Design, Construction and Ocean Testing of Wave Energy Conversion System with Permanent Magnet Tubular Linear Generator

In this paper, the design, construction and ocean testing of a wave energy conversion system are studied. Based on the motion characteristics of double buoys in ocean waves, a wave energy conversion system with permanent magnet tubular linear generator （PMTLG） is proposed to convert ocean wave energy into electricity. The wave energy conversion system was installed in the Yellow Sea near Lianyungang, China. The ocean test re- suits indicate that it had dynamic and static performance, and obtained an expected amount of electricity. The calcu- lation result indicates the average output power was about 1 000 W, and the conversion efficiency from wave en- ergy into electricity was 1.4%. In addition, the wireless data communication, mechanics and oceanography were also discussed.

Prediction of the Inductance in a Synchronous Linear Permanent Magnet Generator

This paper presents calculations of the varying inductances profile for a synchronous linear surface mounted permanent magnet generator in an ABC reference system. Calculations are performed by utilizing the reluctance term, known from analytic calculations and finite element method simulations. With the inductance term identified, the voltage difference between the generator’s no load and load voltage can be calculated and an external circuit can be designed for optimal use of the generator. Two different operation intervals of the linear generator are considered and the results are discussed. The result indicates that time costly finite element simulations can be replaced with simple analytical calculations for a surface mounted permanent magnet linear generator.

基于SOGI高频方波电压注入的永磁直线同步电机无感控制

针对永磁直线同步电机的无感控制技术,为了解决传统高频方波注入法无法准确定位转子位置和转速的问题,提出了基于SOGI高频方波电压注入的无感方法。与传统的高频方波电压注入法不同,为了得到更好的高频电流信号,采用二阶广义积分器提取响应高频电流信号,采用正交锁相环解决反正切函数没有反馈直接放大噪声的影响。为证明无感控制技术的有效性,用Simulink进行了仿真验证。结果表明,基于SOGI高频方波电压注入的无感方法大大降低了误差,缩短了调节时间,提升了响应时间。

基于Halbach充磁的圆筒型永磁直线发电机分析优化

为了提高波浪能发电效率,提出了一种基于Halbach充磁的圆筒型永磁直线发电机。利用有限元分析软件建立电机仿真模型,分析比较了径向充磁、轴向充磁和Halbach充磁三种不同充磁方式对气隙磁场强度及感应电动势的影响;并在Halbach充磁条件下,分别比较了不同气隙大小及永磁体厚度对气隙磁场强度的影响;通过初级两端开辅助槽和选用半开口槽的方式对电机的定位力进行了分析优化。实验结果表明,基于Halbach充磁的圆筒型永磁直线发电机与传统电机相比感应电动势幅值提高了143%,定位力幅值降低了49.3%。

基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法

海洋波浪能是一种新型清洁能源,为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率,针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题,提出基于模糊滑模控制的最大功率控制方法,根据运行状态实时调整趋近律参数,在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波,减小跟踪误差,提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机(PMLG)作为发电装置,建立系统动力学模型,并通过快速傅里叶变换方法预估不规则波浪主频,设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线;在此基础上,将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比,结果表明:模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。

用于波浪滑翔器的永磁直线发电机设计

为提高波浪滑翔器发电机的持续供电能力,设计采用波浪能为波浪滑翔器供电的圆筒型永磁直线发电机,并采用有限元法分析其性能。研究表明:圆筒型永磁直线发电机的气隙磁通密度总谐波正弦畸变率为18.8%,电压的总谐波正弦畸变率为4.1%,发电机的磁场性能与空载特性良好,可为波浪滑翔器提供高品质的电能。随外电路等效负载的增大,直线发电机的输出效率逐渐提高,在等效负载为18Ω时,直线发电机既可满足波浪滑翔器的用电需求,又能保持最大输出效率为69.25%。

永磁直线发电机在直驱式波浪发电系统的应用

针对波浪发电系统中大气隙永磁电机功率密度低的缺点,提出了一种将动子（永磁体）置于外部,永磁体采用准Halbach结构的圆筒型永磁直线电机,该电机可以增大功率密度,且提高气隙磁场强度的正弦程度。在体积相同的前提下,外转子永磁直线电机的功率密度为内转子结构的6-8倍。准Halbach充磁结构的气隙磁密为径向充磁结构的1.39倍。为了防止海水的腐蚀,将定子用环氧树脂密封。采用二维有限元分析优化其电机结构,分析了空载反电动势、负载反电动势、定位力以及损耗。研究表明凸定子结构能有效减小定位力。加工样机,在波浪水池中进行空载以及负载试验,通过仿真分析和实验结果可知,该电机具有功率密度大,与浮子连接方便的特点,能够很好地应用在波浪发电系统中。

基于波浪能的海洋浮标发电系统

波浪能是一种新型的清洁能源,近几年提出多种对波浪能进行开发的方案,但大多都是在波浪和发电机之间加入转化装置,这样效率低,成本高。为简化波能转化装置,提高波浪能的利用率,降低波能转化装置的成本,设计一套基于波浪能的海洋浮标发电系统,可以直接将波浪能转化为电能。详细叙述海洋浮标发电系统方案设计;并对海洋浮标进行运动建模和参数推导分析;基于Matlab对发电机在不同海况下进行仿真,得到空载电压波形,根据波形理论分析出影响发电机性能的主要因素为波高和频率。理论分析及仿真结果可以指导导磁结构的圆筒型直线发电机的理论研究,并为基于波浪能的海洋浮标发电系统的工程应用提供依据。

直驱型海浪发电系统输出功率优化控制策略

直驱型海浪发电系统具有结构简单、安全性高、易于维护的特点。文中以直驱型永磁直线海浪发电机为研究对象,建立了永磁直线发电机的数学模型,推导了基于双自由度和单自由度控制模式的优化功率算法,提出了基于优化功率算法的发电机电磁力控制策略:以海浪的周期和幅值为输入信号,在线计算最优电磁力目标值;发电机电磁力控制采用dq同步旋转坐标下带前馈补偿的矢量解耦控制方法,实现了对永磁直线发电机的解耦控制,充分利用了发电机容量。搭建了基于MATLAB/Simulink的直驱型永磁直线海浪发电机模型,并对直驱型海浪发电的2种优化功率跟踪算法进行了仿真与对比分析,结果验证了模型的合理性及控制策略的有效性。

直驱式波浪发电系统能量跟踪控制

针对直驱式波浪发电系统输出功率波动特性以及直线电机动子往复运动特性,提出一种基于永磁直线电机动子运动方向判断方法的能量跟踪控制策略。首先,根据永磁直线电机数学模型进行仿真模型的搭建和分析,并基于仿真结果设计圆筒式永磁直线电机。进而,提出波浪发电能量跟踪控制策略,并搭建直驱式波浪发电系统整体仿真模型。最后,基于设计的圆筒式永磁直线电机搭建直驱式波浪发电系统硬件模拟平台进行实验研究。通过仿真和实验验证了永磁直线电机动子运动方向判断的方法和能量跟踪控制策略的有效性。

基于模糊逻辑的直驱式海浪发电系统最大功率跟踪控制

针对传统扰动观察法在海浪发电系统应用中存在响应速度慢和最大功率点附近振荡等问题,提出基于模糊逻辑控制的最大功率跟踪控制算法,实现海浪发电系统最大功率跟踪。以永磁同步直线电机作为海浪发电机,建立发电机数学模型;在规则海浪激励下,建立发电系统动力学模型,分析发电机输出功率与发电系统阻尼之间的相关特性。在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型,并与传统扰动观察法在海浪发电中的应用进行仿真对比分析。结果表明,所提出的基于模糊逻辑控制算法具有更好的响应速度和鲁棒性。

用于海浪发电的圆筒型永磁直线发电机性能分析

波浪能是一种清洁的新能源,近几年提出的多种开发波浪能的方案,大多都在波浪能和发电机之间加入转化装置,这样效率低、成本较高。提出了圆筒型永磁直线发电机可以将波浪能直接转化为电能,详细阐述了该发电机的结构和工作原理。该发电机内的电磁场具有轴对称性,故将其三维电磁场简化为二维场。运用电磁场有限元分析软件对发电机进行仿真,并研究其特性,如磁场分布、空载反电动势、绕组磁链、电磁力和绕组电感等,仿真结果可以指导圆筒型永磁直线发电机的理论研究。

圆筒永磁直线波浪发电机设计方法与性能分析

针对圆筒永磁直线波浪发电机(TPMLWG)缺乏成熟的设计程序,存在计算过程繁琐、解析计算方法不精确等缺点,提出一种TPMLWG设计新方法。采用波浪垂直运动速度有效值的整数倍等效为永磁旋转发电机的线速度,利用旋转电机的线速度与角速度之间的数学关系,建立永磁旋转发电机的数学模型,设计并优化关键尺寸。利用该永磁旋转发电机与TPMLWG间的尺寸转换关系,确定TPMLWG的结构参数,建立其参数化有限元模型,仿真分析了额定负载下TPMLWG的输出电压、输出电流、推力和齿槽力。为提高TPMLWG效率,分别从线负荷与极对数选择等方面提出减小铜耗的优化方法。分析结果表明与永磁旋转发电机相同额定功率和额定电压的TPMLWG也具有较高的效率和功率因数。

直驱波浪发电用圆筒型永磁直线电机的磁阻力最小化分析

圆筒型永磁直线发电机(TPMLG)广泛应用于直驱式波浪能发电装置中以提能量转化效率,但由边端力、齿槽力等引起的磁阻力波动是影响永磁直线发电机运动性能及整个能量装置稳定性的主要因素。首先运用傅里叶级数与数值分析相结合的方法对TPMLG边端力进行分析,提出优化动子长度降低边端力的原理与方法;其次,在旋转电机磁场能量计算方法的基础上对TPMLG齿槽力的计算公式进行推导,得到TPMLG齿槽力波动统一公式;最后采用有限元方法(FEM)建立PMLG磁阻力分析模型,在电机不同槽距与极距的匹配情况下,对电机的磁阻力进行仿真分析与验证,得到电机的槽距和极距的最优尺寸。优化理论及仿真分析方法可以指导TPMLG的设计与研究。

圆筒型Halbach永磁单相直线发电机的设计与分析

为了提高海洋表面小波浪能量转换成电能的效率,提出了一种圆筒型Halbach永磁单相直线发电机的结构模型,采用有限元分析法对该永磁单相直线发电机的内部电磁场动态特性进行分析。根据分析电机结构参数对电机性能的影响,优化了电机齿槽结构。分析Halbach永磁体结构的充磁角度的不同对电机磁场性能和磁密曲线的影响。采用磁场能计算的方法对电机的定位力波动进行分析。最后,给出了电机在小波浪运行情况下的实验测试结果。分析和研究表明:圆筒型Halbach永磁单相直线发电机具有磁场正弦性高、定位力波动幅值小、能量转换效率高、结构简单、应用成本低等特点,在海洋波浪能发电领域具有较好的应用前景。

基于AWS的波浪发电系统的建模与仿真

基于阿基米德浮子(Archimedes wave swing,AWS)的波浪发电系统是第1个直接驱动式波浪发电系统,其结构简单,效率较高。对AWS式波浪发电系统的浮子和直线发电机进行建模,给出其驱动系统模型,推导出直线发电机模型在abc坐标和dq坐标之间的变换关系,以及dq坐标下的直线发电模型,为设计其控制器打下基础。利用Matlab仿真软件搭建AWS式波浪发电系统的仿真系统,并进行空载和负载状态下的仿真,验证模型的正确性。

热声发电系统之永磁直线发电机设计

根据热声发电系统的特点,文章选取圆筒式永磁直线发电机作为系统的振子性负载,将传统单一的轴向或径向磁路结构改变为轴向径向混合磁路结构,并利用有限元计算仿真软件ANSOFTMAXWELL 3D,对直线发电机的内部磁场、永磁体所受定位力进行分析计算。计算结果表明,传统结构直线发电机与新型结构直线发电机相比定位力减少了25%。

不同槽型对海浪发电用永磁直线同步发电机的影响研究

针对海浪发电机采用永磁直线同步发电系统会引起电机严重振动进而发生永磁体断裂的问题,基于直线电机与永磁电机理论,分析了两种槽型对海浪发电用永磁直线同步发电机的电磁力的影响,通过仿真计算确定了采用开槽结构进一步优化电机结构,使海浪发电为用永磁直线同步发电机齿槽力最小。

采用初级永磁直线电机的波浪发电技术研究

提出一种用于波浪发电的新型圆筒形初级永磁直线发电机,其次级结构简单,绕组和永磁体均位于初级。给出了发电机基本结构和组合结构,对所提出电机的基本原理进行了分析。采用瞬态有限元方法对所提出电机的空载特性和负载特性进行了仿真分析,给出了仿真结果;与传统典型的动子永磁型电机直线同步发电机进行了对比分析;并采用直线同步发电机样机验证了有限元仿真的正确性。分析结果表明所提出电机具有电压正弦度高、定位力小、转换效率高、低速发电性能好的特点,比较适合作为海浪发电机。

圆筒型永磁直线发电机的结构优化与特性分析

提出了一种基于Halbach阵列结构圆筒型永磁直线发电机的设计方案,详细阐述了该发电机的结构和工作原理,并且采用有限元法对发电机进行电磁分析。通过改变永磁体尺寸、比例系数以及定子齿宽等参数,得到并分析其对发电机反电动势之间的影响,进行电机优化设计。根据优化后的发电机对其负载特性进行了研究。应用冻结磁导率方法求取了电感参数,所得到的仿真结果为圆筒型永磁直线发电机的设计提供了理论依据。