CN114893335A - 一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机 - Google Patents
一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，包括固定板，固定板顶部的两端对称安装有线圈组件，线圈组件外部套有外壳，外壳的内侧均设有磁体固定杆，磁体固定杆底部与固定板连接，磁体固定杆的上下两端均安装有固定磁体，两端的固定磁体之间的磁体固定杆上滑动连接有活动磁体，两侧的活动磁体之间连接有振子。本发明振动过程稳定，能够持续稳定的进行磁感线与线圈的相对运动，进而可持续稳定地进行发电；能量损耗少，传统流致振动发电装置中，大部分能量被边界所消耗，固定磁边界则相反，在向上运动时，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，向下运动同理。
Description
技术领域
本发明涉及一种海流能发电机，尤其涉及一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机。
背景技术
随着海洋能源领域的飞速发展，海流能作为一种绿色可再生能源，具有可持续性、高能源密度、丰富蕴藏量等特点，具有广阔的开发潜能。流致振动现象广泛存在于各工程领域中，对工程结构物具有巨大的破坏作用，但流致振动中所蕴含的能量可以利用且前景十分良好，流致振动的研究方向也逐渐由抑制振动发展为加强振动。
目前基于流致振动的低流速海流能发电系统的研究已经取得了一定的进展，一系列流致振动能量转化装置也相继被提出，电磁式发电机就是其中的一种。基于切割磁感线这一基本原理，利用振子在流体中流致振动捕获海流能，能量的利用能力一般较高，传统电磁式发电机振子由金属弹簧支撑。由于振子的流致振动是一种非线性振动，在不同的水流下，振子若达到最佳的振动状态需要不同的弹簧刚度，而物理弹簧无法使振子在不同流速下均达到最优振动状态；除此之外物理弹簧在水下进行运维也存在较大的技术困难，进而对整个发电装置系统的可靠性、耐久性产生较大影响，关乎系统的安全和发电的持续性。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，实现在不同流速下稳定持续的发电。
技术方案：本发明包括固定板，所述固定板顶部的两端对称安装有线圈组件，所述的线圈组件外部套有外壳，所述外壳的内侧均设有磁体固定杆，磁体固定杆底部与固定板连接，所述磁体固定杆的上下两端均安装有固定磁体，两端的固定磁体之间的磁体固定杆上滑动连接有活动磁体，两侧的活动磁体之间连接有振子。
所述的活动磁体与上下两端的固定磁体的磁极相反，从而产生上下斥力，使振子在一定范围内振动发电。
所述的线圈组件包括多个线圈固定杆，多个线圈固定杆沿固定板的边缘间隔排列，线圈固定杆底部焊接在固定板上，每个线圈固定杆上均沿其长度方向间隔设有多个线圈框，每个线圈框上均套有线圈。
所述的活动磁体通过连接环套在磁体固定杆上，两侧的连接环之间焊接有振子。
所述的磁体固定杆上设有滑轨，连接环内壁设有凸起，凸起能够在滑轨上滑动，从而通过振子带动活动磁体上下滑动切割磁感线产生电流，进行发电。
所述的线圈固定杆下部安装有导电滑片与电刷。
所述的固定板底部安装有底座，底座安装于海底或河道底部，安装方向保证振子轴向与来流方向垂直。
所述底座的两端均设有排线孔，用于连接用电器或蓄电池。
所述的底座顶部设有排线孔，该排线孔位于固定板下方，并与固定板上的排线孔对应，用于排放导线。
所述的外壳采用非金属材质，隔绝海水。
有益效果：本发明由于振子振动轨道固定且振动过程稳定，能够持续稳定的进行磁感线与线圈的相对运动，进而可持续稳定地进行发电；能量损耗少，传统流致振动发电装置中，大部分能量被边界所消耗，固定磁边界则相反，在向上运动时，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，向下运动同理；适用水域更广，可大面积安装布置，此装置对流速要求不高；可以根据实际水域的情况进行更换振动杆、磁极、磁力、振动间距，环境适应性强。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的爆炸图；
图3是本发明的振子结构示意图；
图4是本发明的电刷与滑片作用原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括底座9，底座9安装于海底或河道底部，安装方向应保证振子7轴向与来流方向垂直。底座9顶部设有固定板2，固定板2和底座9均采用抗海水腐蚀材料或做好耐腐蚀表面处理。固定板2顶部的左右两端对称安装有线圈组件，线圈组件采用弧形结构，线圈组件外部套有外壳1，外壳1由非金属材料制成罩在线圈组件外隔绝海水，外壳1的内侧均设有磁体固定杆3，磁体固定杆3底部与固定板2焊接，磁体固定杆3上部焊接有上部固定磁体4，下部焊接有下部固定磁体5，保证其位置不会随海流运动而移动，上部固定磁体4和下部固定磁体5之间的磁体固定杆3上滑动连接有活动磁体6，两侧的活动磁体6之间连接有振子7。上部固定磁体4和下部固定磁体5起到固定边界作用，使活动磁体6在该边界范围内振动。两侧的固定磁体磁极与中间活动磁体的磁性相反，从而产生上下斥力，使振子7在一定范围内振动发电。固定磁体和活动磁体均与线圈组件的弧度贴合。
如图2所示，每组线圈组件均包括多个线圈固定杆11，多个线圈固定杆11沿固定板2的弧形边缘间隔均匀排列，线圈固定杆11底部焊接在固定板2上，每个线圈固定杆11上沿其长度方向间隔均匀地设有多个线圈框，每个线圈框上均套有线圈12。每组线圈组件中均有两根线圈固定杆11的下部对称安装有导电滑片13和电刷14，每组线圈组件中有两组导电滑片13和电刷14，分别输出至发电装置产生电流的正负两级。导电滑片13底部焊接在固定板2上，电刷14通过弹簧压片固定在导电滑片13上。如图4所示，将线圈12一端连接第一导电滑片13a，另一端连接第二导电滑片13b，第一电刷14a与第二电刷14b分别用侧压弹簧固定在第一导电滑片13a与第二导电滑片13b上。第一电刷14a端导线及第二电刷14b端导线可穿过排线孔10分别与用电器和蓄电池正负两极相连。
如图3所示，活动磁体6通过连接环8套在磁体固定杆3上，两侧的连接环8之间焊接有振子7，磁体固定杆3上设有滑轨，连接环8内壁设有凸起32，凸起32可以在滑轨上滑动，从而通过振子7带动活动磁体6上下滑动切割磁感线产生电流，进行发电。
底座9左右两端均设有排线孔10，用于连接用电器或蓄电池；底座9顶部也设有排线孔，该排线孔位于固定板2下方，并与固定板2上的排线孔对应，用于排放导线。
本发明的装置安装在相关水域后，振子7在水流的作用下会发生沿着滑轨方向的运动，该运动迫使振子7带动活动磁体6在上部固定磁体4与下部固定磁铁5间往复运动，产生磁感线切割线圈组件，从而进行发电。活动磁铁6沿着滑轨方向上下振动使线圈里产生的感应电流方向不断变化即产生交流电，线圈两端导线与导电滑片13和电刷14连接，电刷14可对交流电进行换向使得电刷端输出固定方向的直流电。整个发电装置电流输出方向固定即发电装置的电极固定。
振动系统将潮流能通过流致振动的形式转化为机械能，振子7振动带动活动磁体6振动，而上部固定磁体和下部固定磁体起到固定边界作用，使活动磁体在该边界范围内振动。此外可根据水流情况设置固定磁体使振子振动发电达到最优：水流较大时，可以增加固定磁体的磁力，增加振子振动发电；水流较小时，可以减小固定磁体的磁力，减弱振子振动发电。而活动磁体随着振子不断振动使得整个磁场内磁感线不断变化，磁感线穿过贴和磁体弧度排列的线圈，进而产生电流进行发电。
此外，本发明可根据不同水流流速情况设置对应的不同固定磁体磁力大小，使振子达到最佳振动的效果，振子振动情况与发电情况满足如下函数关系：
式中，P-该装置捕能功率；D-振子直径；m-振子质量；v-振子振动速度；u-流体流速；μ-流体动力粘滞系数；F磁-振子所受磁边界约束力。其中:捕能功率P是振动系统获取的能量在周期上取平均得到的，计算公式如下：
式中，fosc-振子的振动主频，可以根据TOSC＝1/fosc求得；cstructure-结构阻尼；A为振幅。振子所受磁边界约束力F磁由等效磁荷法进行计算，分别算出上下部固定磁体与活动磁体间的相互作用力再进行叠加，其中，规定磁体间吸引力为负排斥力为正。将装置置于水中振动后，可以获得水流情况与振子振动情况，并进一步计算出装置捕能功率与振子所受磁约束力。将这些数据记录并制作数据库，得到在捕能功率最佳的情况下水流流速与振子所受磁约束力的关系，反推在不同流速下振子最佳捕能时所受的磁约束力，进一步去调整固定磁体以达到最佳捕能效果。
本发明将用于流致振动的振子与运动磁体连接一起振动，运动磁体由单方向上下部固定磁体控制振动边界。可使振子持续、稳定的振动，而易于调节磁力的固定磁体与数据库的计算也使得振子可以在任何流速下都达到最佳捕能效果。电流换向装置也使该装置可输出直流电直接连接海下用电器。具有安装方便，适应面广，使用便捷，可靠性高等特点，且清洁无污染，在广大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或直接使用。
Claims (10)
1.一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，包括固定板(2)，所述固定板(2)顶部的两端对称安装有线圈组件，所述的线圈组件外部套有外壳(1)，所述外壳(1)的内侧均设有磁体固定杆(3)，磁体固定杆(3)底部与固定板(2)连接，所述磁体固定杆(3)的上下两端均安装有固定磁体，两端的固定磁体之间的磁体固定杆(3)上滑动连接有活动磁体(6)，两侧的活动磁体(6)之间连接有振子(7)。
2.根据权利要求1所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述的活动磁体(6)与上下两端的固定磁体的磁极相反。
3.根据权利要求1所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述的线圈组件包括多个线圈固定杆(11)，多个线圈固定杆(11)沿固定板的边缘间隔排列，线圈固定杆(11)底部焊接在固定板(2)上，每个线圈固定杆(11)上均沿其长度方向间隔设有多个线圈框，每个线圈框上均套有线圈(12)。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述的活动磁体(6)通过连接环(8)套在磁体固定杆(3)上，两侧的连接环(8)之间焊接有振子(7)。
5.根据权利要求1所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述的磁体固定杆(3)上设有滑轨，连接环(8)内壁设有凸起(32)，凸起(32)能够在滑轨上滑动。
6.根据权利要求3所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述的线圈固定杆(11)下部安装有导电滑片与电刷。
7.根据权利要求1所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述的固定板(2)底部安装有底座(9)。
8.根据权利要求7所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述底座(9)的两端均设有排线孔(10)。
9.根据权利要求8所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述的底座(9)顶部也设有排线孔，该排线孔位于固定板(2)下方，并与固定板(2)上的排线孔对应。
10.根据权利要求1所述的一种利用海流能流致振动的磁悬浮振子直线式发电机，其特征在于，所述的外壳(1)采用非金属材质。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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