CN213450660U - 船舶专用涵道式水流平衡发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶专用涵道式水流平衡发电机，近似于潮汐发电的水下发电机。但是，本发明不同于固定安装在水下的潮汐发电机。具体的说：是由发电机涡轮壳、石墨止推轴承、前十字支架、内转子旋转体、圆锥形分水装置、主轴石墨轴承、电枢绕组输出导线等部件组成。由于采用上述技术方案，本发明涵道式水流平衡发电机的效果是；创新利用船舶的运动载体，建立可移动的清洁能源发电装置，利用船舶在行驶中所产生水流阻力的能量，开创可再生清洁能源的利用领域，减少船舶对一次性矿物质能源的消耗，为船舶补充清洁的电力能源，增加船舶的续航时间。

Description

船舶专用涵道式水流平衡发电机

技术领域

本发明涉及水下发电设备的技术领域，近似于潮汐发电的水下发电机。但是，本技术发明不同于固定安装在水下的潮汐发电机，具体的说是涉及一种能够安装在船舶下的涵道式水流平衡发电机，本水流平衡发电机可以主动利用船舶在行驶中所产生的水流阻力，进行能量转换的专用发电设备。

背景技术

潮汐发电机利用潮汐驱动叶片，从而带动发电机，将潮汐能转换为电能，根据其安装方式的不同，可大致分为固定式潮汐发电机和悬浮式潮汐发电机。前者发电机固定安装在浅滩底部，后者发电机则漂浮在浅水中。因此，不管是潮汐电机均采用水的流体带动叶片，驱使发电机发电。

发明内容

利用潮汐发电还是利用其它的发电形式，都不能直接被船舶所利用，本发明的目的是提供一种船舶专用的水下涵道式水流平衡发电机，用以解决船舶在行驶中利用电能驱动的技术。因此，要想说明水下涵道式水流平衡发电机技术的创造性、新颖性和实用性，首先要对发电机的原理进行简单的技术说明。

发电机是由定子和转子两大部件组成，无论是内转子形式的发电机、还是外转子形式的发电机，其中必须有一个部件与发电机的底座固定连接，这样才能保证在机械能的作用下，旋转其中另一个部件，完成切割磁场磁力线的发电过程，从而达到能量转换的目的。在电枢线圈切割磁力线的过程中，闭合的电枢线圈会感应出电流，形成电枢线圈的电动势，此时，在电枢线圈与发电机定子所设置的磁场气隙中，便合成一个磁场阻力的形态。根据牛顿第三运动定律作用力和反作用力的解释分析，作用在驱动旋转电枢线圈上的机械能，一定会产生一个大小与作用在电枢线圈上的机械能相等的能量消耗。由于常规发电机的底座固定安装设备基础上，磁场阻力被大地所吸收，人类也不觉得有所损失。但是，如果把发电机安装在船舶的水下，利用水流的能量驱动转子叶片切割定子磁场的磁力线，这个磁场阻力的能量就会通过发电机的定子结构转移到发电机的底座，在由发电机的底座转移到船舶上。迫使船舶在原有驱动能量的基础力上，增加了磁场阻力对发动机的能源消耗。通常大家把这个阻力关系俗称为水流阻力，如果安装在汽车上便称为空气阻力。所以，常规发电机为什么不能安装在电动汽车、高速列车、电动飞机和船舶上，直接为交通运输领域提供所需要的电力能源，究其根源是因为常规发电机的设计结构存在技术基因的不足。因此，常规发电技术也就不可能在船舶上，利用水流的能量进行能量转换的梦想。假设，如果通过技术上的创新，找到克服发电机磁场阻力被转移到发电机底座的方法，人类社会是否可以在交通运输领域利用空气和水流的可再生能量，驱动电动汽车、高速列车、电动飞机和船舶行驶，减少对石油能源的依赖程度。

为了达到在行驶的船舶上创新水流发电的目的，本技术发明依据牛顿第三运动定律，作用力和反作用力的理论，并根据经典力学中《大小，方向，作用点》三要素的条件，构思了一个在行驶的船舶上，通过对发电机内转子驱动叶片和外转子驱动叶片切入角的设计，人为的把进入发电机的水流一分为二，变成发电机的一对相等的驱动力，让其分别作用在发电机的内转子驱动叶片和外转子驱动叶片上。只要对内转子和外转子的作用力相等，便在发电机设置的磁场能量的阻力中形成一个扭矩力的平衡作用点。此时，磁场能量的阻力形式就不会通过发电机的涡轮壳传导到行驶中的船舶上。而作用在发电机内转子和外转子上的一对平衡力，已经完成了对磁场磁力线的切割，达到船舶在行驶中利用水流发电的目的。

本发明的船舶专用水下涵道式水流平衡发电机是由：发电机涡轮壳、石墨止推轴承、前十字支架、内转子旋转体、圆锥形分水装置、主轴石墨轴承、电枢绕组输出导线、外转子定位石墨轴承、发电机外转子驱动叶片、外转子环形结构、永磁铁、碳刷、导电滑环、输出电缆导线、空心主轴、内转子旋转体机械水封、后十字支架、发电机内转子驱动叶片和内转子电枢绕组等部件组成。

附图说明

附图1；是船舶专用涵道式水流平衡发电机的侧视剖面示意图。

附图1中的标识：1、发电机涡轮壳。2、石墨止推轴承。3、前十字支架。4、内转子旋转体。5、圆锥形分水装置。6、主轴石墨轴承。7、电枢绕组输出导线。8、外转子石墨定位轴承。9、外转子驱动叶片。 10、环形外转子结构。11、外转子永磁体。12、碳刷。13、导电滑环。14、电缆导线。15、空心主轴尾端出口。16、内转子旋转体机械水封部件。17、后十字支架。18、内转子驱动叶片。19、内转子电枢绕组。

附图2；是船舶专用涵道式水流平衡发电机的平面结构示意图。

附图2中的标识：1、内转子驱动叶片。2、外转子永磁体。3、发电机涡轮壳。4、外转子驱动叶片。5、内转子电枢绕组。6、空心主轴壁。7石墨轴承。

附图3；是船舶专用涵道式水流平衡发电机，空心主轴与内转子旋转体的局部安装示意图。

附图3中的标识：1、空心主轴的轴壁。2、导电滑环。3、电枢绕组与碳刷的连接线。4、检修和更换碳刷组的防水盖板。5、碳刷组。6、电缆导线。7、内转子旋转体。

附图4；是船舶专用涵道式水流平衡发电机的正立面效果示意图。。

附图4中的标识：1、十字安装支架。2、代表发电机外转子旋转方向。3、代表发电机内转子旋转方向。 4、发电机涡轮壳体。5、与船底结合的安装吊架。6、内转子旋转轴。7、空心主轴。8、石墨止推轴承。9、外转子石墨定位轴承。

附图5；是船舶专用涵道式水流平衡发电机的实物安装效果示意图。

附图5中的标识：1、电动推进器。2、方向舵。3、船底涵道式水流平衡发电机。4、快艇。5、船舷涵道式水流平衡发电机

具体实施方式

一、由于涵道式水流平衡发电机是在水下运行，对发电机的防水绝缘非常重要。因此，在安装前首先要把内转子电枢绕组(18)用树脂材料进行封灌，把永磁铁(11)安装在外转子的环形结构(10)上。然后，结合说明书附图，说明本技术方案的具体实施方式。

根据发电机结构的基本设计原理，说明书附图中的发电机涡轮壳(1)作为涵道式水流平衡发电机的整体结构基础，类似于常规发电机定子结构的底座；把后十字支架(17)安装在涡轮壳(1)内，相当于常规发电机定子结构的端盖部位。

进一步的把导电滑环(13)固装在空心主轴(15)的轴壁上，把发电机输出导线(14)穿过空心主轴与导电滑环(13)焊接，然后做好与空心主轴的防漏水工作。

进一步的把内转子旋转体的机械水封部件(16)密封安装在内转子旋转体(4)的内壁中，通过石墨轴承(6)与发电机空心主轴(15)的外壁上进行连接，形成发电机空心主轴不能旋转，内转子旋转体代替空心主轴作轴向运动。采用免维护石墨轴承在水下不会产生腐蚀和锈蚀的现象。

进一步的把碳刷(12)安装在内转子旋转体(4)的预留开口的内壁上，把内转子驱动叶片(18)安装在内转子旋转轴(4)的外壁上，把内转子电枢绕组(19)安装在内转子驱动叶片(18)上，把电枢绕组输出导线(7)，通过内转子旋转体(4)的预留线孔与碳刷(12)连接，然后用防水密封盖板压紧。

进一步的把发电机空心主轴(15)连带内转子旋转体(4)，一同插入后十字支架(17)的中心圆孔内，用紧固螺丝锁住空心主轴。

进一步的把石墨止推轴承(2)和外转子石墨定位轴承(8)，按照外转子的直径，在后十字支架的4 个支架上调整外转子结构的安装点位，然后把外转子结构(10)连同外转子驱动叶片(9)与石墨止推轴承(2)和外转子石墨定位轴承(8)进行滚动式连接。

进一步的把前十字支架(3)连同石墨止推轴承(2)和外转子石墨定位轴承(8)，与发电机空心主轴(15)的另一端进行固定安装，前十字支架(3)再与发电机涡轮壳(1)进行连接，使涵道式水流平衡发电机的内转子部件和外转子部件，安装在前十字轴承支架(3)和后十字轴承支架(17)之内。

进一步的把圆锥形分水装置(5)安装在前十字支架(3)的4个支架上，以此拦截水草及水下杂物；并且，以圆锥形的分水作用减少水流对涵道式水流平衡发电机的阻力影响。

最后，把涵道式水流平衡发电机，安装在船舶的底部或安装在船舷上。(见说明书附图5)

二、技术分析；发电技术是利用机械能的能量，驱动转子电枢线圈旋转，切割定子磁场的磁力线而转换电力能源的过程。完全可以认定，发电技术就是机械能与发电机磁场能量强度一对一的转换过程。假设发电机的定子不设置磁场，或发电机转子电枢线路处于开路状态，发电机的磁场就不会对转子电枢线圈感应电动势而产生阻滞作用。电动机的工作原理是发电机的逆变工况原理。电动机转子输出功率的大小，取决于电力能源在电动机中建立磁场强度的大小。因此，发电功率的大小取决于输入机械能量的大小，而不是取决于磁场能量的强度。通过发电机原理与电动机原理的相互认证，理论上可以抽象出发电机的能量转换过程，归根结底就是水流中的能量力度与发电机磁场的能量强度之间一对一的能量的叠加过程。

根据发电机能量转换的基本特征，可以认定，发电机的发电功率等于磁场能量的阻力功率的结论，是完全符合能量转换的逻辑推理。因此，在船舶上安装水流发电机，电磁阻力是水流阻力根源。只要本技术发明的涵道式水流平衡发电机攻克了这个技术难题，迫使因为发电机的磁场能量所产生的水流阻力，不被转移到船舶的船身上，就等于发电机利用了船舶的载体，瞬间捕获了水流阻力中的能量并转换为电能。所以，在理论上确定了因发电机磁场能量所产生的水流阻力，是发电机的最大阻力因素后，对于船舶采用涵道式水流平衡发电机的技术，以延长船舶续航里程的技术创新，也就不是永动机的幻想了。

然而，在江河湖海中永远不会同时出现相对方向和相等能量的水流，只能依赖技术手段在水流中，人为的创造出具有一对相等能量的水流。让其分别作用在发电机内转子和外转子的驱动叶片上。根据流体力学理论，水流可以自由分割的物理特性，当经过水下发电机的水流，在触碰发电机内转子驱动叶片和外转子驱动叶片的瞬间，一定会根据驱动叶片的结构面积，自动的分割为两个作用相等的驱动力，根据这一物理特征，本人把内转子和外转子的驱动叶片设计成，一个向左倾斜45度角，一个向右倾斜45度角，当上述两个作用相等的驱动力流过发电机时，一定会自动的形成一对能量相等的切向力，迫使发电机的内转子和外转子作相对的旋转运动，完成切割磁场磁力线的发电过程。所以，只要把发电机磁场能量的阻力，平衡在水流发电机的涡轮壳内，就完全可以在行驶的船舶上，利用水流阻力中的能量，实现延长船舶续航里程的可行性技术创新，也不必担心增加船舶的电力消耗。

三、具体实施例；一般在水面上行驶的船舶，通常由燃油发动机作为动力，通过传动轴驱动螺旋桨推进船舶行驶。在我国江南水域的大部分农用船只，也都在使用手扶拖拉机的柴油发动机，从10马力到20马力不等。由于燃油发动机不能将石油的热能全部转换为机械能，其能量效率一般也只有30％-左右。列举一台15马力的柴油发动机，折合电机功率为11kw，如果，以30％的能量转换效率计算，实际输出电功率仅为 3.3kw。而且，燃油发动机一方面消耗了地球有限的石油能源，另一方面，燃烧石油能源所排放的二氧化碳气体，又加剧了气候变暖的危害。因此，燃油技术在交通运输领域已逐步被电力驱动技术所代替。但是，通过发展新能源电动汽车的经验，基本总结出两大主要缺陷；1、续航里程短。2、充电时间长。而且在国内的水路码头还没有建设充电设备。所以，在水路运输领域一直处于燃油技术的驱动形式。

本技术发明的具体实施方式是，参照上述15马力柴油发动机实际输出的功率参数，为农用船舶加装一台5kw左右的电动推进器，配备一组容量20kw的锂电池，代替15马力的柴油发动机的驱动能量。为了解决续航里程短、充电时间长、码头没有充电设备等问题，保留船舶原有的15马力柴油发动机，带动一台传统发电机，以此解决船舶的续航问题。另外，本技术发明也为该船舶设计了一种5kw涵道式水流平衡发电机，配合20kw的锂电池容量和改装后的柴油发电机，共同为电动推进器提供电力能源。形成以电动推进器为船舶驱动力，柴油发电机和水流平衡发电机为续航能源的、增程式新能源电力驱动船舶技术。

由于采用了上述技术方案，本发明的涵道式水流平衡发电机的技术效果是；创新利用船舶的运动载体，建立可移动的清洁能源发电装置，利用船舶在行驶中所产生水流阻力的能量，开创可再生清洁能源的利用领域，减少船舶对一次性矿物质能源的消耗，为船舶补充清洁的电力能源，增加船舶的续航时间。

显然，本发明所述的具体实施方式，仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种船舶专用水下涵道式水流平衡发电机，其特征在于：是由发电机涡轮壳、石墨止推轴承、前十字支架、内转子旋转体、圆锥形分水装置、主轴石墨轴承、电枢绕组输出导线、外转子定位石墨轴承、外转子驱动叶片、外转子环形结构、永磁铁、碳刷、导电滑环、输出电缆导线、空心主轴、内转子旋转体机械水封、后十字支架、发电机内转子驱动叶片、内转子电枢绕组组成，把前十字支架和后十字支架安装在发电机涡轮壳内，把石墨止推轴承和外转子定位石墨轴承，安装在前十字支架和后十字支架的4个支架上，把导电滑环安装在空心主轴的轴壁上，电缆导线穿过空心主轴与导电滑环焊接，把内转子旋转体机械水封安装在内转子旋转体的内壁上，把碳刷安装在内转子旋转体的内壁上，内转子旋转体通过主轴石墨轴承与空心主轴进行套接，把发电机内转子驱动叶片安装在内转子旋转体的外壁上，把内转子电枢绕组安装在发电机内转子驱动叶片上，把内转子电枢绕组的输出电缆导线通过发电机内转子驱动叶片与碳刷连接，把永磁铁安装在外转子环形结构内，把外转子驱动叶片安装在外转子环形结构的外壁上，把圆锥形分水装置安装在前十字支架的4个支架上。

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