一种用于海面无人航行器的波浪能发电装置及方法

技术领域

本发明涉及波浪能发电技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于海面无人航行器的波浪能发电装置及方法。

背景技术

海面无人航行器是一类搭载多种传感器并进行远洋作业的小型海上无人平台，通常由太阳能光伏板或小容量的锂电池进行供电，续航能力欠佳。波浪能发电装置是一类能够高效收集并转化海洋中高密度波浪能的机电设备，将其应用于海面无人航行器的供电系统中，能够解决海面无人航行器的长期稳定供电问题，具有良好的研究和应用前景。

常见的波浪能发电装置主要由俘能振子、传动机构和永磁电机组成。其中，传动机构普遍利用机械齿轮副来匹配俘能振子与永磁电机转子的运动，齿廓间的摩擦损耗不仅会减少传动机构的工作寿命，而且会降低发电装置的能量转换效率。

磁齿轮复合电机是一类结构上由磁齿轮和传统永磁电机复合而成的新型永磁电机，既能高效发电，又具备磁齿轮的无接触传动与过载保护功能，能够降低摩擦损耗并规避电机过载损毁，从而适应复杂多变的海洋环境。然而，现有的磁齿轮复合电机通常存在着磁齿轮与电机间的磁通耦合，不仅会降低其发电和传动效率，而且难以实现过载自保护功能。同时，复合电机的定子磁轭通常使用开槽结构，在电机转子转动时会产生较高幅值的周期性齿槽转矩，不利于复合电机的启动和平稳运转。

因此，研制高性能的磁齿轮复合电机并将其应用于波浪能发电装置上，能够打破以往电力供应问题对海面无人航行器使用范围的桎梏，保证航行器的供电系统具有良好的使用寿命和工作效率，对于提高海面无人航行器的续航能力具有重要意义。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种用于海面无人航行器的波浪能发电装置及方法。本发明装置分别以偏心摆和无齿槽解耦式磁齿轮复合电机作为俘能和发电单元，并将各零件沿轴向紧密装配为一体。本发明利用磁齿轮的增速和失步效应，在内置偏心摆的驱动下，无需与海水直接接触便可实现波浪能的高效发电，且具备过载自保护功能，能够为海面无人航行器长期连续供电，结构牢固、体积紧凑且使用寿命长，具有良好的实用价值。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于海面无人航行器的波浪能发电装置，包括海面无人航行器和波浪能发电装置，波浪能发电装置固定连接在海面无人航行器表面的支座上，波浪能发电装置的电能输出端连接海面无人航行器的电源端，其中：

所述波浪能发电装置，由端盖、整流滤波稳压器、电机定子、复合转子、磁调制定子、低速转子和底座沿轴向装配而成；所述复合转子采用分离的双磁轭结构，将无槽盘式电机的转子和轴向磁通磁齿轮的高速转子复合为一体，用于实现两种电磁机构之间结构的耦合及磁通的解耦。

进一步地，所述电机定子包括定子外壳、角接触球轴承、定子磁轭和三相集中绕组，其中：

所述定子外壳由导热尼龙制成，端部设置有导线引出孔；

所述角接触球轴承正装安置在定子外壳的轴承座内；

所述定子磁轭由硅钢片叠压而成，并通过外壳端面流道内的环氧树脂和环槽与外壳固定；

所述三相集中绕组包括9个旋向相同的铜制圆线圈，按照3对极连接并固定在磁轭上，形成无槽定子结构。

进一步地，所述复合转子包括角接触球轴承、高速轴、发电机转子磁极、发电机转子磁轭、复合转子外壳、磁齿轮高速转子磁轭和磁齿轮高速转子磁极，其中：

所述角接触球轴承正装安置在复合转子外壳的轴承座内；

所述高速轴采用过盈配合的方式安插在复合转子外壳的轴孔内；

所述发电机转子磁极设置为3对，所述磁齿轮高速转子磁极设置为2对，且均由轴向充磁的扇形铷磁铁制成，按顺序固定在对应磁轭端面以组成励磁磁环，使得相邻磁极的充磁方向相反；励磁磁环均通过复合转子外壳的端面流道内的环氧树脂和环槽与复合转子外壳固定，两块磁轭由两侧槽底间距自然隔开，以实现发电机与磁齿轮磁通的解耦；

所述发电机转子磁轭和磁齿轮高速转子磁轭均由硅钢片叠压而成；

所述复合转子外壳由导热尼龙制成。

进一步地，所述磁调制定子包括调制铁极、固定轴、磁调制定子外壳和固定轴环，其中：

所述调制铁极设置有7块且均由硅钢片叠压而成，嵌入在外壳的扇形槽内并由流道内的环氧树脂固定；

所述固定轴和所述固定轴环均由不锈钢制成，采用过盈配合的方式安插在磁调制定子外壳的轴孔内。

所述磁调制定子外壳由导热尼龙制成。

进一步地，所述低速转子包括角接触球轴承、磁齿轮低速转子磁极、低速转子外壳、偏心摆和低速轴，其中：

所述角接触球轴承正装安置在低速转子外壳的轴承座内。

所述磁齿轮低速转子磁极由扇形铷磁铁制成，包括10块轴向充磁和10块切向充磁，10块轴向充磁和10块切向充磁组成5对极的环形Halbach阵列，并通过低速转子外壳的端面流道内的环氧树脂和环槽与低速转子外壳固定；

低速转子外壳由导热尼龙制成；

所述铅制偏心摆安插在低速转子外壳的凸轴上；

所述低速轴采用过盈配合的方式安插在偏心摆的轴孔内；

进一步地，所述底座包括角接触球轴承和底座外壳，其中：

所述角接触球轴承正装安置在底座外壳的轴承座内；

所述底座外壳由导热尼龙制成。

本发明还提供了一种基于上述用于海面无人航行器的波浪能发电装置的波浪能发电方法，包括：

在所述波浪能发电装置中，除所述偏心摆外，其余轴上零件的总体重心位于轴线上，即只有所述偏心摆的重力能够产生轴向转矩；

在外部波浪的作用下，所述波浪能发电装置将跟随所述海面无人航行器做无规则摇荡，使得所述偏心摆的重心位置不断变化，所述偏心摆的重力在重心运动轨迹上的切向分量将对轴线产生驱动力矩，带动低速转子转动；

通过磁齿轮的增速效应，低速转子的转速将被放大并传递给复合转子，进而在所述电机定子上产生高频磁场并激励绕组产生高幅感应电动势；

不考虑所述波浪能发电装置内的摩擦和涡流损耗，所述波浪能发电装置将俘获的波浪能高效转化为电能并经过整流、滤波和稳压后为所述海面无人航行器的电源充电。

进一步地，在设计复合电机的性能参数时，保证磁齿轮高速转子的最大静态转矩低于电机的极限转矩，利用磁齿轮的失步效应对复合电机进行过载保护。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的用于海面无人航行器的波浪能发电装置，利用磁齿轮取代了传统波浪能发电装置中的机械齿轮结构，能够实现无接触传动和过载保护功能，提升了发电装置的能量转化效率和使用寿命。

2、本发明提供的用于海面无人航行器的波浪能发电装置，其复合转子具有分离的双磁轭结构，可利用高磁导率磁轭的聚磁特性实现电机与磁齿轮磁场的相互屏蔽，即磁通的解耦，保证两种电磁机构的磁路互不干扰，使组成的磁齿轮复合电机具有稳定的工作性能。

3、本发明提供的用于海面无人航行器的波浪能发电装置，克服了常规的波浪能发电装置体积大、成本高和易被腐蚀等应用问题，无需与海水直接接触便可实现波浪能向电能的高效转换，避免受到海水的长期腐蚀，能够为海面无人航行器长期连续供电，具有良好的实际应用价值。

基于上述理由本发明可在波浪能发电等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明波浪能发电装置在海面无人航行器上的安装示意图。

图2为本发明磁齿轮复合电机整体结构图。

图3为本发明电机定子结构图。

图4为本发明复合转子结构图。

图5为本发明磁调制定子结构图。

图6为本发明低速转子结构图。

图7为本发明底座结构图。

图8为本发明磁极充磁方式示意图。

图9为本发明偏心摆运动方式示意图。

图中：1、海面无人航行器；2、波浪能发电装置；3、端盖；4、整流滤波稳压器；5、电机定子；6、复合转子；7、磁调制定子；8、低速转子；9、底座；10、内六角圆柱头螺钉；11、定子外壳；12、角接触球轴承；13、定子磁轭；14、三相集中绕组；15、高速轴；16、发电机转子磁极；17、发电机转子磁轭；18、复合转子外壳；19、磁齿轮高速转子磁轭；20、磁齿轮高速转子磁极；21、调制铁极；22、固定轴；23、磁调制定子外壳；24、固定轴环；25、磁齿轮低速转子磁极；26、低速转子外壳；27、偏心摆；28、低速轴；29、底座外壳。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种用于海面无人航行器的波浪能发电装置，包括海面无人航行器1和波浪能发电装置2，波浪能发电装置2固定连接在海面无人航行器1表面的支座上，波浪能发电装置2的电能输出端连接海面无人航行器1的电源端，其中：

如图2所示，所述波浪能发电装置2由端盖3、整流滤波稳压器4、电机定子5、复合转子6、磁调制定子7、低速转子8和底座9沿轴向装配而成；所述复合转子6采用分离的双磁轭结构，将无槽盘式电机的转子和轴向磁通磁齿轮的高速转子复合为一体，用于实现两种电磁机构之间结构的耦合及磁通的解耦。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述电机定子5包括定子外壳11、角接触球轴承12、定子磁轭13和三相集中绕组14，其中：所述定子外壳11由导热尼龙制成，端部设置有导线引出孔；所述角接触球轴承12正装安置在定子外壳11的轴承座内；所述定子磁轭13由硅钢片叠压而成，并通过外壳端面流道内的环氧树脂和环槽与外壳固定；所述三相集中绕组14包括9个旋向相同的铜制圆线圈，按照3对极连接并固定在磁轭上，形成无槽定子结构。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图4所示，所述复合转子6包括角接触球轴承12、高速轴15、发电机转子磁极16、发电机转子磁轭17、复合转子外壳18、磁齿轮高速转子磁轭19和磁齿轮高速转子磁极20，其中：所述角接触球轴承12正装安置在复合转子外壳18的轴承座内；所述高速轴15采用过盈配合的方式安插在复合转子外壳18的轴孔内；如图5所示，所述发电机转子磁极16设置为3对，所述磁齿轮高速转子磁极20设置为2对，且均由轴向充磁的扇形铷磁铁制成，按顺序固定在对应磁轭端面以组成励磁磁环，使得相邻磁极的充磁方向相反；励磁磁环均通过复合转子外壳18的端面流道内的环氧树脂和环槽与复合转子外壳18固定，两块磁轭由两侧槽底间距自然隔开，以实现发电机与磁齿轮磁通的解耦；所述发电机转子磁轭17和磁齿轮高速转子磁轭19均由硅钢片叠压而成；所述复合转子外壳18由导热尼龙制成。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图6所示，所述磁调制定子7包括调制铁极21、固定轴22、磁调制定子外壳23和固定轴环24，其中：所述调制铁极21设置有7块且均由硅钢片叠压而成，嵌入在外壳的扇形槽内并由流道内的环氧树脂固定；所述固定轴22和所述固定轴环24均由不锈钢制成，采用过盈配合的方式安插在磁调制定子外壳23的轴孔内。所述磁调制定子外壳23由导热尼龙制成。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图7所示，所述低速转子包括角接触球轴承12、磁齿轮低速转子磁极25、低速转子外壳26、偏心摆27和低速轴28，其中：所述角接触球轴承12正装安置在低速转子外壳26的轴承座内；所述磁齿轮低速转子磁极25由扇形铷磁铁制成，包括10块轴向充磁和10块切向充磁，10块轴向充磁和10块切向充磁组成5对极的环形Halbach阵列，并通过低速转子外壳26的端面流道内的环氧树脂和环槽与低速转子外壳26固定；低速转子外壳26由导热尼龙制成；所述铅制偏心摆27安插在低速转子外壳26的凸轴上；所述低速轴28采用过盈配合的方式安插在偏心摆27的轴孔内。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图8所示，所述底座9包括角接触球轴承12和底座外壳29，其中：所述角接触球轴承12正装安置在底座外壳29的轴承座内；所述底座外壳29由导热尼龙制成。

本发明提供了一种基于上述用于海面无人航行器的波浪能发电装置的波浪能发电方法，如图9所示，包括：

在所述波浪能发电装置2中，除所述偏心摆27外，其余轴上零件的总体重心位于轴线上，即只有所述偏心摆27的重力能够产生轴向转矩；在外部波浪的作用下，所述波浪能发电装置2将跟随所述海面无人航行器1做无规则摇荡，使得所述偏心摆27的重心位置不断变化，所述偏心摆27的重力在重心运动轨迹上的切向分量将对轴线产生驱动力矩，带动低速转子转动；通过磁齿轮的增速效应，低速转子的转速将被放大并传递给复合转子，进而在所述电机定子5上产生高频磁场并激励绕组产生高幅感应电动势；不考虑所述波浪能发电装置2内的摩擦和涡流损耗，所述波浪能发电装置2将俘获的波浪能高效转化为电能并经过整流、滤波和稳压后为所述海面无人航行器1的电源充电。同时，还需要注意的是，在设计复合电机的性能参数时，保证磁齿轮高速转子的最大静态转矩低于电机的极限转矩，利用磁齿轮的失步效应对复合电机进行过载保护。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。