CN107370335A - 一种旋转式磁流体发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转式磁流体发电机，括密封缸、带活塞的旋转轴，旋转轴能够在密封缸内往复扭转；密封缸内密封有缩放流道和可导电的液态金属，旋转轴的转动将驱动液态金属在缩放流道中来回流动；缩放流道最窄处是狭长的弧形缝隙，弧形缝隙的两侧是永磁铁，两个永磁铁能够在垂直于弧形缝隙的方向上生成强磁场，两个永磁铁通过U形磁轭连接，构成了一个封闭的磁路；在弧形缝隙的端部布置有集电电极，用于收集狭窄通道中产生的电流，并向外输出电能。本发明提供的发电机适用于力矩大速度小并且往复运动的驱动力，具有结构紧凑、扩展性强的特点。

Description

一种旋转式磁流体发电机
技术领域
本发明涉及一种发电装置，具体涉及一种旋转式磁流体发电机。
背景技术
波浪能是海洋表面波浪运动所形成的能量，可利用波浪能作不同用途，例如发电、海水淡化或作为船舶的备用动力等。波浪能是海洋能中能量最不稳定又无规律的能源。波浪运动形成的位能差可以转化成其他更规则的能量输出。据统计，全世界海上风能平均密度为0.5kW/m2，而波浪能的平均密度为2-3kW/m2。世界范围内冲击海岸线的波浪能达1TW的数量级，如果考虑开放海域的波浪能，波浪能的数量级达10TW(与当前世界的能源消耗相当)。常见的波浪能发电装置中能量的转化分为两步：流体动能(波浪能)转化为机械能，即流机转化；机械能转化为电能，即机电转化。其中流机转化相对比较成熟，最高效率可达50％左右，改进的空间不大。目前，波浪能采集装置研发的重点集中在机电转化部件，即发电机的设计上。已经建成的一些波浪能能量采集装置的机电转化不直接、体积庞大、昂贵、效率低。其原因不在于工程设计有多差，而在于机械阻抗匹配的问题。波浪能的特点是动力强(数十吨)、速度低(不足1米每秒)。如果采用传统的高速旋转发电机实现机电转化，就必须利用齿轮箱或者空气压缩透平来实现阻抗匹配，从而带来传统装置的上述问题。为此，本发明提出了一种液态金属磁流体发电机代替传统的旋转发电机。阻抗匹配的任务由机械部件转移到了电气部件，即电气部件将发电机输出的大电流小电压的电能转化到实际的电流电压水平。这种磁流体发电机基于法拉第定律，当导电流体以一定速度穿过一定强度的磁场时，在垂直于流场和磁场的方向会产生电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转式磁流体发电机，这种发电机适用于力矩大速度小并且往复运动的驱动力，具有结构紧凑、扩展性强的特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种旋转式磁流体发电机，包括密封缸、带活塞的旋转轴，旋转轴能够在密封缸内往复扭转；密封缸内密封有缩放流道和可导电的液态金属，旋转轴的转动将驱动液态金属在缩放流道中来回流动；缩放流道最窄处是狭长的弧形缝隙，弧形缝隙的两侧是永磁铁，两个永磁铁能够在垂直于弧形缝隙的方向上生成强磁场，两个永磁铁通过U形磁轭连接，构成了一个封闭的磁路；在弧形缝隙的端部布置有集电电极，用于收集狭窄通道中产生的电流，并向外输出电能。
本发明进一步的改进在于，密封缸包括可拆卸的第一半缸和第二半缸，两个半缸之间通过法兰处的螺栓和螺母连接在一起。
本发明进一步的改进在于，第一半缸、第二半缸的法兰上以及旋转轴的轴颈处均开设有密封槽，用于密封密封缸内的液态金属，第一半缸和第二半缸上还开设有密封孔，用于导出集电电极。
本发明进一步的改进在于，缩放通道的两端是通道入口，且通道入口单独铸造成型。
本发明进一步的改进在于，通道入口的内表面开设有流线型曲面，通道入口的流动截面积逐渐减小，当液态金属流入通道入口时会被加速、流出通道入口时会被减速。
本发明进一步的改进在于，在通道入口中间的弧形缝隙的两侧是第一永磁铁和第二永磁铁，第一永磁铁和第二永磁铁通过两个U形磁轭连接，且两个U形磁轭之间通过绝缘垫片分隔开。
本发明进一步的改进在于，弧形缝隙上下两端安装有流道插件，流道插件与第一永磁铁和第二永磁铁共同构成了狭窄的弧形缝隙。
本发明进一步的改进在于，在流道插件上设置有开缝，用于插入集电电极。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
本发明提供的旋转式磁流体发电机，该装置中包括了密封缸和带活塞的旋转轴，利用密封缸和旋转轴之间的相对扭转运动来驱动液态金属在缩放通道中来回流动，从而将外界的扭转运动转化为密封缸内部磁流体规则的流动，并利用高速流动的磁流体切割密封缸内部永磁铁形成的磁场，根据法拉第定律，在垂直于磁流体流动方向和磁场的方向上会产生电场，由于磁流体本身具有良好的导电性，在电场的作用下会形成电流，电流通过与磁流体直接接触的集电电极向发电机外部输出电能。这种磁流体发电机通过驱动磁流体流动来将往复的旋转运动转化为电能输出，不需要高配比的齿轮或空气透平这类大型传动和转化结构，从而带来本发明发电机紧凑的结构。根据上述的功能描述可知，本发明适合波浪能这类往复运动的流体动能的开发利用，也可以用来吸收扭转振动的动能。
进一步，本发明利用缩放通道，通过逐渐减小流动截面积的方法，将液态金属加速到非常大的流速，并且缩放通道的通道入口内表面为流线型曲面，可以抑制通道内的流动分离，从而减小流动损失，进而提高了发电机单位体积的功率系数和综合效率，这意味着缩放通道的设计提高了发电机的紧凑性、降低了制造成本。
进一步，本发明采用两个独立的U形磁轭来连接永磁铁，并采用绝缘垫片将两个U形磁轭分隔开。永磁铁位于U形磁轭的凹口内部，这样的结构布局缩短了磁路长度，从而提高了磁路的通磁能力，采用绝缘垫片将两个U形磁轭分隔开是为了避免两个U形磁轭中的磁路相互干扰，从而降低通磁阻力和损失。上述设计同样提高了发电机单位体积的功率系数，同时减小了电磁损失并提高机电转化效率。
附图说明
图1为磁流体发电机外观图；
图2为磁流体发电机爆炸视图；
图3为磁流体发电机开缸视图；
图4为缩放流道外观图；
图5为缩放流道爆炸视图；
图6为磁流体发电机剖视图。
图中：1-第一半缸，2-第二半缸，3-旋转轴，4-通道入口，5-U形磁轭，6-集电电极，7-流道插件，8-第一永磁铁，9-第二永磁铁，10-绝缘垫片，11-螺栓，12-螺母，13-端部，14-活塞。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的磁流体发电机的外观图和爆炸视图见图1和图2，采用的技术方案如下：
密封缸由第一半缸1和第二半缸2通法兰处螺栓11和螺母12连接而成。在密封缸盖缸之前插入旋转轴3，旋转轴3可在密封缸内来回转动。第一半缸1、第二半缸2的法兰上以及旋转轴3的轴颈处均开设有密封槽，用于密封密封缸内的液态金属。第一半缸1和第二半缸2上还开设有密封孔，用于导出集电电极6。当第二半缸2的端部13固定、旋转轴3在外力的驱动下旋转时，旋转轴3会带动活塞14(如图3所示)在密封缸的环形通道内转动，从而驱动液态金属在密封缸的环形通道内流动。
密封缸内还布置有如图4和5所示的缩放通道，缩放通道的两端是通道入口4，通道入口4的内表面为流线型曲面，通道入口4的流动截面积逐渐减小。当液态金属流入通道入口4时会被加速、流出通道入口4时会被减速。从图6的剖视图中可以看到流道的形状，密封缸被旋转轴3上的活塞14分成的两个大的空腔，活塞14驱动液态金属在两个空腔中来回流动。
在两个通道入口4中间有一条狭长的弧形缝隙，这条弧形缝隙的两侧是第一永磁铁8和第二永磁铁9，第一永磁铁8和第二永磁铁9通过两个U形磁轭5连接，两个U形磁轭5之间通过绝缘垫片10分隔开。第一永磁铁8和第二永磁铁9与U形磁轭5紧密贴合，构成了闭合的磁路，第一永磁铁8和第二永磁铁9会在垂直于弧形缝隙的方向上生成强磁场。从图5中可以看到弧形缝隙上下两端安装有流道插件7，流道插件7与第一永磁铁8和第二永磁铁9共同构成了狭窄的弧形缝隙，弧形缝隙也是发生电磁感应、产生电流的地方。在流道插件7上开缝，用于插入集电电极6，集电电极6与液态金属直接接触。当液态金属在弧形缝隙中高速流动时，在磁场的作用下会感应出电场，电场会驱动液态金属产生电流，电流通过集电电极6导出到密封缸之外，输出电能。

Claims (8)

1.一种旋转式磁流体发电机，其特征在于，包括密封缸、带活塞(14)的旋转轴(3)，旋转轴(3)能够在密封缸内往复扭转；密封缸内密封有缩放流道和可导电的液态金属，旋转轴(3)的转动将驱动液态金属在缩放流道中来回流动；缩放流道最窄处是狭长的弧形缝隙，弧形缝隙的两侧是永磁铁，两个永磁铁能够在垂直于弧形缝隙的方向上生成强磁场，两个永磁铁通过U形磁轭(5)连接，构成了一个封闭的磁路；在弧形缝隙的端部布置有集电电极(6)，用于收集狭窄通道中产生的电流，并向外输出电能。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式磁流体发电机，其特征在于，密封缸包括可拆卸的第一半缸(1)和第二半缸(2)，两个半缸之间通过法兰处的螺栓(11)和螺母(12)连接在一起。
3.根据权利要求2所述的一种旋转式磁流体发电机，其特征在于，第一半缸(1)、第二半缸(2)的法兰上以及旋转轴(3)的轴颈处均开设有密封槽，用于密封密封缸内的液态金属，第一半缸(1)和第二半缸(2)上还开设有密封孔，用于导出集电电极(6)。
4.根据权利要求1所述的一种旋转式磁流体发电机，其特征在于，缩放通道的两端是通道入口(4)，且通道入口(4)单独铸造成型。
5.根据权利要求4所述的一种旋转式磁流体发电机，其特征在于，通道入口(4)的内表面开设有流线型曲面，通道入口(4)的流动截面积逐渐减小，当液态金属流入通道入口(4)时会被加速、流出通道入口(4)时会被减速。
6.根据权利要求4所述的一种旋转式磁流体发电机，其特征在于，在通道入口(4)中间的弧形缝隙的两侧是第一永磁铁(8)和第二永磁铁(9)，第一永磁铁(8)和第二永磁铁(9)通过两个U形磁轭(5)连接，且两个U形磁轭(5)之间通过绝缘垫片(10)分隔开。
7.根据权利要求6所述的一种旋转式磁流体发电机，其特征在于，弧形缝隙上下两端安装有流道插件(7)，流道插件(7)与第一永磁铁(8)和第二永磁铁(9)共同构成了狭窄的弧形缝隙。
8.根据权利要求7所述的一种旋转式磁流体发电机，其特征在于，在流道插件(7)上设置有开缝，用于插入集电电极(6)。
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