[发明专利]一种基于磁齿轮增速效应的波浪发电系统及其设计方法

权利要求书

1.一种基于磁齿轮增速效应的波浪发电系统，其特征在于：包括圆筒型直线电机、外浮筒和内浮筒，圆筒型直线电机包括初级和次级，初级和次级之间形成气隙，外浮筒套接于初级外，内浮筒设于次级的上方，且与次级之间刚性连接；通过调节外浮筒的配重，使其振动频率和运动速度均接近或等于海洋波浪的振动频率和运动速度；通过调整内浮筒的吃水深度，使其振荡周期远离海洋波浪的振荡周期，且内浮筒的底部安装有能使其在海洋内保持静止的阻尼盘；内浮筒的下端通过连接件与海底固定，在海洋波浪的起伏中，内浮筒和外浮筒之间形成了相对速度差和位移差，圆筒型直线电机的初级与次级之间也形成了相对速度差和位移差，次级的次级绕组切割磁场线，感应出电动势产生电能，电能通过AC-DC电路先转化成直流电压，再通过DC-AC

电路逆变成工频电源输送到海洋微电网内；

内浮筒的下端通过铰链与置于海底的定位石连接；

内浮筒的内部底端设有配重块，且配重块上方设置有微调仓；

外浮筒内设有若干密闭腔室，密闭腔室包括整流仓、逆变仓、通讯仓和配重仓；

内浮筒通过连杆与次级刚性连接；

圆筒型直线电机的初级包括永磁体和背铁；

圆筒型直线电机的次级包括次级铁芯和初级绕组，次级绕组缠绕在次级铁芯的齿槽内；

求解区域根据是否有等效电流存在被分为：永磁体区域，气隙区域和齿槽区域。

2.根据权利要求1所述的基于磁齿轮增速效应的波浪发电系统的设计方法，其特征在于：基于磁齿轮增速效应的波浪发电系统涉及流体动力学、电磁场理论和最优能量转化理论，其设计方法包括洋面速度计算模型、单双浮筒激振力计算模型、浮筒震荡速度计算模型和磁齿轮增速效应电机磁场计算模型；

所述洋面速度计算模型用于对海洋波浪的速度和周期进行分析计算；

所述单双浮筒激振力计算模型用于对不同形状的外浮筒和内浮筒在不同波速下的波浪激振力进行计算；

所述浮筒震荡速度计算模型用于对外浮筒和内浮筒在海洋波浪作用下的振荡速度进行计算；

所述磁齿轮增速效应电机磁场计算模型对圆筒型直线电机的磁场分布进行预测和计算，同时对圆筒型直线电机的电磁性能初步核算；

圆筒型直线电机的初级包括永磁体和背铁；圆筒型直线电机的次级包括次级铁芯和次级绕组，次级绕组缠绕在次级铁芯的齿槽内；求解区域根据是否有等效电流存在被分为：永磁体区域，气隙区域和齿槽区域，在三个区域内具有不同的控制方程和边界条件，分为泊松方程或者拉普拉斯方程，通过代入不同的边界条件来对控制方程求解，确定在不同的求解区域内的磁场分布；

所述洋面速度计算模型采用线性模型，并且在频域内进行计算，根据势能理论得到波浪速度势，分别对其在位置变量和水深变量方向求偏导，即可得到海洋波浪任意水质点的水平速度和垂直速度；

所述单双浮筒激振力计算模型着重从垂荡方向对外浮筒和内浮筒的受力进行分析，受力包括衍射力，垂直波浪力、垂直辐射力，垂直附加质量和阻尼系数计算；

所述浮筒震荡速度计算模型是在波浪在外浮筒和内浮筒上各种作用力的合成表现，通过牛顿定理推导出浮筒的加速度，然后在频域内积分得到其速度和位移；

所述磁齿轮增速效应电机磁场计算模型是对圆筒型直线电机的磁场进行解析，通过麦克斯韦方程组在二维空间内对电机内电磁场的分布进行预测，然后采用傅里叶算法对磁场谐波分解，证明其磁场加速的运行机理，同时在磁场计算精确的条件下对电机的发电性能初步校验；

包括以下步骤：

步骤一、对外浮筒和内浮筒的水动力特性进行分析和设计；这个阶段包括洋面速度计算模型、单双浮筒激振力计算模型和浮筒震荡速度计算模型；应用频域分析法，设线性正弦波浪波面方程描述为：

式中，为波浪瞬时高度，符号“∧”表示频域模式，x是波面位置，t是时间变量，是波面的复振幅，k＝2π/L是波面的波数，L为波浪的波长，ω＝2π/T是波浪的频率，T是波浪的周期；

波浪速度势的表达式为：

式中，z是频率变量，是波浪速度势；

分别对其在x，z方方向求二次偏导：

带入拉普拉斯可得：

通解为：

式中，是通解系数；

由边界条件可得：

式中，H是海洋面高度，

速度势求解：

式中，g为重力加速度，

对速度势在不同方向求偏导，得到线性波浪任意水质点的水平速度和垂直速度；

所述单双浮筒激振力计算模型对作为主要波浪能量转化装置的外浮筒的激振力进行初步的估计，计算出不同波速下对外浮筒在垂直方向的激振力，为下面的浮筒震荡速度计算模型建立基础：

作用在外浮筒底面积的垂直波浪力为：

其中：为压强的复频域表达式，n₁是积分面的垂直法向量，S是压强在浮筒上的有效作用面积；

外浮筒除了受到垂直波浪力的作用之外，还要受到衍射力的作用；根据波浪流体力学的势能理论，并设衍射速度势为则外浮筒受到的垂直方向衍射力为：

式中，i是虚数单位，ρ是海水密度，

因此，外浮筒在固定的情况下所受到的垂直方向力为：

对于自由漂浮在波浪中的外浮筒，在垂直方向力的作用下，将会发生垂直方向的往复运动；外浮筒在垂直方向的往复运动过程中，会使其周围波浪发生辐射现象；因此，自由漂浮的外浮筒除了受到垂直方向力的作用之外，还会受到由于外浮筒上下运动而产生的垂直辐射力的作用；垂直辐射力来源于垂直辐射速度势

通过以上计算公式模块可以得到外浮筒的垂直波浪力、衍射力和辐射力，这些作用力的准确计算为浮筒震荡速度计算模型提供了基础，

由牛顿定理，建立浮筒震荡速度计算模型，最后通过在时域内的积分得到外浮筒的速度和位移：根据牛顿定律，外浮筒垂直方向的加速度为：

式中，m_m为外浮筒的质量，是浮筒加速度，为外浮筒的回复力，是外浮筒的所受摩擦力，为电磁力；

外浮筒的回复力可以表示为：

式中，S_wp为浮筒的底面积，为浮筒偏离平衡位置的位移；

摩擦力主要来源于圆筒型直线电机定子与动子之间的摩擦，以及波浪发电系统运行过程中的机械摩擦，可描述为：

R_f为摩擦系数，当圆筒型直线电机空载运行时，电磁力指的是圆筒型直线电机齿槽力当圆筒型直线电机负载运行时，电磁力不仅包括齿槽力而且包括圆筒型直线电机连接负载而产生的负载力

基于加速度速度和位移之间的关系位移形式表达式为：

速度表达式为：

式中，m_z为附加质量，R_z为阻尼系数

步骤二、采用磁场解析法对基于磁场增速效应的圆筒型直线电机进行设计和优化；将圆筒型直线电机划分成不同求解区域并建立麦克斯韦方程组，通过各自的边界条件对电磁场解算，具体过程如下：

基于磁场增速效应的圆筒型直线圆筒型直线电机应用磁场调制原理对电机内的气隙磁场进行调制，其定子齿不在只起到安放绕组和导磁的作用，与永磁体个数的配合可以对气隙磁场进行调制，使其在存在基波磁场的基础上调制出高次谐波，这些谐波在空间上的运行速度要远高于基波速度，从而在绕组中感应出更高的反电势，工作原理满足以下方程：

p_s＝n_s-p；

其中：p_s为绕组极对数，p为永磁体极对数，n_s为定子齿个数；磁场的加速比为：

G_r＝-p/p_s；

在似稳磁场中，磁场矢量A在不同求解区域在满足以下偏微分方程：

磁通矢量和磁场强度之间存在：

M＝B_rem/μ₀；

其中，M剩余磁化强度，B_rem是剩余磁通，根据以上公式可以求得在不同区域的控制方程和通解，B是磁感应强度，μ₀是真空中的磁导率；

永磁体区域Region Ⅰ：

圆筒型直线电机的采用径向磁化方式，磁化分布可以在空间上表示成傅里叶级数形式：

其中，l＝τ/τ_p，τ是电机长度，τ_p是极距，τ_m是永磁体长度，H_c为矫顽力，p为永磁体极对数，M_x是在x方向的磁化强度；

根据麦克斯韦方程组，永磁体的控制方程和通解为：

其中为上述第一式得到通解的系数；

气隙区域Region Ⅱ：

由于气隙中不存在能量源，控制方程由泊松方程简化成拉普拉斯方程，通解如下所示：

齿槽区域Region Ⅲ：

根据圆筒型直线电机的原理，圆筒型直线电机内的电磁场被定子齿所影响和调制，产生高次谐波，在此区域内建立了二维线性相异的硅钢磁导率和及其控制方程：

式中，μ_x是在x方向的相对磁导率，μ_y是y方向的相对磁导率，w是齿宽，μ_r为相对磁导率；

同时考虑到齿槽效应：

式中，K_c是卡氏系数，τ_s是齿槽极距，b₀是槽宽，g′是相对气隙，In为对数，,K_x,K_n分别为X方向等效卡式系数和平均卡尔等效系数；

以上是所有求解区域，将下面边界条件带入上述公式即可得到不同区域的磁场分布及其常系数；

永磁体区域磁场分布为：

气隙区域磁场分布为：

齿槽区域磁场分布为：

其中：

其中，F_Sn、F_Sm、F_Cn、F_Cm均为与电机结构和材料特性有关的函数，β为各向异性相对磁导率比例系数，h为电机齿高；

步骤三、通过以上计算就可以得到圆筒型直线电机内的磁场分布，之前浮筒震荡速度计算模型已经获得外浮筒在海洋内的运行速度，同时内浮筒远离波浪的振荡频率，圆筒型直线电机与内浮筒之间采用刚性连接，所以外浮筒的振荡速度在一定程度上是等于电机的运行速度，将此速度与磁场分布计算结果相结合即可得到基于磁齿轮效应圆筒型直线电机的反电势和能量输出特性，多次迭代反复计算即可给出一个合适的发电系统制造方案，建立基于磁齿轮增速效应的波浪发电系统。