CN110725772A - 一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，包括由PVC管和设置在PVC管上下两端的端盖构成的密封壳、设置在PVC管外的浮子、设置在浮子内侧的环形背铁、设置在PVC管内的滚珠丝杠、设置在滚珠丝杠上的滚珠螺母、与滚珠螺母固连的活塞、设置在活塞外方环形永磁铁、与滚珠丝杠下端固连的传动轴一、设置在密封壳内底上的永磁同步发电机，传动轴一上设置有单向离合器，单向离合器外圈连接有齿轮一，永磁同步发电机的输出端连接有传动轴二，传动轴二上设置有与齿轮一啮合的中间齿轮。本发明采用机械直驱式动力输出装置，通过两个滚珠丝杠将波浪的往复直线运动转化为发电机的旋转运动，没有采用液压或者气压等中间转换机构，结构简单可靠。

Description

一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及波浪能发电装置，尤其涉及一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置。
背景技术
波浪能是海洋能中储量丰富的可再生能源，通过对海洋中波浪能的开发利用不仅可以减少化石燃料的使用，解决能源短缺的问题，而且可以减少二氧化碳等温室气体的排放，促进社会的可持续发展，因此对波浪能的开发利用意义重大。尽管波浪能发电装置的概念可以追溯到1799年的专利，并且欧洲和日本的重大研发工作最近取得了重要进展，但是目前波浪能发电技术仍处于起步阶段。虽然全球有超过100个波浪能收集装置处于不同的发展阶段，但波浪能量收集技术尚未成为广泛应用的商业技术。直接驱动式波浪能提取装置使用永磁直线发电机，在低速往复运行时效率极低，而且具有较大的重量和尺寸，目前直线电机的技术也不够成熟。间接驱动式波浪能提取装置使用液压或气压传动来驱动旋转发电机，在液压泵、高压管和液压马达之间会造成效率损失，系统结构也比较复杂，可靠性低，此外液压油的泄漏也会造成海洋环境的污染。因此，迫切需要具有高效率，可靠性和紧凑性的创新动力输出装置设计，从而有效并可靠地从海洋波浪振荡运动中提取能量。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，利用非接触式力传递系统使整个装置完全密封，内部动力输出装置采用两个单向离合器和三个齿轮对机械运动进行整流，使浮子在波浪作用下的往复直线运动转化为永磁同步发电机的连续单向旋转运动，从而提高整个发电装置的可靠性和发电效率。
本发明的目的是这样实现的：包括由PVC管和设置在PVC管上下两端的端盖构成的密封壳、设置在PVC管外的浮子、设置在浮子内侧的环形背铁、设置在PVC管内的滚珠丝杠、设置在滚珠丝杠上的滚珠螺母、与滚珠螺母固连的活塞、设置在活塞外方环形永磁铁、与滚珠丝杠下端固连的传动轴一、设置在密封壳内底上的永磁同步发电机，传动轴一上设置有单向离合器，单向离合器外圈连接有齿轮一，永磁同步发电机的输出端连接有传动轴二，传动轴二上设置有与齿轮一啮合的中间齿轮。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述滚珠丝杠有两个，对应的滚珠螺母也有两个，活塞与两个螺母固连，所述传动轴一和齿轮一也有两个，两个齿轮一同时与中间齿轮啮合。
2.所述传动轴二上还设置有飞轮。
3.两个滚珠丝杠的旋向相反。
4.密封壳体与海底固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用机械直驱式动力输出装置，通过两个滚珠丝杠将波浪的往复直线运动转化为发电机的旋转运动，没有采用液压或者气压等中间转换机构，结构简单可靠。采用了非接触式力传递系统，通过磁场力实现外部浮子与内部动力输出装置之间的连接，内部模块完全密封，提高了装置在水中的密封性。本发明通过两个单向离合器实现对机械运动的整流，将浮子在波浪作用下的往复直线运动转换为发电机的连续单向旋转运动，提高了整体装置的发电效率。本发明在发电机与滚珠丝杠之间加入飞轮，提高了动力输出装置的等效质量，从而抑制了发电机的转速波动，使发电机转速更加平稳。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为本发明中机械运动整流部分的结构示意图。
图3为本发明的整体结构示意图。
图中：1、端盖，2、轴承端盖一，3、套杯，4、支撑板一，5、PVC管，6、支撑杆，7、滚珠丝杠，8、滚珠螺母，9、环形永磁体，10、环形背铁，11、浮子，12、活塞，13、支撑板二，14、透盖，15、联轴器，16、传动轴一，17、传动轴二，18、圆螺母，19、齿轮一，20、轴承端盖二，21、飞轮，22、永磁同步发电机，23、角接触球轴承，24、支撑板三，25、套筒，26、螺钉，27、单向离合器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明采用了非接触式力传递系统和机械运动整流部分，其中非接触式力传递系统将海浪作用下浮子的浮力通过磁场耦合到装置内部的丝杠螺母，保证了整体装置的密封性，机械运动整流部分主要是通过两个单向离合器来实现两个滚珠丝杠与永磁同步发电机之间的接合与分离，从而实现对机械运动的整流，将浮子的往复直线运动转化为发电机的连续单向旋转运动，此外在发电机和滚珠丝杠之间装有飞轮，可以抑制发电机的转速波动，从而使发电装置连续稳定地发电。
使用了机械直驱式动力输出机构，避免了气压或液压等中间转换环节，使用滚珠丝杠和螺母之间的螺旋传动将浮子在波浪作用下的直线运动直接转换为永磁同步发电机的旋转运动进行发电，结构简单可靠。
使用了非接触式力传递系统，浮子漂浮在海面上，内部动力输出装置封装在PVC管内，浮子套在PVC管外，可以沿着PVC管上下移动。非接触式力传递系统将浮子与内部动力输出装置连接起来，主要由位于浮子内侧的环形背铁和连接在丝杠螺母上的活塞组成，活塞上装有多个轴向排列的环形永磁体，通过磁体和背铁之间的磁场力，吸引丝杠螺母随着浮子一起上下移动。通过非接触式力传递系统，实现了整个装置的完全密封。
采用了一种机械运动整流装置，通过使用两个滚珠丝杠、两个单向离合器和三个齿轮，实现对机械运动的整流，将浮子的往复直线运动转化为发电机的连续单向旋转运动，提高了装置的发电效率和可靠性，此外在发电机与滚珠丝杠之间加入飞轮，抑制了发电机的转速波动，使整个发电过程更加平稳。
如图1所示，本发明给出了一种基于滚珠丝杠机构的波浪能发电装置。整个装置包括两部分，外部浮子11和内部的动力输出装置，浮子11内侧装有环形背铁10，整体装置工作时，浮子11在波浪作用下沿着PVC管5做竖直方向上的往复直线运动，PVC管5和上下两个端盖1将整个动力输出装置封装起来，完全密封。在PVC管5内装有两个滚珠丝杠7，滚珠丝杠7上下两端分别固定在支撑板一4和支撑板二13上，滚珠丝杠7和滚珠螺母8形成螺旋传动的滚珠丝杠副，滚珠螺母8通过法兰连接有活塞12，活塞12外嵌有环形永磁体9。滚珠丝杠7下端通过联轴器15与传动轴二17相连，传动轴二17通过角接触球轴承23和套筒25等固定在支撑板三24上，传动轴二17的下端与单向离合器27相连，单向离合器27外圈与齿轮19相连，并通过轴承端盖二20固定，两个单向离合器27外圈的齿轮一19互连到中间齿轮，然后将扭矩传递给永磁同步发电机22，中间齿轮固定在中间传动轴一16上，传动轴一16通过圆螺母18固定在支撑板三24上，飞轮21固定在永磁同步发电机22前面。整个内部动力输出装置固定在海底，只有浮子11漂浮在海面上，随波浪上下运动，作为吸收波浪能的介质。
本发明的内部动力输出装置通过两个端盖封装在PVC管内，完全密封，漂浮在海面上的浮子套在PVC管上，在波浪作用下可以沿着PVC管上下移动，通过浮子内侧的环形背铁和PVC管内环形永磁体之间的磁场力，实现外部浮子和内部动力输出装置之间的力传递。内部的动力输出装置主要包括两个滚珠丝杠，滚珠丝杠通过支撑板固定在PVC管内，滚珠丝杠端部通过联轴器连接一个小的传动轴，轴的另一端连单向离合器和齿轮，轴端的齿轮互连到中间齿轮，从而将扭矩传递给下面的发电机。每个滚珠丝杠下面的齿轮都装有一个单向离合器，只能传递一个方向的旋转运动，两个滚珠丝杠的旋向相反，因此一个滚珠丝杠在浮子向上运动期间与单向离合器连接，而另一个在向下运动期间连接单向离合器，和电路里的整流器相类似，最终无论浮子向上还是向下运动，发电机总是朝着同一方向旋转。
这种实施方式的工作原理为：
本发明所设计的基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置工作时，外部浮子在波浪作用下做往复直线运动，通过浮子内侧环形背铁和PVC管内环形永磁体之间的磁场力，驱动内部动力输出装置中的活塞和丝杠螺母随浮子一起上下移动，丝杠螺母的上下移动驱动滚珠丝杠进行旋转运动，从而最终将浮子的往复直线运动转化为滚珠丝杠的旋转运动。其中，内部动力输出装置中的两个滚珠丝杠旋向相反，并且每个滚珠丝杠下端都接有单向离合器，离合器外端接有齿轮，两个离合器外端的齿轮互连到中间齿轮，通过中间齿轮将扭矩传递给发电机，从而进行发电。在浮子进行向上或向下的运动时，滚珠丝杠的旋转方向也不同，单向离合器的作用使每个滚珠丝杠只能传递一个方向的旋转运动，一个在浮子向上运动期间与离合器接合，另一个在向下运动期间与离合器接合，从而使浮子在向上或向下运动期间始终都只有一个滚珠丝杠与离合器接合，并且由于两个滚珠丝杠旋向不同，最终传递到发电机上的是同一个方向的连续旋转运动，同时在发电机与滚珠丝杠之间加有一个飞轮，在发电机转速较大时飞轮储存能量，在发电机转速较小时释放能量，从而抑制了发电机在工作时的转速波动，使发电机工作更加平稳。因此通过两个滚珠丝杠、两个单向离合器、三个齿轮和一个飞轮，实现了将浮子的往复直线运动转化为发电机连续平稳的单向旋转运动，提高了整个波浪能发电装置的发电效率。
综上，本发明专利主要为一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，整体装置包括外部浮子和内部动力输出装置两部分。固定在内部动力输出装置活塞上的环形永磁体和浮子内侧的环形背铁构成非接触式力传递系统，通过磁场将浮子在海浪作用下的浮力耦合到内部动力输出装置，内部动力输出装置主要包括滚珠丝杠、传动轴、齿轮、单向离合器、联轴器、飞轮以及永磁同步发电机等。装置工作时，漂浮在海上的外部浮子作为吸收波浪能的介质，通过动力输出装置将波浪能转换为电能。本发明专利中的非接触式力传递系统可以使整个装置内部模块完全密封，浮子上下移动时产生的磁阻力通过永磁体和背铁之间的磁场耦合到滚珠丝杠螺母，通过滚珠丝杠和螺母的螺旋传动使浮子的往复直线运动转化为旋转运动，以驱动永磁同步发电机旋转发电，避免了使用液压或者气压传动等中间转换环节，其中介于滚珠丝杠和发电机之间的飞轮使装置工作时发电机的转速更加平稳。此外，本发明专利中的两个单向离合器类似于整流电路中的二极管，通过单向离合器的接合与分离使滚珠丝杠传递给发电机连续的单向旋转运动，从而最终将波浪的不规则运动转化为规则的单向旋转运动，提高了整个发电装置的可靠性和转化效率。

Claims (7)

1.一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，其特征在于：包括由PVC管和设置在PVC管上下两端的端盖构成的密封壳、设置在PVC管外的浮子、设置在浮子内侧的环形背铁、设置在PVC管内的滚珠丝杠、设置在滚珠丝杠上的滚珠螺母、与滚珠螺母固连的活塞、设置在活塞外方环形永磁铁、与滚珠丝杠下端固连的传动轴一、设置在密封壳内底上的永磁同步发电机，传动轴一上设置有单向离合器，单向离合器外圈连接有齿轮一，永磁同步发电机的输出端连接有传动轴二，传动轴二上设置有与齿轮一啮合的中间齿轮。
2.根据权利要求1所述的一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，其特征在于：所述滚珠丝杠有两个，对应的滚珠螺母也有两个，活塞与两个螺母固连，所述传动轴一和齿轮一也有两个，两个齿轮一同时与中间齿轮啮合。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，其特征在于：所述传动轴二上还设置有飞轮。
4.根据权利要求2所述的一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，其特征在于：两个滚珠丝杠的旋向相反。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，其特征在于：密封壳体与海底固定连接。
6.根据权利要求3所述的一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，其特征在于：密封壳体与海底固定连接。
7.根据权利要求4所述的一种基于滚珠丝杠机构的直驱式波浪能发电装置，其特征在于：密封壳体与海底固定连接。
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