直驱式波浪发电用全超导初级励磁型直线发电机机理研究

Linear generators for Direct-driven Wave Energy Generation have disadvantages of huge size, low efficiency and uncontrollable magnetic field. To overcome these disadvantages, based on the characteristics of magnesium diboride （MgB2） wires and flux-switching machines, a tubular fully-superconducting primary-excitation linear generator is proposed for direct-driven wave energy generation. MgB2 superconducting wires are applied to both the armature windings and field winding of the proposed generator. The field windings (DC) are used to increase power density and adjust the magnetic field. The superconductor armature windings (AC) are employed to reduce the losses and reactance, increase the efficiency and power factor. The core multi-tooth primary-excitation structure is designed to raise magnetic intensity, increase changing-rate of magnetic field and effective voltage, and simplify cooling structure..Based on the performance of superconductor windings, the topology of the fully-superconducting primary-excitation linear generator is studied. The losses of the superconductor windings are precisely calculated and the reasonable winding construction and superconducting joints are provided. The Optimal Methods are proposed by analyzing the mechanism of cogging force and harmonics of magnetic field as well as studying the factors causing low efficiency and power factor. Both the excitation and load are considered, an optimal electromagnetic force control strategy is researched. An experimental prototype and the control system of the proposed generator are manufactured and used to complete experimental studies. In addition，the general discipline and methods of design, optimization and control of fully superconducting primary excitation linear generator are summarized.

为解决直驱式波浪发电用直线电机体积大、效率低、磁场不可控等问题，基于二硼化镁（MgB2）材料和磁通切换电机等定子励磁电机的特点，将超导引入到电机的电枢和励磁绕组，提出一种直驱式波浪发电用圆筒状全超导初级励磁型直线发电机。以超导励磁绕组增大功率密度、实现磁场可调；以超导电枢绕组降低损耗，减小电抗，提高效率和功率因数；用有铁芯、多齿、初级励磁结构，弥补MgB2场强相对较低的不足、增加磁场变换率和有效电压、简化冷却结构。.结合超导绕组特性，开展全超导初级励磁型直线发电机的拓扑结构研究；完成超导绕组损耗的精确计算、超导绕组结构以及超导线接头的合理设计；分析电机定位力和磁场谐波的产生机理，研究造成效率、功率密度和功率因数低的因素，提出相应的优化方法；研究结合励磁和负载控制的电磁力直接控制策略, 制作电机样机和控制系统，完成相关实验研究。总结全超导初级励磁型直线发电机设计、优化和控制的一般规律和方法。

采用直线发电机的直驱式波浪发电系统减少了中间传动机构，具有结构更加简单、系统转换效率更高的优点，是波浪能发电技术的主要发展方向。由于采用波浪直驱具有很低的直驱速度，而直线电机气隙远大于旋转电机，造成直线发电机功率密度较小，体积较大。因此基于超导材料的发展，提出结构简单的初级励磁超导直线发电机的研究。本项目主要开展用于直驱式波浪发电的初级励磁超导直线发电机及其控制技术研究。分析了波浪的工作原理，分析了浮筒在海洋波浪中的垂直方向运动过程，推导出了双浮筒漂浮式波浪发电装置的运动模型。基于磁通切换永磁直线电机，提出磁通切换型圆筒形初级励磁直线发电机，对电机的基本性能进行了分析，同时对电机进行了优化设计。为改善电机的启动性能，提出了一种混合磁场初级励磁超导发电机，对电机进行了优化设计和分析。针对直驱式波浪发电系统的运动特点，提出基于波浪运行变化的励磁调节方法，并进行了仿真分析。结合磁场调制原理，提出新型磁通切换初级励磁直线发电机，并与其它的常规电机进行了对比分析。完成了超导绕组线圈的设计，分析了超导绕组的交流磁滞损耗，交流涡流损耗。推导了绕组的损耗公式，并对电机的交流损耗进行了估算。针对直驱式波浪发电机，建立了电机的能量捕获控制策略，采用全控整流和全控逆变搭建了发电机并网控制系统，采用d、q轴电流解耦控制策略实现了机侧和网侧的协调控制。搭建了超导测试系统，在实验室完成了超导绕组的测量。搭建了直驱式波浪发电模拟平台，实现直驱式波浪发电运动模拟。研制了常导初级励磁直线发电机，以验证电机的工作原理和实验平台的工作性能。搭建了电机控制系统，并进行了电机的并网运行控制实验。通过研究，获得了初级励磁超导直线发电机的设计、优化和控制方法。为该类电机及其在直驱式波浪发电系统中的应用提供参考。