直驅(qū)式波浪發(fā)電裝置的短行程、低速、雙動(dòng)子雙側(cè)Halbach永磁陣列直線電機(jī)。該電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理及電磁特性，通過(guò)優(yōu)化電機(jī)永磁體結(jié)構(gòu)提高電機(jī)磁能密度及發(fā)電效率，降低電機(jī)磁阻力。
 
 
首先，根據(jù)電機(jī)的電磁負(fù)荷、運(yùn)動(dòng)行程和平均速度，給出電機(jī)模型的初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，采用磁場(chǎng)分析法輔助有限元法分析電機(jī)電磁特性，驗(yàn)證電機(jī)模型的正確性。其次，對(duì)Halbach永磁陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算與分析，研究電機(jī)徑向磁通密度增強(qiáng)原理與電機(jī)軸向磁通密度抵消原理，對(duì)電機(jī)雙側(cè)Halbach永磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高電機(jī)磁能密度及輸出電壓幅值，降低電機(jī)軸向磁阻力，減少電機(jī)低速運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)；研究電機(jī)在恒速及正弦速度下的電動(dòng)勢(shì)曲線，并計(jì)算電機(jī)的輸出效率。最后，采用一臺(tái)圓筒形永磁直線電機(jī)驗(yàn)證在不同波浪參數(shù)下的輸出電壓曲線。
分析與計(jì)算結(jié)果表明雙動(dòng)子雙側(cè)Halbach永磁陣列直線電機(jī)較其他類型電機(jī)具有磁能密度高、磁阻力波動(dòng)小及輸出效率高的優(yōu)勢(shì)。
 
 
直驅(qū)波浪發(fā)電技術(shù)是利用直線電機(jī)將波浪能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電技術(shù)，因省略中間的能量轉(zhuǎn)換裝置使波浪能與電能之間的轉(zhuǎn)換效率明顯提升。永磁直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)換效率高、推力密度大等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，采用永磁直線電機(jī)的直驅(qū)式波浪發(fā)電裝置也引起了國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究的重視。
20世紀(jì)90年代，荷蘭學(xué)者將永磁直線電機(jī)應(yīng)用到阿基米德式（Archimedes Wave Swing, AWS）波浪發(fā)電系統(tǒng)中，使得整個(gè)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，因此提高了發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性。由此可見，直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)減少了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率更高，是波浪能發(fā)電系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一。
目前已經(jīng)有多種結(jié)構(gòu)的新型直線電機(jī)應(yīng)用于波浪發(fā)電裝置中，即將傳統(tǒng)的直線進(jìn)行改進(jìn)，如新型的磁阻電機(jī)、磁通切換永磁直線電機(jī)、永磁同步電機(jī)等。英國(guó)科學(xué)家M. A. Mueller對(duì)波浪發(fā)電用永磁直線電機(jī)進(jìn)行了研究，采用空心繞組和無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)降低了電機(jī)的磁阻力，采用模塊化結(jié)構(gòu)提高電機(jī)的輸出功率。
美國(guó)學(xué)者D. M. Joseph提出了浮標(biāo)式直驅(qū)波浪發(fā)電裝置，將圓筒形永磁直線電機(jī)安裝于浮子內(nèi)，利用波浪起伏運(yùn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，并研究了電機(jī)的空載特性和負(fù)載特性。但該類型直線電機(jī)也存在一些需要改進(jìn)之處：首先，這些直線電機(jī)需要與直驅(qū)波浪發(fā)電裝置相配合設(shè)計(jì)，且體積較大，功率密度低，輸出電能中存在較高的諧波含量；其次，永磁直線電機(jī)的初級(jí)鐵心與次級(jí)永磁體之間存在較大的磁阻力，影響電機(jī)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；最后，我國(guó)海域的波浪能量密度低、波速較低且不規(guī)則，對(duì)波浪發(fā)電用直線電機(jī)的低速特性要求較高。
本文針對(duì)近海岸或孤島周邊的波浪能量密度低、波高較小、波長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況，提出了應(yīng)用于直驅(qū)式波浪發(fā)電裝置的低速雙動(dòng)子永磁直線電機(jī)。該電機(jī)具有直線運(yùn)動(dòng)行程短、磁能密度高、磁阻力波動(dòng)小、輸出電能質(zhì)量高等特點(diǎn)。
由于利用Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)的單側(cè)聚磁特點(diǎn)，并優(yōu)化電機(jī)的雙動(dòng)子與雙側(cè)永磁體結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)單位體積的磁能密度。因此，在短行程、低速運(yùn)行下可以提高電機(jī)輸出效率，降低電機(jī)用料成本。此外，該電機(jī)采用雙側(cè)永磁體結(jié)構(gòu)及圓筒式對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故增強(qiáng)了氣隙徑向磁通密度及輸出電壓，減小了氣隙軸向磁通密度及電機(jī)軸向與徑向的磁阻力。
首先，對(duì)低速雙動(dòng)子直線電機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。結(jié)合直線電機(jī)與永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)電機(jī)的電磁負(fù)荷、運(yùn)動(dòng)行程和速度，給出電機(jī)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)；建立電機(jī)的三維電磁場(chǎng)模型，根據(jù)磁場(chǎng)分析法對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并采用有限元分析方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)電機(jī)模型的正確性及磁場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。
其次，對(duì)電機(jī)的雙側(cè)永磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，使得氣隙磁場(chǎng)磁通密度徑向分量增強(qiáng)，提高氣隙磁能密度和磁場(chǎng)正弦性；使氣隙磁場(chǎng)磁通密度軸向分量減弱或抵消，減少電機(jī)軸向磁阻力波動(dòng)；分析電機(jī)的空載特性和負(fù)載特性，降低電機(jī)內(nèi)阻，提高電機(jī)發(fā)電效率。
最后，應(yīng)用同種結(jié)構(gòu)的單側(cè)Halbach結(jié)構(gòu)的單動(dòng)子圓筒形永磁直線電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：對(duì)電機(jī)進(jìn)行恒速和變速實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電機(jī)模型的正確性；配合直驅(qū)波浪發(fā)電裝置進(jìn)行波浪變速實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)效率和輸出電能質(zhì)量。

圖1 雙動(dòng)子直線電機(jī)三維模型

圖12 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)

圖13 波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
結(jié)論
 
本文提出一種用于直驅(qū)式波浪發(fā)電裝置的圓筒形低速雙動(dòng)子永磁直線電機(jī)，分別采用磁場(chǎng)分析法和軸對(duì)稱的瞬態(tài)有限元法對(duì)電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電磁性能進(jìn)行分析，對(duì)電機(jī)在空載和負(fù)載情況下的輸出電壓進(jìn)行分析，并計(jì)算出該電機(jī)的輸出效率。分析與計(jì)算結(jié)果表明：
1）采用雙側(cè)Halbach結(jié)構(gòu)的雙動(dòng)子永磁直線電機(jī)可以提高電機(jī)徑向磁通密度。通過(guò)優(yōu)化雙動(dòng)子與雙側(cè)永磁體結(jié)構(gòu)，可以有效提高電機(jī)單位體積的磁能密度。
2）采用雙側(cè)Halbach結(jié)構(gòu)的雙動(dòng)子永磁直線電機(jī)可以降低電機(jī)軸向磁通密度，進(jìn)而減少電機(jī)磁阻力波動(dòng)。
3）優(yōu)化該電機(jī)結(jié)構(gòu)，可以在短行程、低速運(yùn)行下提高電機(jī)輸出效率，降低電機(jī)制造成本，提高波浪發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。
4）通過(guò)與單側(cè)Halhach結(jié)構(gòu)的單動(dòng)子永磁直線電機(jī)的對(duì)比分析以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙側(cè)Halhach結(jié)構(gòu)的雙動(dòng)子永磁直線電機(jī)在小型低速波浪發(fā)電領(lǐng)域或類似用途的領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。