CN109378934B - 一种随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，包括上下两组相对设置的固定套筒，每个固定套筒均包括两个竖直套筒，竖直套筒呈中空腔体，竖直套筒包括密封端和开口端，竖直套筒的密封端内设有转动磁极，竖直套筒内壁上设有线圈槽，线圈槽内安装有线圈绕组；还包括直线轴承，直线轴承的端部通过法兰与竖直套筒的开口端固定连接；振动机构包括振动杆以及与振动杆固定连接的振动导杆，振动导杆上设有磁圈安装槽和防脱环，磁圈安装槽内安装有磁圈，振动导杆的端部安装有活动磁极的同时振动导杆的端部还安装有用于带动转动磁极转动的拨叉结构，振动导杆的上下两端分别伸入上下两组相对设置的固定套筒内。

Description

一种随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置
技术领域
本发明涉及一种随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，该发电装置利用海流能进行涡激振动发电，属于发电装置技术领域。
背景技术
随着地球资源的不断开采和消耗，陆地上的能源和资源越来越少，人类对资源的需求已经转向海洋。海洋资源除了海底的石油等自然资源，海洋本身蕴藏的能量也是巨大的宝藏。由于潮汐和季风的持续影响，海流能和潮汐能成为海洋能源中最易利用且持续可利用的能源。
涡激振动是一种自然界常见的振动现象，当流体(空气，水)经过钝形结构物时，由于尾涡脱落引起的升力变化，造成钝形结构发生往复运动。由于涡激振动吸收了流体的动能，并将该动能转化为破坏结构的能量，所以通常是一种具有破坏性的现象。但是如果能将该振动能量有效地转化为电能，其潜在的能源将不可估量。
传统的涡激振动发电装置通常在振动杆两端用弹簧进行连接，这种振动边界在长期振动过程中，弹簧可靠性较低，且振动过程中难免会有磕碰，弹簧防腐层一旦遭到破坏在海水环境下会产生迅速锈蚀，破坏其性能，因此一种具有磁边界的涡激振动发电装置的开发很有必要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，该发电装置能够克服传统涡激振动发电装置采用弹簧边界在使用过程中存在寿命不足及可靠性较差的缺陷，本发明发电装置采用磁体同性相斥的原理提供振动边界的阻尼作为涡激振动发电装置的边界。
本发明发电装置具有放大振幅和增加装置使用寿命的优点，将在海水中产生的振动机械能转变成线圈绕组和磁圈之间的相对运动通过切割磁感线产生电能。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，包括上下两组相对设置的固定套筒，每个固定套筒均包括水平连接杆以及通过水平连接杆连接的两个竖直套筒，竖直套筒呈中空腔体，竖直套筒包括密封端和开口端，竖直套筒的密封端内设有转动磁极，竖直套筒内壁上设有线圈槽，线圈槽内安装有线圈绕组；还包括直线轴承，直线轴承的端部通过法兰与竖直套筒的开口端固定连接，直线轴承内设有导轨；还包括振动机构，所述振动机构包括振动杆以及与振动杆固定连接的振动导杆，振动导杆由上导杆和下导杆组成，上导杆和下导杆上均设有磁圈安装槽和防脱环，磁圈安装槽内安装有磁圈，振动导杆的端部安装有活动磁极的同时振动导杆的端部还安装有用于带动转动磁极转动的拨叉结构，振动导杆的上导杆和下导杆分别伸入上下两组相对设置的固定套筒内。
其中，所述转动磁极包括转轴，所述转轴上套有弹簧，弹簧一端与竖直套筒内腔体的侧壁固定连接，弹簧另一端与转动磁极固定连接；转动磁极在沿转轴的外圆周上设有拨杆。
进一步说，所述拨杆有四个，四个拨杆等距的且呈环形排布在转轴的外圆周上。
其中，还包括底座以及台架，台架包括支脚以及固定在支脚上的套筒，支脚固定焊接在底座上，套筒固定套设在位于上部的固定套筒上。
其中，所述直线轴承呈圆筒型，内部设有多个凹槽，凹槽内安装有滚珠，直线轴承的开口处设有Y型密封圈。
其中，所述振动导杆上的防脱环外径与竖直套筒的内径一致，防脱环的外径和竖直套筒的内径均大于直线轴承内径。当振动发生时，直线轴承与固定套筒通过法兰固定连接，振动导杆由于直线轴承的存在不会脱出固定套筒范围。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
首先，由于涡激振动发电装置的振动频率在长时间处于一个稳定值，且装置长时间处于海水腐蚀环境下，磁边界较传统的弹簧边界具有更高的可靠度和寿命；
其次，传统的弹簧边界在振动过程中，大部分能量被弹簧所消耗，如向下振动时，既要抵抗下端弹簧的受压反作用力，还要受上端弹簧的受拉反作用力；而磁边界则相反，在向上运动后，磁边界提供一个向下的作用力，推动振动杆向下运动，能够产生更大的运动振幅，具有放大振动能量的作用；
再次，本发明装置能够通过拨叉和转动磁极之间的配合，可以在提供斥力的同时，通过改变转动磁极的转动相位，提供向上的吸力；
最后，本发明可根据实际水域的情况进行更换振动杆、磁极以及振动导杆的振动间距，环境适应性强。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置的结构爆炸图；
图3是本发明振动杆的结构示意图；
图4是本发明振动导杆的结构示意图；
图5是本发明磁圈的结构示意图；
图6是本发明活动磁极的结构示意图；
图7是本发明振动导杆上连有活动磁极和拨叉结构的结构示意图；
图8是本发明拨叉的结构示意图；
图9是本发明固定套筒的结构示意图；
图10是本发明线圈绕组的结构示意图；
图11是本发明磁极封盖的结构示意图；
图12是本发明活动磁极的结构示意图；
图13是本发明直线轴承的结构示意图；
图14是本发明固定台架的结构示意图；
图15是本发明拨叉带动拨杆运动的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明技术方案做进一步说明。
如图1～15所示，本发明随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，包括上下两组相对设置的固定套筒3，每个固定套筒3均包括水平连接杆32以及通过水平连接杆32连接的两个竖直套筒31，竖直套筒31呈中空腔体，竖直套筒31包括密封端和开口端，竖直套筒31的密封端35内设有转动磁极38，竖直套筒31的开口端设有连接法兰33，密封端35外部设有密封盖37，密封盖37用于密封密封端35，竖直套筒31内壁上设有线圈槽34，线圈槽34内安装有线圈绕组36；本发明装置还包括直线轴承4，直线轴承4的其中一个端部设有法兰41，直线轴承4通过法兰与竖直套筒31的开口端固定连接(通过法兰41与连接法兰33固定连接)，直线轴承4呈圆筒型，圆形套筒底部法兰的结构，内侧为轴向运动形式，直线轴承4内设有导轨42，直线轴承4内还设有多个凹槽，凹槽内安装有滚珠43，直线轴承4的另一个端部(开口处)设有Y型密封圈，直线轴承4用于限制振动导杆2在固定套筒3(竖直套筒31腔体内)内沿纵向的运动，导轨42限制振动导杆2的纵向运动，滚珠43用于减少振动产生的干摩擦；本发明装置还包括振动机构，振动机构包括振动杆1以及与振动杆1固定连接的振动导杆2，振动导杆2包括导杆22，导杆22分成上导杆和下导杆，上导杆和下导杆上均设有磁圈安装槽25和防脱环24，磁圈安装槽25内安装有磁圈86，上导杆和下导杆的端部分别安装有活动磁极87的同时上导杆和下导杆的端部还分别安装有用于带动转动磁极38转动的拨叉结构27，拨叉结构27通过固定环26固定在振动导杆2的两个端部，振动导杆2的上导杆和下导杆分别伸入上下两组相对设置的固定套筒3内。
转动磁极38包括转轴310，转轴310上套有弹簧，弹簧一端与竖直套筒31内腔体的侧壁固定连接，弹簧另一端与转动磁极38固定连接；转动磁极38通过弹簧与竖直套筒31固定连接。转动磁极38在沿转轴310的外圆周上设有拨杆39，拨杆39有四个，四个拨杆39等距的且呈环形排布在转轴310的外圆周上。拨叉结构27上设有3～4个与拨杆39相匹配的半圆形凹槽结构，拨叉结构27随着振动导杆2沿纵向向上运动时能够通过与拨杆39的配合连接推动转动磁极38沿转轴310转动，当拨叉结构27随着振动导杆2向下运动后，转动磁极38在弹簧的作用下转回原位，此时转动磁极38又再次与活动磁极87异极相对。
本发明随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置还包括底座6以及带支脚的台架5，台架5包括支脚52以及固定在支脚52上的套筒51，支脚52固定焊接在底座6上，套筒51固定套设在位于上部的固定套筒3上，通过焊接固定，位于下部的固定套筒3的两个竖直套筒31的端部固定在底座6上。底座6用于沉底固定整个发电装置。
振动杆1通过两端的固定孔12与振动导杆2上的安装孔21配合，然后通过振动导杆2上的螺栓孔23固定连接(即固定孔12伸入安装孔21中，螺栓穿过螺栓孔23和固定孔12将振动杆1与振动导杆2固定连接)。振动导杆2包括导杆22，导杆22分成上导杆和下导杆，上导杆和下导杆上均有磁圈安装槽25和防脱环24；防脱环24的外径与固定套筒3的竖直套筒31内径一致，但大于直线轴承4导轨42的内径，因此振动导杆2纵向上下移动时无法脱出直线轴承4的限制。磁圈安装槽25处安装有磁圈86，振动导杆2两头端部通过内外螺纹相互配合连接安装有活动磁极87，同时振动导杆2的两个端部还分别通过固定环26固定有拨叉结构27。振动导杆2上的防脱环24外径与竖直套筒31的内径一致，防脱环24的外径和竖直套筒31的内径均大于直线轴承4的内径；当振动发生时，直线轴承4与固定套筒3通过法兰固定连接，振动导杆2由于直线轴承4的存在不会脱出固定套筒3范围。其中，线圈绕组36的数量为磁圈86的若干倍，用以保证振动导杆2带动磁圈86相对线圈绕组36上下振动时，能够持续切割磁感线，相对运动产生的切割磁感线运动产生的电流通过线路集中并储存。
如图14所示，为拨叉结构27与转动磁极38在运动过程中的运动示意图，由左至右为拨叉结构27向上运动，带动转动磁极38沿转轴310发生180°转动。
将本发明发电装置放置在相应水域中，当有水流通过时，振动杆1会因涡激振动发生上下振动，从而带动与之固定连接的振动导杆2上下振动，振动导杆2带动磁圈86在固定套筒3的竖直套筒31腔体内做往复运动。固定套筒3的线圈槽34中安装大量线圈绕组36，当磁圈86与线圈绕组36往复运动时，会产生电流。即振动杆1带动振动导杆2运动时，与固定套筒3之间产生相对运动，采用阵列的磁圈86和线圈绕组36相对运动的发电形式将振动机械能转化为电能。
当振动导杆2向上运动至竖直套筒31顶部时，此时活动磁极87与转动磁极38异极相对，相互吸引，引力加速振动导杆2的向上运动，安装在振动导杆2端部的拨叉结构27推动转动磁极38上的拨杆39，从而带动转动磁极38沿转轴310发生转动，当转动磁极38转动180°后，转动后的转动磁极38与活动磁极87同极相对，相互排斥，此时转动磁极38推动振动导杆2向下运动。当拨叉结构27随着振动导杆2向下运动后，转动磁极38在回复弹簧的作用下转回原位，此时转动磁极38又再次与活动磁极87异极相对，如此往复，即拨叉结构27带动转动磁极38转动后，转动磁极38会在弹簧作用下转回原位。振动导杆2在两端吸力和斥力不断转换以及海流能产生的涡激力作用下，持续稳定地往复运动。
本发明装置中拨叉结构27的长度根据水域的流速变化进行调节，可以改变转动磁极38提前转动的相位差，进而改变磁边界的斥力强度。振动杆1与振动导杆2之间采用方便拆卸的结构形式，根据安装环境的平均流速以及密度等因素，可以实现快速拆卸更换。振动杆1带动振动导杆2运动时，与固定套筒3之间产生相对运动，采用阵列的磁圈86和线圈绕组36相对运动的发电形式将振动机械能转化为电能。
本发明发电装置用于安装在海底或河道底部或具有一定流速的水域，安装方向应保证振动导杆轴向与来流方向垂直，通过转化将具有一定流速的水的能量转化为机械能，而后转化为电能。台架5和底座6应采用抗海水腐蚀材料或做好耐腐蚀表面处理。装置中的活动磁极87和转动磁极38均具有永磁性。
在本发明中，可以根据实际水域的平均流速决定振动杆的外径、重量，可以通过更换固定磁极和活动磁极的磁通量改变振动的边界阻尼，可以根据振动杆的最大振幅改变活动磁极的大小及安装距离，通过改变拨叉结构27的长度，可以改变转动磁极38在振动导杆2向上运动时的提前转动量，进而改变异极相对时的吸力大小。
由于该装置具有安装方便，适应性强，可靠性高，寿命长等特点，且清洁无污染，在相关水域中可以集群化布置，多个装置产生的电流进行统一处理储存。

Claims (6)

1.一种随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，其特征在于：包括上下两组相对设置的固定套筒，每个固定套筒均包括水平连接杆以及通过水平连接杆连接的两个竖直套筒，竖直套筒呈中空腔体，竖直套筒包括密封端和开口端，竖直套筒的密封端内设有转动磁极，竖直套筒内壁上设有线圈槽，线圈槽内安装有线圈绕组；还包括直线轴承，直线轴承的端部通过法兰与竖直套筒的开口端固定连接，直线轴承内设有导轨；还包括振动机构，所述振动机构包括振动杆以及与振动杆固定连接的振动导杆，振动导杆由上导杆和下导杆组成，上导杆和下导杆上均设有磁圈安装槽和防脱环，磁圈安装槽内安装有磁圈，振动导杆的端部安装有活动磁极的同时振动导杆的端部还安装有用于带动转动磁极转动的拨叉结构，振动导杆的上导杆和下导杆分别伸入上下两组相对设置的固定套筒内；所述转动磁极包括转轴，所述转轴上套有弹簧，弹簧一端与竖直套筒内腔体的侧壁固定连接，弹簧另一端与转动磁极固定连接；转动磁极在沿转轴的外圆周上设有拨杆。
2.根据权利要求1所述的随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，其特征在于：所述拨杆有四个，四个拨杆等距的且呈环形排布在转轴的外圆周上。
3.根据权利要求1所述的随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，其特征在于：还包括底座以及台架，台架包括支脚以及固定在支脚上的套筒，支脚固定在底座上，套筒固定套设在位于上部的固定套筒上。
4.根据权利要求1所述的随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，其特征在于：所述直线轴承呈圆筒型，内部设有多个凹槽，凹槽内安装有滚珠，直线轴承的开口处设有Y型密封圈。
5.根据权利要求1所述的随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，其特征在于：所述振动导杆上的防脱环外径与竖直套筒的内径一致，防脱环的外径和竖直套筒的内径均大于直线轴承内径。
6.根据权利要求1所述的随振幅转换的磁边界涡激振动发电装置，其特征在于：所述振动杆由水平部以及位于水平部端部的弯折部组成。
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