CN105114240A - 一种波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种波浪能发电装置，包括直线式发电机和包裹在其外部的柔性橡胶密封外壳；所述的直线式发电机为圆柱体结构，下端盖固定在侧板底部；上端盖固定在圆筒状侧板顶部，直线轴承二固定在上端盖下部；支撑筒焊接在下端盖上；直线轴承一固定在支撑筒上半部内侧；塔式拾振弹簧放置在支撑筒的内部，所述的顶杆包括顶杆轴一段、顶杆轴二段、顶杆轴三段和顶杆盖，动子轭铁粘接在顶杆二段上，永磁体粘接在动子轭铁上；定子轭铁粘接在侧板内侧，绕组放置在定子轭铁的槽内，绕组的引出线通过定子出线孔、侧板线槽和出线孔之后与负载连接。本发明采用柔性橡胶全封闭外壳，具有良好闭合磁路的动子和定子结构，具有更广的适应性。

Description

一种波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及将波浪的机械能转换为电能的技术，特别涉及圆柱形直线式发电装置及其实现方法，具体是一种波浪能发电装置。

背景技术

波动的河水或海水等自然环境中蕴藏着丰富的波浪能，而水面上常常需要分布大量的气象、航道等浮标，而这些浮标常常需要一定的电气设备，如卫星信号收发器、传感器、雷达等，为这些分布式海洋用电设备供电需要长距离铺设电缆，供电成本高，后期维护比较繁琐。对于采用太阳能发电技术，由于太阳能电池板裸露在外，存在易腐蚀和损坏等缺陷。而采用永磁体的机电转换技术等发展已日益成熟，成本逐渐降低，因此，可将海浪中的机械能转换为电能解决这些电气设备的供电问题，且基于该发电技术的发电装置可采用全密封设计，具有耐用性、环境适应性更好的优点，可固定在浮标的锚链上等，安装方便，具有广阔的应用前景。采用模块化设计思想，提高了发电机的适用范围。

河北工业大学之前有两项海洋波动发电装置的发明：一种径向充磁的永磁海洋波动发电装置，申请号201410833567；多级同轴串并联海洋波动发电装置，申请号201510217979。上述两种发电装置中没有闭合磁路，与感应线圈交链的磁力线少，感应线圈主要通过切割部分磁力线产生动生电动势，输出电能大小取决于动子与定子的相对运动速度，而由于波浪频率低，速度慢，因此上述两种发电装置输出功率有限。本发明采用直线发电机原理，构建了良好的闭合磁路，磁力线集中在感应线圈中通过，线圈中的磁通量大，较小的动子与定子的相对运动就会使得感应线圈中有较大的磁通变化，即使在低频的波浪驱动下，也可输出较大电功率。

发明内容

本发明的目的是提供一种波浪能发电装置，采用柔性橡胶密封外壳，定子、动子和绕组均采用圆柱形结构。由于波浪的驱动力可以通过调整橡胶密封外壳的体积来实现，因此这里采用较小气隙的直线发电装置，实现磁路的良好封闭，定位力较大，发电效率较高。由于工作频率低，涡流效应不明显，磁轭由整块儿硅钢制作，易于加工和装配。在设计时将动子和定子采用模块化设计，通过组合不同数量的动子和定子阵列实现不同功率的电能输出。

本发明的技术方案为：

一种波浪能发电装置，包括直线式发电机和包裹在其外部的柔性橡胶密封外壳；。

所述的直线式发电机为圆柱体结构，包括下端盖、侧板、支撑筒、塔式拾振弹簧、直线轴承一、顶杆、动子轭铁、永磁体、定子轭铁、绕组、直线轴承二、上端盖；下端盖固定在侧板底部；

上端盖固定在圆筒状侧板顶部，直线轴承二固定在上端盖下部；

支撑筒焊接在下端盖上；直线轴承一固定在支撑筒上半部内侧；塔式拾振弹簧放置在支撑筒的内部，塔式拾振弹簧的下端部紧贴在下端盖上端面，塔式拾振弹簧的的上端和顶杆下端面紧贴；

所述的顶杆包括顶杆轴一段、顶杆轴二段、顶杆轴三段和顶杆盖，顶杆轴一段和顶杆轴三段直径相同，顶杆轴二段直径较顶杆轴一段和顶杆轴三段直径要小，顶杆盖的直径与侧板外径相同；顶杆轴二段的长度、动子轭铁长度、定子轭铁长度相同；顶杆轴三段的长度为两倍的发电装置的最大输入位移、上端盖的厚度、直线轴承二的高度三者之和，顶杆轴三段在直线轴承二上端面上部的长度为最大输入位移；

动子轭铁粘接在顶杆二段上，永磁体粘接在动子轭铁上；定子轭铁粘接在侧板内侧，绕组放置在定子轭铁的槽内，绕组的引出线通过定子出线孔、侧板线槽和发电机出线孔之后与负载连接。

所述的永磁体的数量优选为3～12个，且为了实现2相或3相输出，永磁体个数应为2或3的公倍数；厚度为2～5毫米。

所述的多个绕组为单相电输出、2相输出或3相电输出，每相对应绕组均为串联。

所述的柔性橡胶外壳采用氢化丁腈橡制成，厚度为4～10mm。

本发明的优点如下：

(1)采用柔性橡胶全封闭外壳，柔性橡胶外壳耐腐蚀性好，可适应河水、江水、海水等自然环境，不但可实现对发电装置的良好保护，提高发电装置的可靠性，也具有波浪能传递作用，可根据发电装置所在水域的波浪强度加长或缩短外壳长度，使动子与定子在工作时的相对位移达到最大。

(2)安装方便，由浮标悬浮在水面即可，便于与气象浮标等水面用电设备配合使用；

(3)设计了具有良好闭合磁路的动子和定子结构，并且动子永磁体、定子轭铁、绕组采用模块化设计，可根据功率需要实现将相应数量的永磁体、定子轭铁、绕组沿轴向依次叠加在一起，本波浪能发电装置具有更广的适应性；

(4)动子永磁体与定子轭铁之间的气隙为小气隙，间距可小于2mm，采用薄片圆环状永磁体，圆环状永磁体的厚度小于5mm，使得磁导率较低的永磁体不会明显增加整个磁路的磁阻，综合上述优势可将漏磁率降低到5％以下，大大提高发电效率；

(5)采用塔式拾振弹簧，相对于普通的圆柱螺旋弹簧，塔式弹簧具有良好的轴向指向性，防止在过大的波浪压力作用下使弹簧发生侧向弯曲，可协助维持顶杆轴向运动的稳定性，提高了发电装置的稳定性和可靠性；

(6)采用圆环状动子永磁体、定子轭铁、绕组结构，由于相位相差180度的径向磁力互相抵消，使得动子与定子之间的径向磁力趋于零，从而也不用增加专门的限位装置防止由于动子在磁力作用下发生扭转而与定子碰撞，不但简化了发电装置的结构，也提高了发电装置工作的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

其中，1-柔性橡胶密封外壳，2-发电机出线孔，3-下端盖，4-过孔一，5-螺纹孔一，6-过孔二，7-螺纹孔二，8-侧板，9-支撑筒，10-塔式拾振弹簧，11-直线轴承一，12-顶杆，13-侧板线槽，14-定子出线孔，15-动子轭铁，16-永磁体，17-定子轭铁，18-绕组，19-直线轴承二，20-上端盖，21-螺纹孔三，22-过孔三，23-过孔七，24-过孔八，25-螺纹孔四，26-过孔四，27-过孔六。

图2为本发明的顶杆的结构图。其中，12a-顶杆轴一段，12b-顶杆轴二段，12c-顶杆轴三段，12d-顶杆盖。

图3为本发明的每层定子轭铁的结构图，图3(I)为定子轭铁三维视图，图3(II)为定子轭铁剖视图。其中，17a-定子极靴。

图4为本发明的侧板三维结构图。

图5为发电装置剖面的磁力线对比图。其中，图5(I)为一种径向充磁的永磁海洋波动发电装置的磁力线分布；图5(II)为多级同轴串并联海洋波动发电装置的磁力线分布；图5(III)为本发明的磁力线分布。

具体实施方式

本发明采用一体式密闭柔性橡胶外壳，具有防水防腐蚀的作用且易于被波浪压缩变形，以顶杆传递波浪能和固定直线发电机定子，以塔式拾振弹簧为拾振机构，以永磁体为磁场激发器件，定子和动子轭铁均由整块硅钢加工，且采用模块设计，可根据功率需要串接不通数量的动子和定子，该波浪能发电装置一般包括：柔性橡胶密封外壳，下端盖，侧板，支撑筒，塔式拾振弹簧，直线轴承，顶杆，动子轭铁，永磁体，定子轭铁，绕组，上端盖。

随着波浪的波动，悬浮在水面的波浪能发电装置的柔性橡胶外壳受到不断挤压，由于外壳为柔性橡胶，外壳也会被不断伸缩，由于发电装置只有顶杆可以上下运动，侧板、上端盖和下端盖均为刚性，柔性橡胶外壳被波浪挤压时驱动顶杆向下运动，塔式拾振弹簧被压缩，当柔性橡胶外壳不被波浪压缩时，塔式拾振弹簧驱动顶杆向上运动，依次循环，从而实现在波浪驱动下顶杆往复运动，由于动子轭铁和永磁体均固定在顶杆上，动子轭铁和永磁体也随着顶杆往复运动，永磁体的运动使得定子轭铁中的磁场不断变换，绕组中的磁通也相应地不断变换，根据电磁感应原理，绕组上产生感应电动势，当外接负载时即可实现电能输出。

下面结合附图对本发明进行说明，但它们不对本发明作任何限制。

实施例1

本发明所述的波浪能发电装置的剖面图如图1所示，该装置为圆柱体结构，包括直线式发电机和包裹在其外部的柔性橡胶密封外壳1；圆柱体柔性橡胶密封外壳1的下端内侧，与下端盖3紧密接触，柔性橡胶密封外壳1上端内侧与顶杆盖12d上侧紧密接触，柔性橡胶密封外壳1侧面内侧与直线式发电机侧板8外侧、上端盖20外侧、下端盖3外侧、顶杆盖12d外侧紧密接触。

所述的直线式发电机为圆柱体结构，包括下端盖3、侧板8、支撑筒9、塔式拾振弹簧10、直线轴承一11、顶杆12、动子轭铁15、永磁体16、定子轭铁17、绕组18、直线轴承二19、上端盖20；下端盖3通过螺丝固定在侧板8底部，螺丝穿过过孔一4拧入螺纹孔一5，螺丝穿过过孔二6拧入螺纹孔二7；

上端盖20通过螺丝固定在圆筒状侧板8顶部，螺丝穿过过孔三22拧入螺纹孔三21，螺丝穿过过孔四26拧入螺纹孔四25；螺栓分别穿过过孔七23、过孔八24直线轴承二19法兰盘的对应过孔，将直线轴承二19固定在上端盖20下部；

支撑筒9焊接在下端盖3上(整个发电装置是圆柱体，相关部件为轴心对称分布)；直线轴承一11通过紧密配合固定在支撑筒9上半部内侧；塔式拾振弹簧10放置在支撑筒9的内部，在顶杆12的压力作用下，塔式拾振弹簧10的下端部紧贴在下端盖3上端面，塔式拾振弹簧10的的上端和顶杆12下端面紧贴；

所述的顶杆12如图2所示，顶杆12包括顶杆轴一段12a、顶杆轴二段12b、顶杆轴三段12c和顶杆盖12d，顶杆轴一段12a和顶杆轴三段12c直径相同，顶杆轴二段12b直径较顶杆轴一段12a和顶杆轴三段12c直径要小，用于嵌入动子轭铁，顶杆盖12d的直径与侧板8外径相同；平衡状态时，顶杆轴一段12a下端略微伸出直线轴承一11的下端面，顶杆轴一段12a高出直线轴承一11上端面的长度与发电装置的最大输入位移相同；顶杆轴二段12b的长度取决于发电装置的功率需要，其长度与动子轭铁长度和定子轭铁长度一样；顶杆轴三段12c的长度为两倍的发电装置的最大输入位移、上端盖20的厚度、直线轴承二19的高度三者之和，顶杆轴三段12c在直线轴承二19上端面上部的长度为最大输入位移；

顶杆12由直线轴承进行限位和润滑，顶杆一段12a穿过直线轴承一11，顶杆三段12c穿过直线轴承二19和上端盖20的对应开孔；动子轭铁15粘接在顶杆二段12b上，永磁体16粘接在动子轭铁15上；定子轭铁17粘接在侧板8内侧，在平衡位置时，定子轭铁17与动子轭铁15水平位置相同；绕组18放置在定子轭铁17的槽内，绕组18的引出线通过定子出线孔14、侧板线槽13和发电机出线孔2之后与负载连接；发电机出线孔2设置在下端盖3上，并穿过柔性橡胶密封外壳1。

动子轭铁15为圆筒状，动子轭铁15与顶杆轴二段12b长度相同，动子轭铁15内径顶杆轴二段12b外径相同，其厚度根据磁通的需要来确定。

永磁体16的数量和尺寸取决发电机的功率，根据功率需要可以增加和减小，为了提高输出效率，永磁体的数量不应少于3个，3～12为佳；且为了降低磁路的磁阻永磁体的厚度不应超过5mm，2～5毫米为佳。

多个绕组可以采用单相电输出，也可以采用2相或3相电输出，每相对应绕组均为串联。这里采用单相输出，将所有绕组串联起来。

所述的每层定子轭铁17如图3所示，为环状体，每层定子轭铁17的剖面均为工字形，定子由多层定子轭铁17层叠粘接起来，其数量与永磁体16数量相同。

塔式拾振弹簧10的高度取决于顶杆的运动幅值，塔式拾振弹簧10的最大压缩长度应大于发电装置的最大输入位移，塔式拾振弹簧10的下端面直径等于支撑筒9的内径，塔式拾振弹簧10的上端面直径等于顶杆轴一段12a的直径。

柔性橡胶外壳1采用氢化丁腈橡制成。厚度为4～10mm，本实施例为5mm。

本实施例采用的具体材料和器件为：

圆柱体外壳为柔性橡胶，外壳内径、外径、厚度和高度分别为250mm、260mm、5mm和595mm。

顶杆材料为非导磁不锈钢，顶杆总长430mm，顶杆一段直径和长度分别为25mm和95mm，顶杆二段直径和长度分别为15mm和150mm，顶杆三段直径和长度分别为25mm和180mm，顶杆盖厚度和直径分别为5mm和250mm；

过孔一、过孔二、过孔三、过孔四、螺纹孔一、螺纹孔二、螺纹孔三、螺纹孔四均为适合M5螺丝使用；

上端盖由铝合金制成，上端盖的厚度和直径分别为5mm和250mm，过孔六直径25.5mm，过孔七、过孔八适于M8的螺栓使用；

下端盖由铝合金制成，下端盖的厚度和直径分别为5mm和250mm，发电机出线孔的直径为8mm，发电机出线孔的轴心与下端盖轴心的距离为60mm；

塔式拾振弹簧由弹簧钢制成，弹簧的上、下端直径分别为25mm和80mm，高度150mm；

支撑筒由铝合金制成，支撑筒外径85mm，下半部分高度和内径分别为170mm和80mm，上半部高度和内径分别为20mm和35mm；

直线轴承一为普通圆柱直线轴承，高度、内径和外径分别为20mm、25mm和35mm；

直线轴承二为带法兰盘直线轴承，其中轴承部分与直线轴承一相同，法兰盘厚度和外径分别为5mm和80mm，法兰盘带有M8的两个过孔，位置与过孔七、过孔八对应；

侧板由铝合金制成，内径、外径和高度分别为240mm、250mm和495mm，侧板线槽宽度10mm、长度160mm；

动子轭铁由硅钢材料制成，动子轭铁的外径、内径和高度分别为30mm、15mm和150mm；

永磁体为空心圆柱体，采用钕铁硼材料，永磁体的内径、外径和高度分别为30mm、35mm和25mm，共采用了5块永磁体，在轴向间隔5mm均匀间隔分布；

定子轭铁由硅钢材料制成，五层定子轭铁叠加构成定子，定子轭铁高度和厚度分别为30mm和28mm，定子极靴高度为25mm，定子极靴与永磁体之间的气隙为2mm，定子轭铁剖面的外侧长方形部分长和宽分别为30mm和8mm，定子轭铁剖面的中间长方形部分长和宽分别为12mm和8mm，定子轭铁剖面的等腰梯形部分的高为5mm，每层定子轭铁上的两个定子出线孔为长8mm宽4mm的矩形孔；

绕组由漆包线绕制，每个定子槽内放置200匝；

此外，在需要粘接的部分均用AB胶进行粘接。

采用上述发电装置，在频率和波动幅值分别为3Hz和75mm的条件下，该发电装置的输出功率可达300W，足够用于给普通浮标的用电设备供电。

波浪能广泛分布在江河湖海上，储量巨大，一种波浪能发电装置可将波浪能转换为电能。在水面上的浮标等用电设施远距离供电困难，且成本高、维护麻烦。一种波浪能发电装置可充分利用这些用电设施周边的波浪能，将其转化为电能为其供电，具有重要的应用价值。

相比于申请号201410833567、申请号201510217979两项发明，本发明在磁轭设计、磁路结构、波浪能传递机构上进行了全新设计。本波浪能发电装置的主要创新为设计了具有良好闭合磁路的动子和定子结构，并且动子永磁体、定子轭铁、绕组采用模块化设计，可根据功率需要实现将相应数量的永磁体、定子轭铁、绕组沿轴向依次叠加在一起；动子永磁体与定子轭铁之间的气隙为小气隙，间距可小于2mm，采用薄片圆环状永磁体，圆环状永磁体的厚度小于5mm，使得磁导率较低的永磁体不会明显增加整个磁路的磁阻，综合上述优势可将漏磁率降低到5％以下，大大提高发电效率；采用圆环状动子永磁体、定子轭铁、绕组结构，由于相位相差180度的径向磁力互相抵消，使得动子与定子之间的径向磁力趋于零，从而也不用增加专门的限位装置防止由于动子在磁力作用下发生扭转而与定子碰撞，不但简化了发电装置的结构，也提高了发电装置工作的稳定性和可靠性；采用塔式拾振弹簧，由于塔式弹簧在压缩时轴向指向性好，可协助维持顶杆沿着轴向运动，提高了发电装置的稳定性和可靠性；采用柔性橡胶全封闭外壳，不但可实现对发电装置的良好保护，提高发电装置的可靠性，也具有波浪能传递作用，可根据发电装置所在水域的波浪强度加长或缩短外壳长度，使动子与定子在工作时的相对位移达到最大。

三种发电装置的磁力线分布如图5所示(均采用相同尺寸的永磁体，永磁体环径为60mm，高50mm)，从图5可以看出本发明的磁力线基本都被约束在固定的磁路内，而上述两项发明的磁力线明显比较分散，本发明磁路闭合性更好，相应地在相同尺寸条件下，在平衡位置时，本发明的感应线圈中的磁通分别是图5(I)和图5(II)对应发明的2.7倍和1.9倍，在波浪的驱动下线圈中的磁通变化也相应更大，根据电磁感应定律，本发明的发电装置可以实现更大的电能输出。

由于采用全封闭式结构，本波浪能发电装置耐腐蚀性好、可靠性高，可长期伴随用电装置运行，根据波浪低频大位移的特点，采用模块化的定子轭铁和永磁体，可根据用电设备的功率需要层叠不同数量的定子轭铁和永磁体，可满足功率较宽范围内的用电设备需求。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1.一种波浪能发电装置，其特征为包括直线式发电机和包裹在其外部的柔性橡胶密封外壳；

所述的直线式发电机为圆柱体结构，包括下端盖、侧板、支撑筒、塔式拾振弹簧、直线轴承一、顶杆、动子轭铁、永磁体、定子轭铁、绕组、直线轴承二、上端盖；下端盖固定在侧板底部；

上端盖固定在圆筒状侧板顶部，直线轴承二固定在上端盖下部；

支撑筒焊接在下端盖上；直线轴承一固定在支撑筒上半部内侧；塔式拾振弹簧放置在支撑筒的内部，塔式拾振弹簧的下端部紧贴在下端盖上端面，塔式拾振弹簧的的上端和顶杆下端面紧贴；

所述的顶杆包括顶杆轴一段、顶杆轴二段、顶杆轴三段和顶杆盖，顶杆轴一段和顶杆轴三段直径相同，顶杆轴二段直径较顶杆轴一段和顶杆轴三段直径要小，顶杆盖的直径与侧板外径相同；顶杆轴二段的长度、动子轭铁长度、定子轭铁长度相同；顶杆轴三段的长度为两倍的发电装置的最大输入位移、上端盖的厚度、直线轴承二的高度三者之和，顶杆轴三段在直线轴承二上端面上部的长度为最大输入位移；

动子轭铁粘接在顶杆二段上，永磁体粘接在动子轭铁上；定子轭铁粘接在侧板内侧，绕组放置在定子轭铁的槽内，绕组的引出线通过定子出线孔、侧板线槽和发电机出线孔之后与负载连接。

2.如权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征为所述的永磁体的数量优选为3～12个；厚度为2～5毫米。

3.如权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征为所述的多个绕组为单相电输出、2相输出或3相电输出，每相对应绕组均为串联。

4.如权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征为所述的柔性橡胶外壳材质优选为氢化丁腈橡制成；厚度为4～10mm。