直驱式波浪发电用初级混合励磁直线电机仿真分析文献综述

 2022-11-20 02:11
  1. 文献综述(或调研报告):

能源是世界经济增长的动力, 经济的增长总是伴随着能源消耗的增长。中国的化石能源资源非常有限。然而, 国内沿海地区有着较为丰富的海洋能资源, 如果能因地制宜, 有效地开展海洋能的开发利用, 将对国内这一地区的经济发展起到很好的推动作用。波浪能是一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源,开发利用波浪能具有广阔的应用前景。

波浪能直线发电原理是把振荡浮子吸收到的波浪能通过直线发电机直接转换为电能,其转换环节最少。在波浪力作用下动子和定子产生相对运动,动子的运动轨迹为直线,线圈切割磁力线发电。此种电机的外形为扁平型,还可为圆筒型或其它形状[1]。波浪直驱具有大推力、低速度的特点,并且电机气隙远大于旋转电机[12]

混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多特点,而且电机气隙磁场平滑可调,发电运行时,具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压输出能力,因此,具有广泛的工业应用前景。由于永磁材料的固有特性,永磁电机内气隙磁场基本保持恒定,作发电运行时,电压调整率较大,影响供电质量。由此提出了合理改变永磁电机结构,引入辅助电励磁绕组,实现气隙磁场灵活调节的“混合励磁”思想。混合励磁,有时也称组合励磁或复合励磁,是由两种励磁源相互作用,共同实现电磁能量转换,是对单一励磁(永磁励磁或电励磁)概念的有效拓宽与延伸。

所谓混合励磁电机,在保持电机较高效率的前提下,改变电机的拓扑结构,由两种励磁源共同产生电机主磁场,实现电机的主磁场调节和控制,改善电机调速、驱动性能或调压特性的一类新型电机。与永磁电机比较,混合励磁电机具有调节气隙磁场的能力;与电励磁同步电机相比,具有较小的电枢反应电抗。混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多特点,而且具有电励磁电机气隙磁场平滑可调的优点,用作发电机,可获得较宽的调压范围,在飞机、舰船和车辆中可作为独立的发电系统。

用作发电运行时,其输出电压与电机转速以及气隙磁密成正比,通过改变气隙磁密,实现输出电压的调节;或者在变速运行情况下,通过调节气隙磁密,可实现电机的恒压输出。混合励磁电机的气隙磁密由永磁体和电励磁绕组共同产生,而转速(或电压)调节所需的磁场变化部分靠辅助的电励磁绕组来实现。当电励磁磁场方向与永磁磁场方向相同时,气隙磁场增强;当电励磁磁场与永磁磁场方向相反,气隙磁场减弱。通过调节电励磁绕组电流的大小和方向,一方面实现了电机磁场弱磁控制,使电机具有宽广的恒功率调速范围;同时还可以进行增磁控制,满足驱动负载低速、大转矩的要求。混合励磁电机的磁场调节手段简单、直接,实现了对电机气隙磁场独立调节与控制。由于混合励磁电机在结构上实现了电机气隙磁场的直接调节与控制,突破了传统永磁电机通过电枢电流矢量控制实现弱磁或增磁的局限,结构上可有多种实现方式。按照转子(动子)的运动方向可分为旋转式混合励磁电机和直线式混合励磁电机;从电机永磁体放置位置可分为转子永磁型混合励磁电机和定子永磁型混合励磁电机。另外,从电机内永磁体磁势与电励磁磁势相互作用关系来看,一般可归结为三种类型,即:串联磁路、独立并联磁路和串并联混合磁路[11]

目前,主要用于直接驱动波能量提取的线性发电机是线性同步永磁发动机,它在动子(次级)上有永磁体(PMs)。这种线性永磁机有次级结构复杂的缺点,这可能会导致意想不到的温度增长和成本的提高。此外,这些发电机从传统旋转发电机进化而来的,不能在低速运动的环境获得高功率密度。这是不适合直接驱动波浪能量转换器。为了在气隙中获得高的能量变动率和更高的功率密度,基于旋转定子永磁机,有一些集中在初级永磁直线发电机的研究,它们的永磁体组装在初级如游标混合机(VHM)和开关磁阻发电机。相比初级永磁直线发电机,次级永磁直线发电机因为加工尺寸的限制,不能设计成小极距。VHM和开关磁阻发电机,通过使用次级开槽表面,磁阻变化产生快速通量变化,导致剪应力数量级增加。然而,为了增加通量改变率,VHM永磁体的大小必须设计非常小。它有轻易不可逆退磁的缺点。因此,为了克服VHM的缺点和增加气隙磁通的可控制性,可以采用线性混合励磁发电机[9]

目前,已出现了多种不同结构类型的混合励磁电机,其基本特性也得到了初步的分析。此外,对混合励磁电机设计、分析与控制和应用研究也有了一定的进展。但总体而言,混合励磁电机以及产品尚处在初级阶段,随着对混合励磁电机研究的不断深入,混合励磁电机的综合性能将不断提高,也必将有力推动混合励磁电机及其驱动控制技术的发展。因此,对混合励磁电机开展研究,具有重要的理论意义和工程推广价值。

参考文献:

[1]吴必军,刁向红,王坤林等.10kW 漂浮点吸收直线发电波力装置[J].海洋技术,31(3):68-73,2012.

[2]陶果,邓琦,邱阿瑞等.永磁直线波力发电机的磁场分析与参数计算[J].清华大学学报(自然科学版),47(1):1-4,2007.

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