CN108167106B - 磁耦合传动海流发电装置 - Google Patents

磁耦合传动海流发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明设计一种用于海底仪器的磁耦合传动海流发电装置，该装置为圆柱体结构，由叶轮、输入轴、前端盖、磁耦合装置、弹性联轴器、发电机、电路模块固定板、长金属板、支撑板、角钢、后端盖、水密连接器和分隔式腔体组成。叶轮和输入轴传递海流运动的能量，通过磁耦合装置将海流动能传给发电机，通过发电机将海流动能转化为电能，产生的电能存储在电路模块内并通过水密连接器供给连接的海底仪器。磁耦合装置由驱动磁体、从动磁体和隔离板组成，结构简单、拆装方便，传动效率高。隔离板将驱动磁体和从动磁体分隔在两个腔体内，形成非接触式的传动机构，实现了装置的静密封，隔绝了海水的进入，有效提高了装置的水下密封性和可靠性。

Description

磁耦合传动海流发电装置
技术领域
本发明属于海底观测技术领域，涉及一种用于海底仪器的磁耦合传动海流发电装置，主要利用磁耦合来传递海流的动能，实现了装置的静密封，解决了传统机械旋转密封方式造成的密封性低的问题。
背景技术
传统的海洋观测方式主要是船基考察。通过船只布放的自容式或锚系式着底器只能支持少量海底设备的短期供电，需要较为频繁的定期维护。海底观测网可实现海底仪器的长期供电。然而，海底观测网输送到海底的电能总是有限的。在海底观测网的生命周期里，随着海底仪器的种类和数量不断增加，观测网的海底负荷将会越来越重。实际上，海洋本身蕴含着极为丰富的清洁无污染、可循环再生的能量来源，特别是海流的活动无处不在，可利用海流发电装置实现海流动能的收集。若能利用这些无处不在的海水流动能量实现海底仪器的自供电，就能大大增强整个海底观测网在生命周期内的实际观测能力。
然而，现有的海流发电装置的传动机构与装置密封腔体之间多采用传统的机械旋转密封方式，这种密封方式在结构上存在设计复杂，可靠性低的问题，海水可以通过机械旋转密封结构间的缝隙进入装置内部腔体，影响内部装置的运行，降低装置的可靠性和寿命。
磁耦合传动装置是一种结构简单，稳定可靠的传动装置。由于磁体间的磁力耦合是非接触式的，因此可以将磁耦合的驱动部分和从动部分分别放置在不同腔体中，中间通过隔离层进行隔离，驱动部分与从动部分形成非接触式的结构，从而将装置由传统的机械旋转密封改为静密封方式。有效地隔绝了海水的进入，提高了装置的可靠性和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于海底仪器的磁耦合传动海流发电装置，利用磁耦合来传递海流的动能，将海流的动能转化为电能，实现了海底仪器的原位自供电。通过利用磁耦合的方式将装置由传统的机械旋转密封改为了静密封，提高了装置的水下密封性和可靠性。
本发明的技术方案是：
磁耦合传动海流发电装置，包括叶轮110、输入轴120、前端盖130、磁耦合驱动磁体固定盘140、磁耦合从动磁体固定盘150、支撑固定骨架160、电路模块固定板166、发电机170、后端盖180、水密连接器190和分隔式腔体200，其中：
所述分隔式腔体200内分为驱动腔202和发电腔203，分隔式腔体200两端分别与前端盖130和后端盖180之间采用螺栓连接，并通过密封圈实现静密封；输入轴120和磁耦合驱动磁体固定盘140位于驱动腔202中，海水可以通过机械旋转密封进入驱动腔202；并能在输入轴120与前端盖130之间起到润滑的作用；磁耦合从动磁体固定盘150、发电机170和电路模块固定板166位于发电腔203中，磁耦合从动磁体固定盘150作为驱动腔202和发电腔203之间的隔离层201使得发电腔203为静密封方式，与海水隔绝，海水无法进入发电腔203，实现了海流发电装置的静密封；
所述叶轮110固定于输入轴120一端，所述磁耦合驱动磁体固定盘140上有呈环形均匀分布的磁体凹槽141，所述磁体凹槽141用于放置磁体，磁耦合驱动磁体固定盘140与输入轴120另一端通过螺栓连接固定；
所述磁耦合从动磁体固定盘150与磁耦合驱动磁体固定盘140形状相同，盘面上有呈环形均匀分布的磁体凹槽141，所述磁体凹槽141用于放置磁体，磁耦合从动磁体固定盘150与传动连杆161一端通过螺栓连接固定，传动连杆161另一端穿过支撑板162，与弹性联轴器164相连；
所述发电机170为多盘式无铁心永磁发动机，包括发电机定子171、发电机转子172和发电机转子轴165，发电机定子171与发电机转子172交错分布，穿过发电机转子轴165放置，发电机转子172通过螺栓与发电机转子轴165固定；每个发电机定子171上有三个对称分布的只耳，每个只耳上有一个定子连杆孔174，用于放置发电机定子连杆175，发电机定子连杆175通过角钢168和螺栓分别固定于支撑板162和三块长金属板167上；
所述电路模块固定板166用于固定电路模块，发电机170与电路模块连接，电路模块包括整流模块、滤波模块、稳压模块、蓄电池和管理模块，整流模块、滤波模块和稳压模块将发电机170产生的不稳定三相交流电经整流、滤波和稳压到一定值后存储到蓄电池中。后端盖180上设有水密连接器190，水密连接器190连接电路模块里的蓄电池，蓄电池在管理模块的控制下将存储的电能通过水密连接器190输出，实现对海底仪器的原位供电。
本发明中，驱动磁体固定盘140与从动磁体固定盘150二者间的磁体数量、形状、大小和排列方式均完全一致，且对应磁体的相对磁极异性。
本发明中，所述驱动磁体固定盘140与从动磁体固定盘150之间通过隔离层201分隔。
本发明中，每个发电机定子171上有三个呈120°对称分布的只耳。
本发明的工作原理是：
海流运动带动叶轮转动，叶轮通过输入轴带动磁耦合驱动磁体固定盘转动。在磁力的作用下，磁耦合从动磁体固定盘跟随着磁耦合驱动磁体固定盘一起转动，通过弹性联轴器带动发电机转子轴转动，使得发电机产生电能。发出的电能存储在电路模块里的蓄电池内，通过水密连接器输出电能，实现外部连接的海底仪器的原位供电。
本发明的有益效果是：
本发明采用磁耦合装置进行动能的传递，磁耦合装置的隔离层将装置腔体分割成了两个部分，输入轴和磁耦合驱动磁体固定盘位于前面的驱动腔中，海水可以通过机械旋转密封进入该腔体，并能在输入轴与前端盖之间起到润滑的作用。磁耦合从动磁体固定盘、发电机和电能管理装置位于后面的发电腔中，磁耦合装置的隔离层使得发电腔为静密封方式，与海水隔绝，海水无法进入发电腔，实现了海流发电装置的静密封，相比于传统的机械旋转密封方式，大大提高了装置的密封性和可靠性。并且磁耦合装置的结构简单，传动效率高。
附图说明
图1是本发明磁耦合传动海流发电装置的内部结构正视图；
图2是本发明的内部结构轴测图；
图3是本发明前端盖示意图，3a为右视图，3b为正视图；
图4为本发明磁耦合磁体固定盘的示意图，4a为正面轴测图，4b为背面轴测图；
图5为本发明磁耦合装置结构示意图，5a为正面轴测图，5b为背面轴测图；
图6为本发明发电腔内部装置支撑固定骨架的正视图；
图7为本发明使用多盘式发电机的轴测图；
图8为本发明后端盖示意图，8a为左视图，8b为正视图；
图9为本发明分隔式腔体驱动腔侧的轴测图；
图10为本发明分隔式腔体剖面图。
图中标号：110为叶轮，120为输入轴，130为前端盖，131为输入孔，132为腔体固定螺孔，140为磁耦合驱动磁体固定盘，141为磁体凹槽，142为磁体盘固定螺孔，150为磁耦合从动磁体固定盘，160为支撑固定骨架，161为传动连杆，162为支撑板，163为轴承，164为弹性联轴器，165为发电机转子轴，166为电路模块固定板，167为长金属板，168为角钢，170为发电机，171为发电机定子，172为发电机转子，173为转子固定螺孔，174为定子连杆孔，175为发电机定子连杆，180为后端盖，181为输出孔，182为支撑固定骨架螺孔，190为水密连接器，200为分隔式腔体，201为隔离层，202为驱动腔，203为发电腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
实施例1：图1和图2表示所述磁耦合传动海流发电装置的内部结构，该装置的机械结构部分由叶轮110、输入轴120、前端盖130、磁耦合驱动磁体固定盘140、磁耦合从动磁体固定盘150、支撑固定骨架160、发电机170、后端盖180、水密连接器190和分隔式腔体200组成。叶轮110在海流的作用下转动，通过输入轴120将转动传递给磁耦合驱动磁体固定盘140，在磁力耦合的作用下，磁耦合从动磁体固定盘150跟随着转动，并将能量传递给发电机170，发电机170将海流的动能转化为电能，产生的电能存储在电路模块里的蓄电池中，再通过水密连接器190输出电能，实现对外部连接的海底仪器的原位供电。
图3表示所述磁耦合传动海流发电装置的前端盖130，表示上面有输入孔131用来穿过输入轴120；还表示上面有腔体固定螺孔132，通过螺栓与分隔式腔体200连接固定。
图4表示所述磁耦合传动海流发电装置的磁耦合驱动磁体固定盘140和磁耦合从动磁体固定盘150，图4a表示磁体固定盘的正面开有呈环形均匀分布的磁体凹槽141，用来放置固定磁体；图4b表示磁体固定盘上有磁体盘固定螺孔142，通过螺栓将磁耦合驱动磁体固定盘140与输入轴120连接固定，将磁耦合从动磁体固定盘150与传动连杆161连接固定。
图5表示所述磁耦合传动海流发电装置的磁耦合装置结构，表示磁耦合驱动磁体固定盘140与输入轴120相连，接收输入轴120传递的能量并跟随输入轴120一起转动；磁耦合从动磁体固定盘150和磁耦合驱动磁体固定盘140相对放置，中间有隔离层201，二者上面的磁体凹槽141的数量、形状、大小和排列方式均一致，且对应的磁体磁极异性，形成磁力耦合结构；在磁力耦合的作用下，磁耦合从动磁体固定盘150跟随磁耦合驱动磁体固定盘140同步转动；磁耦合从动磁体固定盘150与传动连杆161相连，将能量传递给后面的发电机170。
图6表示所述磁耦合传动海流发电装置的发电腔体内部装置支撑固定骨架160，表示该支撑固定骨架160是由传动连杆161、支撑板162、轴承163、弹性联轴器164、发电机转子轴165、电路模块固定板166、长金属板167和角钢168组成。传动连杆161穿过支撑板162，通过轴承163固定在支撑板162上；传动连杆161与磁耦合从动磁体固定盘150连接固定，获取来自磁耦合装置传递的动能，并通过弹性联轴器164将动能传递给发电机转子轴165，带动发电机170产生电能；电路模块固定板166用于固定电路模块，电路模块包括整流模块、滤波模块、稳压模块、蓄电池和管理模块，整流模块、滤波模块和稳压模块将发电机170产生的不稳定三相交流电经整流、滤波和稳压到一定值后存储到蓄电池中；后端盖180上设有水密连接器190，水密连接器190连接电路模块里的蓄电池，蓄电池在管理模块的控制下将存储的电能通过水密连接器190输出，实现对海底仪器的原位供电；支撑板162，电路模块固定板166均通过角钢168与长金属板167连接固定，构成了发电腔内部装置的支撑固定骨架160；支撑骨架通过角钢168连接固定在后端盖180上，拆卸后端盖180便可以直接取出支撑固定骨架160。
图7表示所述磁耦合传动海流发电装置的发电机170，表示发电机170为多盘式无铁心永磁发电机，由发电机定子171、发电机转子172，发电机定子连杆175和发电机转子轴165组成；发电机定子171与发电机转子172依次交替分布，穿过发电机转子轴165放置，发电机转子172上有三个转子固定螺孔173，利过螺栓与发电机转子轴165固定；每个发电机定子上171有三个呈120°对称分布的只耳，每个只耳上有一个定子连杆孔174，用于放置发电机定子连杆175；发电机定子连杆175通过支撑板162，利用螺栓固定在支撑板162上，利用角钢168将支撑板162固定在三块长金属板167上。
图8表示所述磁耦合传动海流发电装置的后端盖180，表示上面有输出孔181、腔体固定螺孔132和支撑固定骨架螺孔182；存储的电流通过输出孔181和水密连接器190实现对海底仪器的原位供电；腔体固定螺孔132表示利用螺栓将后端盖180与分隔式腔体200连接固定；支撑固定骨架螺孔182用于和支撑骨架160的连接固定。
图9和图10表示所述磁耦合传动海流发电装置的分隔式腔体200，表示腔体中的隔离层201将腔体分为了驱动腔202和发电腔203；其中驱动腔202与前端盖130通过腔体固定螺孔132连接固定，发电腔203与后端盖180连接固定，端盖与腔体200之间通过密封圈实现静密封；输入轴120和磁耦合驱动磁体固定盘140放置于驱动腔202中，磁耦合从动磁体固定盘150、支撑固定骨架160和发电机170放置于发电腔203中；磁耦合驱动磁体固定盘140和磁耦合从动磁体固定盘150之间通过隔离层201进行分隔，通过磁耦合实现了发电腔203的静密封。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.磁耦合传动海流发电装置，包括叶轮(110)、输入轴(120)、前端盖(130)、磁耦合驱动磁体固定盘(140)、磁耦合从动磁体固定盘(150)、支撑固定骨架(160)、电路模块固定板(166)、发电机(170)、后端盖(180)、水密连接器(190)和分隔式腔体(200)，其特征在于：
所述支撑固定骨架(160)包括传动连杆(161)、支撑板（162)、轴承(163)、弹性联轴器(164)、发电机转子轴(165)、电路模块固定板(166)、长金属板(167)和角钢(168)；
所述传动连杆(161)穿过所述支撑板(162)，通过所述轴承(163)固定在所述支撑板(162)上，所述传动连杆(161)与所述磁耦合从动磁体固定盘(150)连接固定，获取来自磁耦合装置传递的动能，并通过所述弹性联轴器(164)将动能传递给发电机转子轴(165)，带动所述发电机(170)产生电能，所述电路模块固定板(166)通过所述角钢(168)与所述长金属板(167)连接固定，所述支撑固定骨架(160)通过角钢(168)连接固定在所述后端盖(180)上，拆卸所述后端盖(180)可直接取出所述支撑固定骨架(160)；
所述分隔式腔体(200)内分为驱动腔(202)和发电腔(203)，分隔式腔体(200)两端分别与前端盖(130)和后端盖(180)之间采用螺栓连接，并通过密封圈实现静密封；输入轴(120)和磁耦合驱动磁体固定盘(140)位于驱动腔(202)中，海水可以通过机械旋转密封进入驱动腔(202)；并能在输入轴(120)与前端盖(130)之间起到润滑的作用；磁耦合从动磁体固定盘(150)、发电机(170)和电路模块固定板(166)位于发电腔(203)中，驱动腔(202)和发电腔(203)之间的隔离层(201)使得发电腔(203)为静密封方式，与海水隔绝，海水无法进入发电腔(203)，实现了海流发电装置的静密封；
所述叶轮(110)固定于输入轴(120)一端，所述磁耦合驱动磁体固定盘(140)上有呈环形均匀分布的磁体凹槽(141)，所述磁体凹槽(141)用于放置磁体，磁耦合驱动磁体固定盘(140)与输入轴(120)另一端通过螺栓连接固定；
所述磁耦合从动磁体固定盘(150)与磁耦合驱动磁体固定盘(140)形状相同，盘面上有呈环形均匀分布的磁体凹槽(141)，所述磁体凹槽(141)用于放置磁体，磁耦合从动磁体固定盘(150)与传动连杆(161)一端通过螺栓连接固定，传动连杆(161)另一端穿过支撑板(162)，与弹性联轴器(164)相连；
所述发电机(170)为多盘式无铁心永磁发动机，包括发电机定子(171)、发电机转子(172)和发电机转子轴(165)，发电机定子(171)与发电机转子(172)交错分布，穿过发电机转子轴(165)放置，发电机转子(172)通过螺栓与发电机转子轴(165)固定；每个发电机定子(171)上有三个对称分布的只耳，每个只耳上有一个定子连杆孔(174)，用于放置发电机定子连杆(175)，发电机定子连杆(175)通过角钢(168)和螺栓分别固定于支撑板(162)和三块长金属板(167)上；
所述电路模块固定板(166)用于固定电路模块，发电机(170)与电路模块连接，电路模块包括整流模块、滤波模块、稳压模块、蓄电池和管理模块，整流模块、滤波模块和稳压模块将发电机(170)产生的不稳定三相交流电经整流、滤波和稳压到一定值后存储到蓄电池中；后端盖(180)上设有水密连接器(190)，水密连接器(190)连接电路模块里的蓄电池，蓄电池在管理模块的控制下将存储的电能通过水密连接器(190)输出，实现对海底仪器的原位供电。
2.根据权利要求1所述的磁耦合传动海流发电装置，其特征在于，驱动磁体固定盘(140)与从动磁体固定盘(150)二者间的磁体数量、形状、大小和排列方式均完全一致，且对应磁体的相对磁极异性。
3.根据权利要求1所述的磁耦合传动海流发电装置，其特征在于，所述驱动磁体固定盘(140)与从动磁体固定盘(150)之间通过隔离层(201)分隔。
4.根据权利要求1所述的磁耦合传动海流发电装置，其特征在于，每个发电机定子(171)上有三个呈120°对称分布的只耳。
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