研究相對較晚，且主要集中在小型波浪發電裝置研究上。中國科學院廣州能源所、國家海洋局等機構相繼開展了波浪發電技術研究，中國海洋大學史宏達教授課題組對振蕩水柱式波浪發電模型進行了數值計算與分析。
當前根據能量轉換過程采用海洋波浪能進行發電的裝置結構主要分為兩種類型，即直驅式波浪發電系統和三級能量轉換式波浪發電系統。其中三級能量轉換式波浪發電系統是通過第一級能量轉換機構進行波浪能的俘獲；然后再通過第二級能量轉換機構將上一級俘獲的能量轉換成機械能（如采用水力透平、空氣透平、液壓電動機、齒輪增速機構等）；最后通過第三級能量轉換機構（如旋轉發電機等）將機械能轉換成電能。
直驅波浪發電技術是利用直線電機將波浪能直接轉換成電能的一種發電技術，因省略中間的能量轉換裝置使波浪能與電能之間的轉換效率明顯提升。永磁直線電機具有結構簡單、能量轉換效率高、推力密度大等優點，已廣泛應用于工業自動化領域，采用永磁直線電機的直驅式波浪發電裝置也引起了國內外科學研究的重視。
20世紀90年代，荷蘭學者將永磁直線電機應用到阿基米德式（Archimedes Wave Swing, AWS）波浪發電系統中，使得整個發電裝置結構更加簡單，因此提高了發電系統穩定性。由此可見，直驅式波浪發電系統減少了中間傳動機構，結構更加簡單，轉換效率更高，是波浪能發電系統的主要發展方向之一。
目前已經有多種結構的新型直線電機應用于波浪發電裝置中，即將傳統的直線進行改進，如新型的磁阻電機、磁通切換永磁直線電機、永磁同步電機等。英國科學家M. A. Mueller對波浪發電用永磁直線電機進行了研究，采用空心繞組和無鐵心結構降低了電機的磁阻力，采用模塊化結構提高電機的輸出功率。
美國學者D. M. Joseph提出了浮標式直驅波浪發電裝置，將圓筒形永磁直線電機安裝于浮子內，利用波浪起伏運動進行發電，并研究了電機的空載特性和負載特性。但該類型直線電機也存在一些需要改進之處：首先，這些直線電機需要與直驅波浪發電裝置相配合設計，且體積較大，功率密度低，輸出電能中存在較高的諧波含量；其次，永磁直線電機的初級鐵心與次級永磁體之間存在較大的磁阻力，影響電機運動的平穩性；最后，我國海域的波浪能量密度低、波速較低且不規則，對波浪發電用直線電機的低速特性要求較高。
本文針對近海岸或孤島周邊的波浪能量密度低、波高較小、波長較長的情況，提出了應用于直驅式波浪發電裝置的低速雙動子永磁直線電機。該電機具有直線運動行程短、磁能密度高、磁阻力波動小、輸出電能質量高等特點。
由于利用Halbach永磁陣列結構的單側聚磁特點，并優化電機的雙動子與雙側永磁體結構，提高電機單位體積的磁能密度。因此，在短行程、低速運行下可以提高電機輸出效率，降低電機用料成本。此外，該電機采用雙側永磁體結構及圓筒式對稱結構，故增強了氣隙徑向磁通密度及輸出電壓，減小了氣隙軸向磁通密度及電機軸向與徑向的磁阻力。
首先，對低速雙動子直線電機進行初步設計。結合直線電機與永磁電機的設計方法，根據電機的電磁負荷、運動行程和速度，給出電機的初步設計參數；建立電機的三維電磁場模型，根據磁場分析法對電機電磁場進行數值計算，并采用有限元分析方法驗證設計電機模型的正確性及磁場計算的準確性。
其次，對電機的雙側永磁結構進行結構參數優化，使得氣隙磁場磁通密度徑向分量增強，提高氣隙磁能密度和磁場正弦性；使氣隙磁場磁通密度軸向分量減弱或抵消，減少電機軸向磁阻力波動；分析電機的空載特性和負載特性，降低電機內阻，提高電機發電效率。
最后，應用同種結構的單側Halbach結構的單動子圓筒形永磁直線電機樣機進行實驗：對電機進行恒速和變速實驗，驗證電機模型的正確性；配合直驅波浪發電裝置進行波浪變速實驗，優化電機結構，提高電機效率和輸出電能質量。
圖1 雙動子直線電機三維模型
圖12 實驗樣機結構
圖13 波浪發電實驗平臺
結論
本文提出一種用于直驅式波浪發電裝置的圓筒形低速雙動子永磁直線電機，分別采用磁場分析法和軸對稱的瞬態有限元法對電機的靜態和動態電磁性能進行分析，對電機在空載和負載情況下的輸出電壓進行分析，并計算出該電機的輸出效率。分析與計算結果表明：
1）采用雙側Halbach結構的雙動子永磁直線電機可以提高電機徑向磁通密度。通過優化雙動子與雙側永磁體結構，可以有效提高電機單位體積的磁能密度。
2）采用雙側Halbach結構的雙動子永磁直線電機可以降低電機軸向磁通密度，進而減少電機磁阻力波動。
3）優化該電機結構，可以在短行程、低速運行下提高電機輸出效率，降低電機制造成本，提高波浪發電裝置的能量轉換效率。
4）通過與單側Halhach結構的單動子永磁直線電機的對比分析以及實驗結果表明，雙側Halhach結構的雙動子永磁直線電機在小型低速波浪發電領域或類似用途的領域具有一定的應用前景。
