一种双边内置式V型永磁直线发电机、海底式波浪能发电装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双边内置式V型永磁直线发电机，及基于该直线发电机的海底式波浪能发电装置和控制方法，首先，提出把双边内置式V型永磁直线发电机应用到海底式波浪能发电装置之中；其次，根据海底式波浪能发电装置受到的垂直方向波浪力与其运行速度之间的相位关系，进行相位分析和区域划分，并在此基础上采用可变阻尼系数法，实时地调整直线发电机电磁力幅值，使海底式波浪能发电装置受到的合力相位与其运行速度相位，达到同步，从而实现海底式波浪能发电装置运行效率的最大化；最后，在较高的海洋波浪波高情况下，采用最大阻尼系数法，使直线发电机输出最大电磁力，以防止系统装置结构被破坏，进而提高整个系统装置在运行过程中的安全稳定性。

A bilateral built-in V type permanent magnet linear generator, submarine wave energy generation device and control method

The invention discloses a bilateral built-in V-type permanent magnet linear generator and a submarine wave energy generating device and a control method based on the linear generator. Firstly, the bilateral built-in V-type permanent magnet linear generator is applied to the submarine wave energy generating device; secondly, the submarine wave energy generating device is accepted according to the submarine wave energy generating device. On the basis of phase analysis and region division, the amplitude of electromagnetic force of linear generator is adjusted in real time by variable damping coefficient method, so that the resultant force phase of submarine wave energy generator is synchronized with its velocity phase. In order to maximize the operating efficiency of the submarine wave energy generating device, the maximum damping coefficient method is adopted to maximize the output electromagnetic force of the linear generator in the case of higher sea wave height, so as to prevent the structure of the system device from being destroyed, thereby improving the safety and stability of the whole system device in the operation process.

【技术实现步骤摘要】
一种双边内置式V型永磁直线发电机、海底式波浪能发电装置及控制方法
本专利技术涉及一种双边内置式V型永磁直线发电机，及基于该直线发电机的海底式波浪能发电装置和控制方法，属于新能源发电技术。
技术介绍
近两年来，随着我国对环境污染治理力度的逐步加大，把清洁可再生能源转换成电能，成为改善我国环境质量和满足国民生产生活对于电能需求的主要途径。其中，海底式波浪能发电技术，作为清洁可再生能源转换成电能的方式之一，在为偏远海岛、海上平台和沿海地区提供电能的同时，也为我国海洋经济的发展，提供了动力支持。然而，随着海底式波浪能发电技术研究的深入和试验测试工程的陆续建设，逐渐发现两个问题：一是由于波浪能的特殊存在形式，很难提高海底式波浪能发电装置在自然运行状态下的效率；二是由于极端海洋环境(飓风、台风等)，无法保障海底式波浪能发电装置在海洋波浪中的安全稳定性。所以，研究海底式波浪能发电装置的优化控制技术，提高其在海洋波浪中的运行效率和安全稳定性，成为波浪能发电技术发展过程中亟待解决的难题。针对这一难题，中国专利申请CN201710449351.4公开了一种控制浮筒对海平面进行跟踪的方法，目的是提高波浪能发电装置对波浪能的利用率，以及保障系统装置的稳定性。但是，鉴于海洋中的波浪周期和波幅是时刻变化的，并且波浪的运动速度也是非线性的，则浮筒对海平面进行跟踪的方法不仅增加了系统结构的复杂性，还需要大容量的电源设备和大功率电力电子器件(波浪能发电装置的水平面积越大，受到的波浪力越大，进而需要控制系统输出较大的力，实现波浪能发电装置在运动过程的优化控制)。此外，中国专利申请CN201710555935.8公开了一种基于分层鲁棒性控制的直驱式波浪发电系统。该专利技术基于波浪频率、波浪位移和参考电流之间的关系，控制直驱式波浪发电系统的频率，使之与波浪频率达到一致，从而实现系统装置的高效率运行。然而，实际运动过程中的波浪，其波高是非线性的，其周期是非恒定的。因此，除了考虑提高系统装置的运行效率，还要考虑系统装置在海洋波浪中的安全稳定性。总体来讲，现有的波浪能发电装置主要存在以下弊端：实用性差，没有同时兼顾系统装置的运行效率和安全稳定性；需要额外增加控制系统设备，这就使波浪能发电装置的系统结构变得复杂，不利于系统装置的安装和后期运行维护；没有对波浪能发电装置的运行过程进行细化和分析，距离其运行效率的最大化，还有较大的改进空间。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种双边内置式V型永磁直线发电机，及基于该直线发电机的海底式波浪能发电装置和控制方法，不仅能够提高海底式波浪能发电装置的运行效率，还能够保障发电装置在运行过程中的安全稳定性，有利于波浪能发电技术的规模化和商业化发展。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种双边内置式V型永磁直线发电机，包括双边定子和动子，双边定子包括两个间隔正对的定子铁芯，动子在两个定子铁芯之间的间隔内往复运动；所述定子铁芯内沿动子移动方向设置有一组成对的永磁体，成对的两个永磁体对称布置成V型，开口朝向动子，且成对的两个永磁体的对称轴与动子的移动方向垂直；所述动子内设置有动子铁芯，动子铁芯的齿正对定子铁芯，动子铁芯的槽内缠绕双层绕组。优选的，所述永磁体之间安装有加强筋和磁桥。优选的，所述动子铁芯两端设计为弧形边端齿结构，并采用边端槽宽减小的设计。优选的，所述双边定子为U型槽结构，两个定子铁芯分别基于U型槽的两个正对面设计；所述动子为矩形柱体结构。一种海底式波浪能发电装置包括基柱、双边内置式V型永磁直线发电机和外浮筒，所述基柱通过桩柱固定在海底特定位置；双边内置式V型永磁直线发电机包括双边定子和动子，动子与外浮筒通过连接架连接，双边定子与基柱固定连接，外浮筒套设在基柱上，外浮筒相对于基柱往复运动，带动动子相对于双边定子往复运动。所述双边内置式V型永磁直线发电机是一种新型结构的直线发电机，该直线发电机的永磁体呈V型分布，且其呈V型分布的角度可以优化，以有利于发电机磁场的分布和优化控制；呈V型分布的永磁体之间，安装了适当尺寸宽度的加强筋和磁桥，目的是降低发电机的齿槽力幅值和绕组感应电动势谐波分量，从而保障直线发电机在运行过程中的平稳性；该直线发电机的动子铁芯和定子铁芯，可以采用叠片式的结构，目的是降低发电机的铁耗；弧形边端齿和适当边端槽宽，可以进一步降低发电机的齿槽力幅值，使该直线发电机输出的电压更趋近于正弦化。一种海底式波浪能发电装置的运行控制方法，包括如下步骤：(1)获取外浮筒的激振力、位移和速度：若外浮筒的运动行程达到最大运动行程设定值，则采用最大阻尼系数控制；否则，对激振力和速度进行相位差判断，进入步骤(2)；(2)若激振力和速度相位差为零，则采用零阻尼系数控制；若激振力和速度相位差在低阈值范围内，则采用恒定阻尼系数控制；若激振力和速度相位差在高阈值范围内，则采用优化阻尼系数控制；(3)采用二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制算法，通过步骤(2)选出的阻尼系数，控制双边内置式V型永磁直线发电机的q轴控制电流，从而调整双边内置式V型永磁直线发电机电磁力的输出幅值，实现海底式波浪能发电装置受到的垂直方向合力(激振力和电磁力的合力)与其运行速度的相位差为零，最终提高该海底式波浪能发电装置的运行效率。海底式波浪能发电装置的运动速度，是由垂直方向的激振力驱动产生的。由于海洋波浪的波高和周期是时刻变化的，则海底式波浪能发电装置的激振力相位与其运行速度相位之间，必然存在相位差，这就降低了该发电装置的运行效率。因此，需要对二者之间的相位关系进行分析，并进行详细的区域划分。不同阻尼系数(恒定阻尼系数、优化阻尼系数和零阻尼系数)，是根据海底式波浪能发电装置受到的垂直方向激振力相位与运行速度相位关系分析得到的。所述二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制算法，是建立在双边内置式V型永磁直线发电机的速度反馈、位移反馈和电流反馈基础上的；并且，该控制算法的控制过程，是基于海底式波浪能发电装置的相位分析和区域划分实现的。优选的，所述双边内置式V型永磁直线发电机的q轴参考电流与阻尼系数Bpto之间的数学关系为其中vt为外浮筒的运行速度，τp为定子铁芯中永磁体的轴向长度，ψpm为磁通。优选的，所述双边内置式V型永磁直线发电机对外浮筒的作用力，即双边内置式V型永磁直线发电机电磁力与q轴参考电流之间的数学关系为其中τ为定子铁芯中永磁体的极距，ψpm为磁通。本专利技术中，设计了如下关键点：1、进行结构设计和性能优化，提出一种带有加强筋、磁桥、弧形边端齿和适当边端槽宽的双边内置式V型永磁直线发电机。2、根据海底式波浪能发电装置受到垂直方向激振力与其运行速度之间的相位关系，进行相位分析和区域划分。3、根据相位分析和区域划分，提出不同的阻尼系数控制方法，主要包括恒定阻尼系数、优化阻尼系数和零阻尼系数。4、推导出双边内置式V型永磁直线发电机的q轴控制电流与阻尼系数之间的数学关系。5、提出二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制算法，通过不同的阻尼系数，控制双边内置式V型永磁直线发电机的q轴控制电流，从而调整双边内置式V型永磁直线发电机电磁力输出幅值，实现海底式波浪能发电装置受到的垂直方向合力(激振力和电磁力的合力)与其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双边内置式V型永磁直线发电机，其特征在于：包括双边定子(5)和动子(4)，双边定子(5)包括两个间隔正对的定子铁芯(11)，动子(4)在两个定子铁芯(11)之间的间隔内往复运动；所述定子铁芯(11)内沿动子(4)移动方向设置有一组成对的永磁体(12)，成对的两个永磁体(12)对称布置成V型，开口朝向动子(4)，且成对的两个永磁体(12)的对称轴与动子(4)的移动方向垂直；所述动子(4)内设置有动子铁芯(10)，动子铁芯(10)的齿正对定子铁芯(11)，动子铁芯(10)的槽内缠绕双层绕组(13)。

【技术特征摘要】
1.一种双边内置式V型永磁直线发电机，其特征在于：包括双边定子(5)和动子(4)，双边定子(5)包括两个间隔正对的定子铁芯(11)，动子(4)在两个定子铁芯(11)之间的间隔内往复运动；所述定子铁芯(11)内沿动子(4)移动方向设置有一组成对的永磁体(12)，成对的两个永磁体(12)对称布置成V型，开口朝向动子(4)，且成对的两个永磁体(12)的对称轴与动子(4)的移动方向垂直；所述动子(4)内设置有动子铁芯(10)，动子铁芯(10)的齿正对定子铁芯(11)，动子铁芯(10)的槽内缠绕双层绕组(13)。2.根据权利要求1所述的双边内置式V型永磁直线发电机，其特征在于：所述永磁体(12)之间安装有加强筋(15)和磁桥(16)。3.根据权利要求1所述的双边内置式V型永磁直线发电机，其特征在于：所述动子铁芯(10)两端设计为弧形边端齿(14)结构，并采用边端槽宽(17)减小的设计。4.根据权利要求1所述的双边内置式V型永磁直线发电机，其特征在于：所述双边定子(5)为U型槽结构，两个定子铁芯(11)分别基于U型槽的两个正对面设计；所述动子(4)为矩形柱体结构。5.一种海底式波浪能发电装置，其特征在于：包括基柱(3)、双边内置式V型永磁直线发电机和外浮筒(2)；双边内置式V型永磁直线发电机包括双边定子(5)和动子(4)，动子(4)与外浮筒(2)通过连接架(6)连接，双边定子(5)与基柱(3)固定连接，外浮筒(2)套设在基柱(3)上，外浮筒(2)相对于基柱(3)往复运动，带动动子(4)相对于双边定子(5)往复运动。6.一种海底式波浪能发电装置的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈中显，魏雪峰，孙利，徐慧娟，张健，张思齐，
申请(专利权)人：黄淮学院，
类型：发明
国别省市：河南,41