一种水溶液离子分离收集装置的制作方法

1.本发明涉及水制氢技术领域和无刷直流电机，具体是指一种水溶液离子分离收集装置。


背景技术：

2.目前发电机有交流发电机和直流发电机。直流发电机有良好的启动特性，运行平稳，调速方便等优点，是交流发电机不可取代的。直流发电机按有无电刷不同，分为有刷直流发电机和无刷直流发电机。输入电流都是经过换向器-电刷或霍尔传感器把直流电转化为交流电驱动电枢旋转。直流有刷发电机是运用最早的直流发电机，技术成熟，性能稳定，但是存在噪声大、发热高、效率低、寿命短、产生火花等缺点。无刷发电机用霍尔传感器代替了电刷，虽然克服了有刷发电机的噪声大、易发热、磨损大、寿命短等缺点，但是也失去了有刷发电机扭矩大、启动快的优点。而且理论上发热除了电刷摩擦外，还有铁芯内涡流产生的热和线圈内阻产生的热，这是有刷发电机和无刷发电机都不可避免的。由于无刷发电机的传感器是安装在非热源区的电磁元件，铜损和铁损产生的的热将会导致传感器性能漂移，出现换向误差，一旦出现换向误差，则发电机效率下降，产热增加形成恶性循环，直至烧毁电子换向装置。霍尔传感器是敏感的电磁元件，在过热环境、有磁场存在和辐射环境中会出现传感错误，发电机功能受损，影响了发电机的使用范围。而无刷发电机的低噪声也是仅在发电机低载或空载情况下才有，在发电机重载是则会出现比有刷发电机更大的噪声，而且会出现发电机振动。因此无刷发电机也无法克服有刷发电机的缺点，而造价更高、技术难度更大。综上所述，直流发电机有良好的启动特性和运行平稳，调速方便等优点，是交流发电机不可取代的，但是也因为直流发电机的上述缺点，限制了发电机向大型化和高速性的发展。
3.目前分解水制氢方法有多种，主要是碱性电解水制氢，其他还有固体聚合物电解水制氢和高温固体氧化物电解水制氢，后两种方法技术复杂、材料要求高、目前尚处于科研阶段。到目前为止，成熟并大规模工业应用的方法是碱性电解水制氢，其技术特点是给电解槽中的阴阳电极板供给直流电，阴极的氢离子(h )得到电子变为氢原子再变为氢气，而水的氢氧根离子(ho-)通过隔膜到达阳极释放电子变为氧气和水。目前多方资料证实每立方米氢气消耗电4.5-5.5kw.h,标准状态下一千克氢气为11.2立方米，即每千克氢气需耗电50-60kw.h。耗电的原因即是电能直接提供电子给氢氧离子而分解水，而大幅消耗了电流。有6.02
×
1023个氢气分子，产生1克氢气即需1.6
×
10-19
×
6.02
×
10239
÷
2＝96320库仑电量，这就要求电源提供大量电流才能满足电解进行，所以其能耗大，而且为了提高电解效率，需维持电解液在70-100℃，导致了隔膜材料的损耗，增加了成本。
4.所以，一种水溶液离子分离收集装置成为人们亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是一种水溶液离子分离收集装置。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为一种水溶液离子分离收集装置：包括绝缘支架、磁极座、永磁体、轴承、硅钢片以及导电体；
7.所述绝缘支架包括底盖、顶盖以及侧板；所述底盖及顶盖件对称设置有两个连接二者的侧板；
8.所述磁极座呈圆盘状设置于绝缘支架内且且阵列设有若干个，所述磁极座的外周设有传动槽，一面或两面设置有与永磁体配合的呈圆型的环形槽；所述磁极座上设置有与其共轴线的的转轴，所述转轴两端分别与底盖及顶盖连接；
9.所述永磁体安装于环形槽内，相邻每两个磁极座和永磁体构成一个磁场；
10.所述硅钢片包括厚型硅钢片以及薄型硅钢片；所述厚型硅钢片中心轴处设置有与磁极座相连的轴承，所述厚型硅钢片上设置有与绝缘支架连接的硅钢片固定键；所述薄型硅钢片呈圆环形且设置于两个磁场中间；
11.所述导电体连续通过两个极性相反的磁场环绕设置。
12.作为改进，所述多个磁极座外缘构成传动盘。
13.作为改进，所述磁极座采用非磁性材料制成。
14.作为改进，所述转轴通过安装在底盖、顶盖以及较厚的硅钢片上的轴承连接，两个磁场中间的磁极座转轴中空呈圆筒状为空心轴，上部与下部的两个磁极座上的转轴呈实心轴，并与传动盘相连带动磁场旋转。
15.作为改进，所述永磁体均由方形永磁块和弧形磁组成，通过螺钉和胶固定在磁极座的环形槽内；单面设有环形槽的磁极座形成单向磁极；双面设有环形槽的磁极座形成双向磁极；永磁体与磁极座之间设有导磁材料相隔形成磁屏蔽；永磁体和磁极座可为多个，每相邻的两组永磁体组成一个磁场，每两个相邻的磁场极性相反，构成一组导体缠绕通过的磁场。
16.作为改进，所述厚型硅钢片轴心处有圆环孔和轴承槽，通过轴承与穿过磁极座的转轴相连；薄型硅钢片置于两个磁场中间且设置有若干个，所述薄型硅钢片可切割呈扇形，起导磁作用。
17.作为改进，所述磁极座上设置有通过螺钉固定于永磁体表面的硅钢片，起保护磁铁并导磁的作用。
18.作为改进，所述导电体连续从固定中间磁极座的硅钢片外缘到中心通过圆筒状轴穿过，再经另一片固定中间磁极座的硅钢片中心到外缘通过。
19.作为改进，所述导电体为金属漆包线和装有电解质水溶液的可导磁或透磁管道。
20.作为改进，所述导电体通过直流电源，在安培力作用下磁场带动传动盘旋转，起直流发电机作用。
21.本发明与现有技术相比的优点在于：
22.与传统电解水制氢相比，具有设备简单，性能稳定，不需要电解槽、隔膜等，不须加热电解液，因此成本更低，因电解液经此装置处理后阴阳离子通过管道分离后处于独立的两端，两端产生的氢气和氧气也是独自存在的，因此收集气体更方便，氢气和氧气没有混合，因此氢气更纯，更安全。
23.电解质水溶液经过此装置处理后，其中的阴阳离子在感应电势差作用下分离开并分别向导体两端聚集，因此可把分解开的阴阳离子分别独立收集起来，起蓄电池作用，放电
时又释放出氢气和氧气。降低了氢气储存、运输和使用的成本和风险。
24.解决了目前直流发发电机噪声大、易磨损、功率小、寿命短等缺点，相对于传统发电机包括直流和交流发电机，避免了传统直流发电机因电刷-换向器导致的火花、易磨损、寿命短、噪声大等缺点，也克服了无刷发电机传感器启动启动扭矩小、运行环境受限、传感器易受损等缺点。本发明不须电刷-换向器及传感元件，因此制作制造成本更低，没有换向装置的限制，可向大型化及高速性发展。输入或输出电流不经换向或滤波等处理，因此输入或输出的电流与磁场中产生或进入磁场的电流完全一致，是真正的直流发电机，其机械性能更平稳。
附图说明
25.图1是本发明一种水溶液离子分离收集装置的结构示意图。
26.图2是本发明一种水溶液离子分离收集装置的内部结构示意图。
27.图3是本发明一种水溶液离子分离收集装置的电解原理图。
28.图4是本发明一种水溶液离子分离收集装置的硅钢片结构示意图一。
29.图5是本发明一种水溶液离子分离收集装置的部分结构示意图一。
30.图6是本发明一种水溶液离子分离收集装置的部分结构示意图二。
31.图7是本发明一种水溶液离子分离收集装置的硅钢片结构示意图二。
32.图8是本发明一种水溶液离子分离收集装置的硅钢片结构示意图三。
33.如图所示：1、绝缘支架，2、磁极座，3、永磁体，4、轴承，5、硅钢片，6、导电体，7、底盖，8、顶盖，9、侧板，10、传动槽，11、转轴，12、厚型硅钢片，13、薄型硅钢片，14、硅钢片固定键，15、空心轴，16、实心轴。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明一种水溶液离子分离收集装置做进一步的详细说明。
35.结合附图1-8，一种水溶液离子分离收集装置，包括绝缘支架1、磁极座2、永磁体3、轴承4、硅钢片5以及导电体6；
36.所述绝缘支架1包括底盖7、顶盖8以及侧板9；所述底盖7及顶盖8件对称设置有两个连接二者的侧板9；
37.所述磁极座2呈圆盘状设置于绝缘支架1内且且阵列设有若干个，所述磁极座2的外周设有传动槽10，一面或两面设置有与永磁体3配合的呈圆型的环形槽；所述磁极座2上设置有与其共轴线的的转轴11，所述转轴11两端分别与底盖7及顶盖8连接；
38.所述永磁体3安装于环形槽内，相邻每两个磁极座2和永磁体3构成一个磁场；
39.所述硅钢片5包括厚型硅钢片12以及薄型硅钢片13；所述厚型硅钢片12中心轴处设置有与磁极座2相连的轴承4，所述厚型硅钢片12上设置有与绝缘支架1连接的硅钢片固定键14；所述薄型硅钢片13呈圆环形且设置于两个磁场中间；
40.所述导电体6连续通过两个极性相反的磁场环绕设置。
41.所述多个磁极座2外缘构成传动盘。
42.所述磁极座2采用非磁性材料制成。
43.所述转轴11通过安装在底盖7、顶盖8以及较厚的硅钢片5上的轴承4连接，两个磁
场中间的磁极座2转轴11中空呈圆筒状为空心轴15，上部与下部的两个磁极座2上的转轴11呈实心轴16，并与传动盘相连带动磁场旋转。
44.所述永磁体3均由方形永磁块和弧形磁组成，通过螺钉和胶固定在磁极座2的环形槽内；单面设有环形槽的磁极座2形成单向磁极；双面设有环形槽的磁极座2形成双向磁极；永磁体3与磁极座2之间设有导磁材料相隔形成磁屏蔽；永磁体3和磁极座2可为多个，每相邻的两组永磁体3组成一个磁场，每两个相邻的磁场极性相反，构成一组导体缠绕通过的磁场。
45.所述厚型硅钢片12轴心处有圆环孔和轴承4槽，通过轴承4与穿过磁极座5的转轴11相连；薄型硅钢片13置于两个磁场中间且设置有若干个，所述薄型硅钢片13可切割呈扇形，起导磁作用。
46.所述磁极座2上设置有通过螺钉固定于永磁体3表面的硅钢片5，起保护磁铁并导磁的作用。
47.所述导电体6连续从固定中间磁极座2的硅钢片5外缘到中心通过圆筒状轴穿过，再经另一片固定中间磁极座2的硅钢片5中心到外缘通过。
48.所述导电体6为金属漆包线和装有电解质水溶液的可导磁或透磁管道。
49.所述导电体6通过直流电源，在安培力作用下磁场带动传动盘旋转，起直流发电机作用。
50.本发明的工作原理：本发明的目的是为了解决目前直流发电机噪声大、易磨损、功率小、寿命短等缺点，根据闭合导体切割磁场产生感应电动势和在载流导体在磁场中受到安培力作用的原理，用永磁体3固定于不导磁的圆环形金属支架上，圆环中间用中空的转轴11固定在也呈圆环形的硅钢片5(或其他软磁性材料)上，硅钢片5固定于外周的框架或壳体上。装有磁体的金属支架作为传动盘，可任意旋转。这样的传动盘可设置为中间一个金属支架上下两面各装有极性相同的磁体。另外两个传动盘设置在此磁体的上下两方并且磁极相同，但与中间磁体的极性相反，也是由永磁体3固定于不导磁的金属支架上，但是只有与中间磁体相对的一面安装有磁体。此单面装有永磁体3的两个传动盘一端用实心轴16通过装在框架上的轴承4固定在框架上，另一端经相同的轴通过轴承4固定在硅钢片5上，此硅钢片5也固定在框架上。如上下两个支架安装n极向外的磁体，中间的支架安装s极向外的磁体。由此形成两个n-s和一个s-n可旋转的磁场。两个磁场之间设置有多片圆环形硅钢片5，硅钢片5起传导磁场的作用，金属漆包线或电解液导管从此硅钢片5之间由圆环外缘向圆环状中心再经中间磁场空心轴15穿过，进入另一个极性相反的磁场中间的硅钢片5圆环中心，再经此圆环外缘穿出，再进入原先穿过的磁场之间的硅钢片5(也可相反方向穿过)。如此反复串联缠绕在两个相反的磁场之间。把金属漆包线的两端接通直流电源，根据安培定律，假设漆包线或电解液导管由下面磁场中的硅钢片5外缘穿入，经内环中间向上再经上面磁场中的硅钢片5外缘穿出，下面的载流导体根据左手定则受到向外的安培力，上面的载流导体也受到向外的安培力。因载流导体和硅钢片5固定不动，所以将推动可旋转的装有永磁体3的传动盘向同一方向旋转。同理，如果装有永磁体3的传动盘是由外力带动旋转，根据法拉第电磁感应定律，将在导体的两端产生感应电势差，联通导体两端，将产生稳定的感应电流。如果导体为电解液，此电势差促使电解液中的阴阳离子分别向两端移动，而将电解液中的阴阳离子分离开。如果电解液为氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液，经过此装置循环处理后，一端
分离为h 和na ，另一端分离为ho-。
51.相对于传统发电机包括直流和交流发电机，与电枢绕组相对应的是一个方向缠绕在两个极性相反的磁场中硅钢片5的金属漆包线，即一根导线同向缠绕形成单一的串联绕组，输入和输出电源只须首尾相接即可，不须要换向器和电刷，也不需要霍尔传感器。因此避免了传统直流发电机因电刷-换向器导致的火花、易磨损、寿命短、噪声大等缺点，也克服了无刷发电机传感器启动启动扭矩小、运行环境受限、传感器易受损等缺点。本发明不须电刷-换向器及传感元件，因此制作制造成本更低，没有换向装置的限制，可向大型化及高速性发展。输入或输出电流不经换向或滤波等处理，因此输入或输出的电流与磁场中产生或进入磁场的电流完全一致，是真正的直流发电机，其机械性能更平稳。
52.根据安培定律，载流导体在磁场中受到的安培力f＝b.i.lisinθ，目前发电机载流导体在磁场中都是轴向旋转，其所受安培力呈正弦变化，因其电磁转矩m＝n.d.b.i.lisinθ(n-导体环绕的匝数，b-磁感应强度，i-电流强度，dl-有效电流元，f-安培力，m-电磁转矩，d-电枢直径，l-磁场中的有效载流导体长度，θ-导体与磁场的角度)，所以电磁转矩也呈正弦变化。本发明载流导体恒定垂直于磁场，θ＝90
°
，载流导体所受电磁力和电磁转矩呈直线，无曲线变化，而且永远是受力的最大值，即电磁转矩恒定是以目前相同规模发电机的最大值运行。因此本发明较传统发电机运行更平稳，转矩也更大。
53.与传统发电机相比，本发明的铁芯就是较薄的圆环形硅钢片5，在磁场中旋转或磁场旋转，产生的感应电动势方向是外缘指向圆环中心或中心指向外缘，只要圆环中心和外缘部分没有导体相连，就不会形成环形电流，也就不会出现发电机的铁损。本发明圆环形硅钢片5外缘是固定在绝缘支架1上，因此没有铁损，不易发热。
54.作为发发电机使用时，根据电磁感应定律，产生的感应电动势e＝1/2.b.l2.ω(e-电动势，b-磁感应强度，l-导体长度或磁场半径，ω-转动角速度)，b和l是不变的，只要角速度不变,产生的感应电动势也是稳定不变的。本发明的导体因恒定垂直切割磁场的磁力线，产生的感应电动势只随角速度而变化，可以不经换向器输出较为稳定的直流电能。
55.把氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液，放置于可导磁的管道内，管道跟金属漆包线一样经与与双面磁极相连的圆环形硅钢片5中间的圆筒形轴，连续环状缠绕于中间两片硅钢片5和双面磁极上，形成一串联绕组。外力带动传动盘内的磁场旋转，将在电解液中形成持续稳定并逐步加大的电势差，此电势差将促使氢氧化钠或氢氧化钾溶液中的阴阳离子分别向两端移动，经过此装置循环处理后，一端分离为h 和na ，另一端分离为ho-。可以把分开的阴阳离子独立收集使用。电势差达到一定值时，如果连通管道形成闭合回路，此电势差形成电流并分解两端的水为氢气和氧气，从而取到分解水制氢的作用。与传统电解水制氢相比，具有设备简单，性能稳定，不需要电解槽、隔膜等，不须加热电解液，因此成本更低。因电解液经此装置处理后阴阳离子通过管道分离后处于独立的两端，两端产生的氢气和氧气也是独自存在的，因此收集气体更方便，氢气和氧气没有混合，因此氢气更纯，更安全。
56.本发明一种水溶液离子分离收集装置的具体实施过程如下：
57.该装置由绝缘材料支架、不导磁的金属磁极座2、永磁体3构成的磁极、圆盘形硅钢片5、轴承4、传动盘、导电体6组成。永磁体3固定于金属磁极座2上，分为单面和双面磁极。单面磁极两个，极性相同，配置于顶部和底部的绝缘支架1上，通过轴承4与支架相连。双面磁极一个，配置于装置中间，呈圆环形，内环有圆筒形轴承4连接于两片硅钢片5上，两面磁极
极性相同并分别与上下单面磁极对应构成两对极性相反的磁场。三个磁极与金属磁极座2一起构成传动盘。圆盘形硅钢片5分为两个部分。厚型硅钢片12的4片，上下两片中间开圆形槽安置轴承4，通过实心轴16固定于绝缘支架1上下面，边缘呈条状延伸也固定于绝缘支架1上。中间两片呈圆环形，内环装有轴承4和圆筒形轴，边缘呈条状延伸也固定于绝缘支架1上。圆环形薄型硅钢片13多片，置于两个磁场中间，起导磁作用。导电体6通过两个磁场，经与双面磁极相连的圆环形硅钢片5中间的圆筒形轴，连续环状缠绕于中间两片硅钢片5和双面磁极上，形成单一绕组。接通直流电源，根据安培定律，通电导体在磁场中产生安培力，上下两个磁场中导体电流方向相反，而上下两个磁极极性也相反，因此所产生的安培力在两个磁场中方向一致。绕组和硅钢片5固定，安培力将推动磁极座2和磁极组成的传动盘向同一个方向旋转。外力带动该传动盘旋转，根据电磁感应定律，必将在绕组中产生恒定的直流电源。本装置电能和机械能之间不经换向、滤波等过程而是直接转化，机械能和电能之间消长完全同步，其性能具有恒定性和稳定性。
58.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。