海洋波浪能源取之不盡，用之不竭，且是可再生的清潔能源。開發(fā)和利用海洋波浪能對緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染問題具有重要的意義。從20世紀(jì)70年代世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)開始，國內(nèi)外學(xué)者便開始對波浪能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的理論和應(yīng)用研究，并建立了波浪發(fā)電站。20世紀(jì)80年代，英國、葡萄牙、荷蘭、丹麥和印度等國家積極開展了大型波浪發(fā)電系統(tǒng)的研究。

與風(fēng)能等新能源發(fā)電不同，我國開始波浪發(fā)電研究相對較晚，且主要集中在小型波浪發(fā)電裝置研究上。中國科學(xué)院廣州能源所、國家海洋局等機(jī)構(gòu)相繼開展了波浪發(fā)電技術(shù)研究，中國海洋大學(xué)史宏達(dá)教授課題組對振蕩水柱式波浪發(fā)電模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析。

當(dāng)前根據(jù)能量轉(zhuǎn)換過程采用海洋波浪能進(jìn)行發(fā)電的裝置結(jié)構(gòu)主要分為兩種類型，即直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)和三級能量轉(zhuǎn)換式波浪發(fā)電系統(tǒng)。其中三級能量轉(zhuǎn)換式波浪發(fā)電系統(tǒng)是通過第一級能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)進(jìn)行波浪能的俘獲；然后再通過第二級能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將上一級俘獲的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（如采用水力透平、空氣透平、液壓電動機(jī)、齒輪增速機(jī)構(gòu)等）；最后通過第三級能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（如旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)等）將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

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，使得整個發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)更加簡單，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)減少了中間傳動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加簡單，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。英國科學(xué)家M. A. Mueller對波浪發(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)的初級鐵心與次級永磁體之間存在較大的磁阻力，影響電機(jī)運(yùn)動的平穩(wěn)性；最后，我國海域的波浪能量密度低、波速較低且不規(guī)則，對波浪發(fā)電用直線電機(jī)的低速特性要求較高。

本文針對近海岸或孤島周邊的波浪能量密度低、波高較小、波長較長的情況，提出了應(yīng)用于直驅(qū)式波浪發(fā)電裝置的低速雙動子永磁直線電機(jī)。該電機(jī)具有直線運(yùn)動行程短、磁能密度高、磁阻力波動小、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，對低速雙動子直線電機(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)的三維電磁場模型，根據(jù)磁場分析法對電機(jī)電磁場進(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計(jì)算的準(zhǔn)確性。

其次，對電機(jī)的雙側(cè)永磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，使得氣隙磁場磁通密度徑向分量增強(qiáng)，提高氣隙磁能密度和磁場正弦性；使氣隙磁場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；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)的單動子圓筒形永磁直線電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：對電機(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

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子永磁直線電機(jī)，分別采用磁場分析法和軸對稱的瞬態(tài)有限元法對電機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)電磁性能進(jìn)行分析，對電機(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)的雙動子永磁直線電機(jī)可以提高電機(jī)徑向磁通密度。通過優(yōu)化雙動子與雙側(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。

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）通過與單側(cè)Halhach結(jié)構(gòu)的單動子永磁直線電機(jī)的對比分析以及實(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。