学术简报｜用于波浪发电装置的永磁阵列直线电机：短行程、磁阻力波动小、输出效率高
金陵科技学院机电工程学院、东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心的研究人员张静、余海涛等，在2018年第19期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“一种波浪发电装置用低速双动子永磁直线电机运行机理研究”），提出了一种用于直驱式波浪发电装置的短行程、低速、双动子双侧Halbach永磁阵列直线电机。研究该电机的运行机理及电磁特性，通过优化电机永磁体结构提高电机磁能密度及发电效率，降低电机磁阻力。
首先，根据电机的电磁负荷、运动行程和平均速度，给出电机模型的初始设计结构和参数，采用磁场分析法辅助有限元法分析电机电磁特性，验证电机模型的正确性。其次，对Halbach永磁阵列拓扑结构及其磁场分布进行计算与分析，研究电机径向磁通密度增强原理与电机轴向磁通密度抵消原理，对电机双侧Halbach永磁结构进行优化，提高电机磁能密度及输出电压幅值，降低电机轴向磁阻力，减少电机低速运行过程中的振动；研究电机在恒速及正弦速度下的电动势曲线，并计算电机的输出效率。最后，采用一台圆筒形永磁直线电机验证在不同波浪参数下的输出电压曲线。
分析与计算结果表明双动子双侧Halbach永磁阵列直线电机较其他类型电机具有磁能密度高、磁阻力波动小及输出效率高的优势。
海洋波浪能源取之不尽，用之不竭，且是可再生的清洁能源。开发和利用海洋波浪能对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义。从20世纪70年代世界范围内的能源危机开始，国内外学者便开始对波浪能发电技术进行相关的理论和应用研究，并建立了波浪发电站。20世纪80年代，英国、葡萄牙、荷兰、丹麦和印度等国家积极开展了大型波浪发电系统的研究。
与风能等新能源发电不同，我国开始波浪发电研究相对较晚，且主要集中在小型波浪发电装置研究上。中国科学院广州能源所、国家海洋局等机构相继开展了波浪发电技术研究，中国海洋大学史宏达教授课题组对振荡水柱式波浪发电模型进行了数值计算与分析。
当前根据能量转换过程采用海洋波浪能进行发电的装置结构主要分为两种类型，即直驱式波浪发电系统和三级能量转换式波浪发电系统。其中三级能量转换式波浪发电系统是通过第一级能量转换机构进行波浪能的俘获；然后再通过第二级能量转换机构将上一级俘获的能量转换成机械能（如采用水力透平、空气透平、液压电动机、齿轮增速机构等）；最后通过第三级能量转换机构（如旋转发电机等）将机械能转换成电能。
直驱波浪发电技术是利用直线电机将波浪能直接转换成电能的一种发电技术，因省略中间的能量转换装置使波浪能与电能之间的转换效率明显提升。永磁直线电机具有结构简单、能量转换效率高、推力密度大等优点，已广泛应用于工业自动化领域，采用永磁直线电机的直驱式波浪发电装置也引起了国内外科学研究的重视。
20世纪90年代，荷兰学者将永磁直线电机应用到阿基米德式（Archimedes Wave Swing, AWS）波浪发电系统中，使得整个发电装置结构更加简单，因此提高了发电系统稳定性。由此可见，直驱式波浪发电系统减少了中间传动机构，结构更加简单，转换效率更高，是波浪能发电系统的主要发展方向之一。
目前已经有多种结构的新型直线电机应用于波浪发电装置中，即将传统的直线进行改进，如新型的磁阻电机、磁通切换永磁直线电机、永磁同步电机等。英国科学家M. A. Mueller对波浪发电用永磁直线电机进行了研究，采用空心绕组和无铁心结构降低了电机的磁阻力，采用模块化结构提高电机的输出功率。
美国学者D. M. Joseph提出了浮标式直驱波浪发电装置，将圆筒形永磁直线电机安装于浮子内，利用波浪起伏运动进行发电，并研究了电机的空载特性和负载特性。但该类型直线电机也存在一些需要改进之处：首先，这些直线电机需要与直驱波浪发电装置相配合设计，且体积较大，功率密度低，输出电能中存在较高的谐波含量；其次，永磁直线电机的初级铁心与次级永磁体之间存在较大的磁阻力，影响电机运动的平稳性；最后，我国海域的波浪能量密度低、波速较低且不规则，对波浪发电用直线电机的低速特性要求较高。
本文针对近海岸或孤岛周边的波浪能量密度低、波高较小、波长较长的情况，提出了应用于直驱式波浪发电装置的低速双动子永磁直线电机。该电机具有直线运动行程短、磁能密度高、磁阻力波动小、输出电能质量高等特点。
由于利用Halbach永磁阵列结构的单侧聚磁特点，并优化电机的双动子与双侧永磁体结构，提高电机单位体积的磁能密度。因此，在短行程、低速运行下可以提高电机输出效率，降低电机用料成本。此外，该电机采用双侧永磁体结构及圆筒式对称结构，故增强了气隙径向磁通密度及输出电压，减小了气隙轴向磁通密度及电机轴向与径向的磁阻力。
首先，对低速双动子直线电机进行初步设计。结合直线电机与永磁电机的设计方法，根据电机的电磁负荷、运动行程和速度，给出电机的初步设计参数；建立电机的三维电磁场模型，根据磁场分析法对电机电磁场进行数值计算，并采用有限元分析方法验证设计电机模型的正确性及磁场计算的准确性。
其次，对电机的双侧永磁结构进行结构参数优化，使得气隙磁场磁通密度径向分量增强，提高气隙磁能密度和磁场正弦性；使气隙磁场磁通密度轴向分量减弱或抵消，减少电机轴向磁阻力波动；分析电机的空载特性和负载特性，降低电机内阻，提高电机发电效率。
最后，应用同种结构的单侧Halbach结构的单动子圆筒形永磁直线电机样机进行实验：对电机进行恒速和变速实验，验证电机模型的正确性；配合直驱波浪发电装置进行波浪变速实验，优化电机结构，提高电机效率和输出电能质量。
图1 双动子直线电机三维模型
图12 实验样机结构
图13 波浪发电实验平台
本文提出一种用于直驱式波浪发电装置的圆筒形低速双动子永磁直线电机，分别采用磁场分析法和轴对称的瞬态有限元法对电机的静态和动态电磁性能进行分析，对电机在空载和负载情况下的输出电压进行分析，并计算出该电机的输出效率。分析与计算结果表明：
1）采用双侧Halbach结构的双动子永磁直线电机可以提高电机径向磁通密度。通过优化双动子与双侧永磁体结构，可以有效提高电机单位体积的磁能密度。
2）采用双侧Halbach结构的双动子永磁直线电机可以降低电机轴向磁通密度，进而减少电机磁阻力波动。
3）优化该电机结构，可以在短行程、低速运行下提高电机输出效率，降低电机制造成本，提高波浪发电装置的能量转换效率。
4）通过与单侧Halhach结构的单动子永磁直线电机的对比分析以及实验结果表明，双侧Halhach结构的双动子永磁直线电机在小型低速波浪发电领域或类似用途的领域具有一定的应用前景。