磁悬浮与电磁发电耦合的双自由度流致振动海流发电机

1.本发明涉及一种海流能发电装置，尤其涉及磁悬浮与电磁发电耦合的双自由度流致振动海流发电机。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，煤、石油、天然气等化石燃料进一步开发利用，不可再生能源的短缺，使得人们将目光转向了太阳能、风能、海洋能等可再生能源。在各类可再生能源的开发利用中，海洋能的开发利用越来越受到重视，可预测性强，荷载稳定特别适合海洋新能源的开发利用。
3.流致振动现象是指流体流经固体时会对其表面施加交替相间的流体力，固体发生往复运动，而固体的往复运动又改变流体流态，进而改变作用于固体表面的流体力的流体与固体相互作用的现象。通过流致振动现象利用海流能发电是当下热议的话题，但是海底环境复杂，对如何研究开发高效稳定、安全可靠的海流能发电装置成为了一个重要课题。现阶段大部分流致振动发电装置都采用金属弹簧，而金属弹簧使用寿命短，需定期跟换。于是有学者提出了磁力悬浮弹簧，用永磁体充当弹簧结构与流致振动发电装置结合可以减少损耗，延长使用寿命。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明目的是提供磁悬浮与电磁发电耦合的双自由度流致振动海流发电机，用于解决传统结构金属弹簧使用寿命短损耗较大的问题，从而延长发电装置的使用寿命，提高发电装置的发电效率。
5.技术方案：本发明包括底座，所述底座的两端对称安装有定子绕组结构，两侧的定子绕组结构之间设有振子结构，所述的振子结构安装在底座上，所述的定子绕组结构包括定子磁盘，两侧定子磁盘相互靠近的一端均安装有电枢盘，所述的电枢盘表面环形阵列有多个线圈绕组，所述的振子结构包括振子，所述的振子两端均安转有振子磁盘，所述的振子磁盘与定子磁盘的磁极相斥。
6.所述的电枢盘表面环形阵列有若干个绕组支撑体，每个绕组支撑体上均固定有线圈绕组，线圈绕组呈三角形分别嵌入多个绕组支撑体内。
7.所述的定子磁盘表面沿环形阵列有多个第一凹槽，每个第一凹槽内均安装有永磁体，并使永磁体n极朝内，s极朝外。
8.所述的电枢盘上设置有霍尔传感器和控制器，所述的霍尔传感器与控制器相接。
9.所述定子磁盘的底部通过支撑柱安装在底座对应的槽口处，所述的支撑柱中间设有通道，用于放置连接线，支撑柱内的通道通过槽口与底座内部连通。
10.所述的振子结构通过摇杆安装在底座上，所述的摇杆包括导杆，所述导杆的一端与振子转动连接，另一端通过连接杆与固定杆连接，所述的固定杆安装在底座上。
11.所述的振子磁盘内环形阵列有多个第二凹槽，所述的第二凹槽内安装有永磁体，
并使永磁体s极向内，n极向外。
12.所述振子磁盘的端部安装有顶盖。
13.所述的电枢盘和定子磁盘同轴安装。
14.所述的底座内安装有蓄电池，蓄电池一端与控制器连接，另一端与发电装置连接。
15.有益效果：本发明采用永磁体磁盘结构代替传统金属弹簧结构，结构之间无机械接触，能量损耗相对减少，装置可以更大程度的捕获能量从而提高发电效率；采用双定子与单振子结构，装置转动惯量小，散热效果好，结构中的磁盘结构使得装置呈双自由度运动，增大了与绕组间的磁通量变化，从而提升发电效率；使用传感器与控制器控制调节装置变换电流方向，减小了运行时的干扰和摩擦，使装置运行更加稳定；启动流速低，适合在低流速海域工作，且装置结构简单便于后期维护与更换。
附图说明
16.图1是本发明的整体结构示意图一；
17.图2是本发明的整体结构示意图二；
18.图3是本发明的定子绕组结构示意图一；
19.图4是本发明的定子绕组结构示意图二；
20.图5是本发明的定子绕组结构示意图三；
21.图6是本发明的振子结构示意图；
22.图7是本发明的振子内部结构示意图；
23.图8是本发明的摇杆结构示意图；
24.图9是本发明的运动轨迹示意图；
25.图10是本发明的控制调节原理示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步说明。
27.如图1和图2所示，本发明包括底座1，底座1顶部的两端对称安装有定子绕组结构4，连接处做防水密封处理，两侧的定子绕组结构4之间设有振子结构3，振子结构3 通过摇杆2安装在底座1顶部。
28.底座1两侧的定子绕组结构4构成了双定子绕组结构，如图3至图5所示，定子绕组结构4包括定子磁盘53，定子磁盘53一端安装有环形外壳51，环形外壳51选用绝缘材料，另一端安装有电枢盘54，电枢盘54和定子磁盘53同轴安装，定子磁盘53底部通过支撑柱52安装在底座1对应的槽口11处，支撑柱52中间设置有通道，用于放置连接线，支撑柱52内的通道通过槽口11与底座1内部连通。如图3所示，定子磁盘 53表面沿圆周阵列有多个第一凹槽56，每个第一凹槽56内均安装有永磁体，并使永磁体n极朝内，s极朝外。如图5所示，电枢盘54表面沿圆周阵列有若干个绕组支撑体，绕组支撑体选用绝缘体材料用于固定线圈绕组55，线圈绕组55呈三角形分别嵌入多个绕组支撑体内。对比于之前电枢盘54绕组用灌注方法固定线圈，采用支撑体更有利于散热。线圈绕组55分成三组，串联形成三相电路。在电枢盘54上设置霍尔传感器58 和控制器57，霍尔传感器58与控制器57相接，控制器57连接三相电路，通过霍尔传感器58监测振子结构的位置，并发送信号给控制器57调节三相电流方向，
实现发电装置稳定运行。通过霍尔传感器58发出的信号控制调节三相电路的电流方向，当振子结构3运动时，能够监测振子结构3的位置，判断线圈中的电流何时换向。
29.如图6和图7所示，振子结构3包括振子31，顶盖34，振子磁盘32，振子31选用铝合金材质的长圆柱体，振子31两端设有两个相同的振子磁盘32，振子磁盘32一侧与振子31焊接在一起，另一侧安装有顶盖34，振子磁盘32内部环形阵列有多个第二凹槽33，用于放置永磁体，并使永磁体s极向内，n极向外。
30.如图8所示，摇杆2包括轴承21，导杆22，连接杆24，固定杆25，连接轴23。导杆22头部为中空圆环结构，其内安装有轴承21，轴承21套装在振子31中部位置上，导杆22另一端通过连接轴23与连接杆24连接，连接杆24另一端通过连接轴23与固定杆25连接，固定杆25固定在底座1表面。
31.如图9和图10所示，当海流流经振子31表面时，振子31表面受到交替相间的流体力，且由于两侧对称布置的定子绕组结构4，振子31两端的振子磁盘32与定子磁盘 53磁极相对产生斥力，振子31在运动过程中受到合力作用，驱使振子结构3在平面内做“c”字形轨迹或“8”字形轨迹运动，此时摇杆2的导杆22通过轴承21随振子31 一起运动，通过连接轴23带动连接杆24和固定杆25相对运动，起到牵引振子结构3 的作用。
32.当振子31受到海流作用，开始在平面内运动时，偏离最初平衡位置，这时两侧定子绕组结构4中的霍尔传感器58检测出振子31偏离参考位置的位置，发出信号使控制器57控制调节电枢盘54中三相电路的方向，使得振子31运动时两侧的三相线圈依次导通产生变化的磁场，从而产生磁力反作用于振子结构3，从而驱动振子31保持“c”字形轨迹或“8”字形轨迹运动，产生稳定电流。
33.底座1内安装有蓄电池，蓄电池一端与控制器线路连接，另一端与底座后侧设置的发电装置输出接口相接，用于电器供电。底座1表面设置有对称分布的槽口，与支撑柱 52的通道口安装在一起，用于两侧控制器57线路的连接。两侧定子绕组结构4中的控制器57相互配合，使振子结构3持续稳定运动，从而控制调节发电机的电流稳定输出。底座1内的蓄电池与后侧设置的发电装置输出接口相接，用于用电设备供电。当装置产生的电能较多时蓄电池将电能转化为化学能储存起来，当装置产生的电能较低时，蓄电池协助装置向用电设备供电。
34.本装置采用永磁体磁盘结构代替传统流致振动发电装置使用的金属弹簧，为振子提供恢复力，当海流流经振子表面，圆柱振子在海流作用下产生流致振动发生位移，振子端部的永磁体磁盘随振子运动偏离平衡位置，通过霍尔传感器和控制器调节，双侧定子绕组结构的永磁体磁盘对振子端部的永磁体磁盘产生反作用力使振子始终保持稳定的“c”字形轨迹或“8”字形轨迹运动，振子在水流力，弹性恢复力以及自身阻尼力条件下发生往复运动。振子往复运动产生磁感线，不断切割定子绕组结构内的线圈绕组，从而产生电流为装置内设置的蓄电池充电。当底座后侧的输出接口连接用电设备时，装置内蓄电池放电，与此同时振子受海流永磁体作用仍然继续做往复运动，不断产生电流。
35.本发明针对小型海洋设备的供电补给进行设计，主要用于水下发电及供电。同时，通过将流致振动原理与磁悬浮技术相结合，简化了装置机械结构，可以更好地捕获海流能，获得更高的发电效率减少能量损耗。