一种自然磁悬浮潮汐能发电机装置

技术领域

本公开涉及旋转型精密机械技术领域，尤其是涉及一种自然磁悬浮潮汐能发电机装置。

背景技术

利用潮汐能量发电，是利用自然能量的最佳途径之一。已有潮汐发电机装置漂浮在水面，占用水面，潮汐能量利用率很低，成本也很高。

发明内容

本公开提供了一种自然磁悬浮潮汐能发电机装置，以解决发明人认识到的技术问题之一。

本公开提供了一种自然磁悬浮潮汐能发电机装置，包括：发电机单元，所述发电机单元包括磁悬浮壳体、定子铁芯和叶轮，所述磁悬浮壳体内设有腔体，所述磁悬浮壳体的两端设置有开口，所述开口与所述腔体贯通，所述叶轮设置于所述腔体内，所述叶轮的末端嵌设有转子永磁体，所述转子永磁体的极数为2P＝40或2P＝32，所述磁悬浮壳体内侧靠近所述转子永磁体的位置设置有定子铁芯，所述定子铁芯上设置有绕组，所述定子铁芯的槽数为Z＝36，所述定子铁芯与所述转子永磁体构成径向磁路永磁发电机。

优选的，所述定子铁芯的槽数与绕组的相数满足Z/(3m)＝4，所述绕组可以分成四组，每组所述绕组含有V、U、W三相，相邻的V、U、W三相绕组串联成一个支路，一共四个相互串联的支路，将180°对称分布的那两组绕组所构成的两条对称支路并联形成并联的支路绕组，当所述转子永磁体的极对数P为偶数时，两并联支路绕组按首、尾端(异名端)并联，当P为奇数时，两并联支路绕组按首、首和尾、尾端(同名端)并联，两并联支路绕组的一端作为相绕组的中点。

优选的，所述径向磁路永磁发电机采用变频电源驱动。

优选的，所述定子铁芯分为若干段，每段之间存在间隙，定子铁芯的分段间隙λ

优选的，转子永磁体的轴向两端的和所述定子铁芯的分段间隙为：λ

优选的，所述径向磁路永磁发电机为分布式绕组电机。

优选的，所述定子铁芯的槽数Z与绕组的相数m之比Z/m＝为偶数，因此该类电机的每相绕组都可以形成沿圆周180°对称分布的绕组，且可以产生180°对称的力偶力矩。

优选的，所述叶轮位于腔体的两端和外圆周面均匀分布有6个高度为0.2～0.5mm的副翅叶。

优选的，所述磁悬浮壳体和叶轮的表面涂布有高分子防腐蚀涂层。

优选的，所述发电机单元有多个，多个所述发电机单元串联或者并联或者多个发电机单元分别并联后再串联设置或者多个发电机单元分别串联后再并联，多个所述发电机单元并联后连接有管理电路模块。

本公开的有益效果主要在于：

1、本发明通过潮汐的力量带动叶轮转动，使所述定子铁芯与所述转子永磁体构成径向磁路永磁发电机，通过潮汐的力量冲击叶轮使其来来回回旋转，发出交变电压。

2、现有的潮汐发电机需要漂浮在水面，占用水面潮汐能量利用率低，成本高；本发明可以直接放置于浅海海底使用，成本低，潮汐利用率高。

3、本发明采用径向和轴向自然电磁磁悬浮技术，其绕组中的所有电流共同参与将电机转子自然悬浮起来，因此所能提供的自然电磁磁悬浮的力很大。为了进一步增加径向和轴向悬浮力，本发明增加副翅叶，来提供附加的径向和轴向液体悬浮力，使得本发明具有更强大的自然悬浮能力。

应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。

附图说明

为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例的发电机单元结构示意图；

图2为本公开实施例的定子铁芯和绕组连接结构示意图；

图3为本公开实施例的发电机群组接线图；

图4为本公开实施例的发电机单元和管理电路模块连接示意图。

图标：1-磁悬浮壳体；11-腔体；2-叶轮；3-转子永磁体；4-定子铁芯；5-绕组。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种自然磁悬浮潮汐能发电机装置，包括发电机单元，所述发电机单元包括磁悬浮壳体1、定子铁芯4和叶轮2，所述磁悬浮壳体1内设置有腔体11，所述磁悬浮壳体1的两端开设有与所述腔体11贯通连接的开口，通过两端的开口使海水能够穿过，设腔体11中部和开口对应的位置为内腔，腔体11外侧位于磁悬浮壳体1内的半封闭区域为外腔，所述磁悬浮壳体1的内部设置有所述叶轮2，所述叶轮2的上设置有多个风叶，所述叶轮2的末端靠近所述外腔的区域内部嵌设有转子永磁体3，所述转子永磁体3为圆环形结构，所述转子永磁体3的极数为2P＝40或者2P＝32，所述定子铁芯4设置于所述磁悬浮壳体1的内侧靠近所述转子永磁体3的位置，所述定子铁芯4上设置有多个绕组5，所述定子铁芯4与所述转子永磁体3构成径向磁路永磁发电机。

如图2所示，所述径向磁路永磁发电机为分数槽集中绕组5电机，本实施例中，定子铁芯4的槽数和绕组5的相数之比Z/m为偶数，因此，每相绕组5都可以形成沿圆周180°对称分布的绕组5，且可以产生180°对称的力偶力矩，本实施例中，定子铁芯4的槽数为Z＝36，转子永磁体3的极数2P＝40，绕组5的相数m＝3，所述定子铁芯4分成四段，以便获得轴向更大的被动磁悬浮能力；所述绕组5不必随定子铁芯4分段而分段。所述定子铁芯4上的每相绕组5被分成沿圆周180°对称分布的Kpm＝Z/(3m)＝4组绕组5，每组有相邻的3个绕组5，相邻的绕组5的尾端和尾端串联，相邻的3个绕组5串联成为一条支路，类似地将本相其它三组绕组5都按相同的方法串联，然后将180°对称分布的那两组绕组5所构成的两条对称支路，连接成并联支路绕组5；并联的原则是：当极对数P为偶数时，两并联支路绕组5按首、尾端(异名端)并联，当P为奇数时，两并联支路绕组5按首、首和尾、尾端(同名端)并联，两并联支路绕组5的一端作为相绕组5的中点；本发明P为偶数，两并联支路绕组5按首—尾端(异名端)并联，本发明U相绕组5有两条正交的并联支路，一个中点和一个U相绕组5端口；以此类推，将电机的三相绕组5均按此方法分别形成180°对称的并联支路；并且，构成三相绕组5的U、V、W三相端口和一个三相绕组5的中点。也即最终形成特殊的180°对称并联的并联支路三相绕组5。本发明每相绕组5，都有一对或多对180°对称的并联支路，这些180°对称的并联支路中的电流，在定子铁芯4和转子永磁体3的气隙无偏差时，是原理上相同的。众所周知，定子铁芯4与转子永磁体3之间存在吸引力，由于轴承的作用，保持了定子与转子之间的气隙相等，吸引力沿圆周处处相等，轴承使得电机气隙内的径向吸引力处处相等而且互相抵消。但是假设电机旋转，轴承失效，180°两侧的气隙必然存在偏差，此时，转子永磁体3就会被吸向气隙小的一侧，而气隙小的一侧并联支路的反电势必然变大，电流变小；相反，气隙大的一侧并联支路的反电势变小，电流变大，于是气隙大的一侧径向拉力变大，气隙小的一侧径向拉力变小，必然导致气隙向偏差变小的方向变化，并且使气隙偏差稳定下来。所以电机旋转起来后，本发明拥有径向自然磁悬浮恢复对中的能力。本发明槽数Z＝36，极数P＝40，相数m＝3，每相有2对180°对称的并联支路绕组5，三相有6对180°对称的并联支路绕组5，显然可以从12个方向主动恢复电机转子对中；由于当电机未启动未旋转，初始状态时，由于没有反电势而没有径向自然磁悬浮恢复力，永磁转子会被随机吸向气隙小的一侧，因此，电机未启动旋转时，永磁转子体是径向不稳定的，因此，本发明需要使用启动保护轴承。本发明在不附加任何传感器和控制器的情况下，采用传统电机驱动方法就拥有完善的动态径向自然电磁磁悬浮和被动轴向磁悬浮功能。

进一步地，为了让转子永磁体3在未旋转时，具有静态电磁磁悬浮能力，可以采用变频电源驱动所述径向磁路永磁发电机，此时虽然电机未旋转，没有e＝NBLV反电势，但是电机绕组5有dΨ/dt感应电势，并且基于相同的原理使电机拥有静态电磁磁悬浮能力。

进一步地，所述定子铁芯4分为四段，每段之间存在间隙，定子铁芯4的分段间隙λ

转子轴向两端的转子铁心分段间隙略大，为：λrd＝(1.5～2)λr＝(1.5～2)λd。为了提高轴向被动磁悬浮刚度，本发明将定子和转子分成多段。分段间隙为：λ＝δ(1～2)，当λ小于每段的轴向长度4～5倍时，轴向磁悬浮刚度与分段数n几乎成正比。分段后轴向被动磁悬浮的最大刚度近似为：0.95nK(Nm/mm)，其中K(Nm/mm)是单段轴向被动磁悬浮的刚度。但是，磁悬浮的轴向有效工作范围减小了，近似为：0.95λ。

所述径向磁路永磁发电机为分数槽集中绕组5电机，其槽数与相数之比Z/m为偶数，因此该类电机的每相绕组5都可以形成沿圆周180°对称分布的绕组5，且可以产生180°对称的力偶力矩，本发明槽数Z，极对数P，相数m，每相有Dz＝Z/(2m)对沿圆周180°对称分布的绕组5，将每相Dz＝Z/(2m)对绕组5的首端并联，成为该相绕组5的合成端口，将每相Dz＝Z/(2m)对绕组5的尾端并联，成为该相绕组5的合成中点，以此类推形成三相绕组5的U、V、W三相合成端口和一个合成中点，能够从径向的Z/2个方向将转子永磁体3自然磁悬浮起来：该方法同样适用于径向电机也适用于轴向电机；该方法连线比较复杂，但是自然磁悬浮恢复力最大，每相有6对180°对称的并联支路绕组5，三相有12对180°对称的并联支路绕组5，显然可以从24个方向主动恢复电机转子对中可以称为：全径向自然磁悬浮电机。

进一步地，所述径向磁路永磁发电机也可以为分布式绕组5电机。但是必须满足上述的绕组5设计，该类电机的每相绕组5都可以形成沿圆周180°对称分布的绕组5，且可以产生180°对称的力偶力矩。

进一步地，所述叶轮2位于腔体11的两端和外圆周面均匀分布有6个高度为0.2～0.5mm的副翅叶。本发明增加副翅叶，来提供附加的径向和轴向液体悬浮力，使得本发明具有更强大的自然悬浮能力。

进一步地，所述磁悬浮壳体1和叶轮2的表面涂布有高分子防腐蚀涂层。用于防止海水腐蚀。

如图3所示，所述发电机单元有多个，多个所述发电机单元串联或者并联或者多个发电机单元分别并联后再串联设置或者多个发电机单元分别串联后再并联，多个所述发电机单元并联后连接有管理电路模块。

由于一群汐能发电机单元分布在附近，其海况相似，其发电状况十分类似，可以多个并联，也可以多个串联，也可以将并联后的模块再串联。也可以将串联后的模块再并联。灵活组成自然电磁磁悬浮潮汐能发电机群控。为了优化磁悬浮发电机机群并联和串联，可以插入并联和串联管理模块，提供实时检测，以便发电机群控系统及时调整群控策略，确保磁悬浮发电机装置高效、安全群控运行。本发明每个发电机单元5KW，1000个单元构成网络发电机群，发电量可以达到5MW。潮汐发电机可以完全免维护运营10～30年，真正做到超长寿命。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。