CN102723840A - 圆周割磁流体发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种圆周割磁流体发电装置，包括转子、定子和后端处理电路，所述转子包括转动轴承、叶片和内轮；所述叶片的一端与转动轴承相连，另一端与内轮相连；所述定子包括相连的外轮和支撑结构；所述导线与所述后端处理电路相连；所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线；或者，所述内轮上设置有导线，所述外轮上设置有磁体；在流体驱动下，叶片受力，使内轮转动，与外轮产生相对运动时，导线切割所述磁体产生的磁力线，产生感生电动势，从而产生电流。本发明利用转子的内轮圆周处具有最大线速度的特点，直接切割磁力线发电，可以应用于风力、河流、波浪、尾气发电等领域，结构简单、效率高、成本低。

Description

圆周割磁流体发电装置

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种利用风、水流、波浪等流体的动能发电装置。

背景技术

在可再生能源中，风能、水能和波浪能的利用占据非常重要的地位。

空气、水均为流体，流体运动即具有动能（如运动的空气产生风能，运动的水产生河流水能、河海潮汐能、海洋波浪能等）。

而现有针对风、水的发电技术，主要就是利用了他们具有动能的特性。首先，通过叶片捕获流体的动能，转换为叶轮的机械能；再通过传动轴，将机械能传递至变速机构以增速；最后使达到一定转速的传动轴带动发电机，将机械能转化为电能。

发电的基本原理为：长度为L、速度为v的导线切割磁感应强度为B的磁场，产生的感生电动势E=BLV。若导线做转速为w的圆周运动，旋转半径为r，则线速度V=wr，感生电动势E=BLwr。

由于发电机的内径r较小，为获得足够的线速度，需要提高转速w。因此传统的流体动能发电技术均不可避免地需要用到变速齿轮及传动机构。

而正是由于变速齿轮箱及传动机构的存在，产生了如下的问题：

1、结构复杂。除考虑多个变速齿轮外，还需要多个传动轴和润滑设计与之配合。

2、启动难、损耗大、效率低。齿轮间存在静摩擦力和动摩擦力，静摩擦力使得需要较大的启动力矩，动摩擦则会造成摩擦损耗，降低能量转换效率。

3、易损坏。由于构造精密，实践证明齿轮箱是非常易损坏的部件之一，且更换价格昂贵。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出一种圆周割磁流体发电装置，可以无需使用变速齿轮箱及传动机构。

为了解决上述问题，本发明提供一种圆周割磁流体发电装置，包括转子、定子和后端处理电路，所述转子包括转动轴承、叶片和内轮；所述转动轴承位于所述内轮的轴侧中心；所述叶片的一端与转动轴承相连，另一端与内轮相连；所述定子包括相连的外轮和支撑结构；所述导线与所述后端处理电路相连；

所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线；或者，所述内轮上设置有导线，所述外轮上设置有磁体；

在流体驱动下，叶片受力，使内轮转动，与外轮产生相对运动时，导线切割所述磁体产生的磁力线，产生感生电动势，从而产生电流。

优选地，上述装置具有以下特点：

当所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线时，

所述磁体为块状磁铁，均匀分布在所述内轮的圆周上，磁体间具有间隔，且相邻磁体的磁极方向相反，所述磁体产生的磁力线与磁性材料构成的内轮和外轮形成完整磁回路。

优选地，上述装置具有以下特点：

所述磁体采用稀土磁铁；所述导线位于外轮内表面，或嵌入所述外轮内。

优选地，上述装置具有以下特点：

当所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线时，

所述磁体为U型，包括U型的导磁体和两块块状磁铁；所述导磁体均匀分布在所述内轮的圆周上，所述两块磁铁分别位于所述导磁体的内侧，两块磁铁相对且同磁化方向放置，以形成完整磁回路；相邻U型磁体的磁路方向相反。

优选地，上述装置具有以下特点：

所述内轮和外轮采用导磁材料或非导磁材料；所述磁铁为稀土磁铁；所述导线位于外轮内表面，或嵌入所述外轮内。

优选地，上述装置具有以下特点：

当所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线时，

所述内轮包括第一转轮和第二转轮，所述第一转轮和第二转轮分别位于所述外轮的两侧，所述第一转轮和第二转轮均与所述叶片和转动轴承固连；

在所述第一转轮以及所述第二转轮的圆周上分布有依次排列的多个磁体，所述每个磁体包括依次排列的四块磁铁，所述四块磁铁依次为第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁和第四磁铁，其中第一磁铁和第三磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的切线方向，第二磁铁和第四磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的垂直方向；或者，第一磁铁和第三磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的垂直方向，第二磁铁和第四磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的切线方向；

所述第一磁铁和第三磁铁的磁极方向相反，所述第二磁铁和第四磁铁的磁极方向相反；

所述第一转轮和第二转轮上的磁铁相对，但磁极方向相反，以形成完整磁回路。

优选地，上述装置具有以下特点：

所述内轮采用导磁材料或非导磁材料，所述外轮采用导磁材料；所述磁铁为稀土磁铁；所述导线位于外轮内表面，或嵌入所述外轮内。

优选地，上述装置具有以下特点：

当所述内轮上设置有导线，所述外轮上设置有磁体时，所述转动轴承上设置有电刷，所述导线通过所述电刷与所述后端处理电路相连。

优选地，上述装置具有以下特点：

所述叶片，当用于风力发电时，为传统的风力发电叶片；当用于河流等水流发电时，为传统的水流发电叶片；当用于浅水区波浪发电时为由扇叶和叶轴构成的活动叶片，扇叶可绕叶轴转动。

本发明具有如下优点：

1、线速度高：导体与磁体在外圆周上发生相对运动，在无需增速齿轮的前提下，最大限度地利用内轮圆周上所具有的最大线速度进行磁力线切割；

2、运行稳定：由于磁体或导***于内轮的圆周部分，使得转子具有较大的转动惯量，使得转动均匀、减小流体冲击叶片时的脉冲扰动；

3、结构简单：省略了传统流体动能发电机的传动轴、齿轮箱、发电机、冷却等机构，可极大降低成本；

4、启动力矩小、效率高：由于无传动与齿轮结构，不存在此部分的静摩擦力和动摩擦力，使得启动力矩降低，同时不存在转动时的动摩擦力，使得能量转换效率得到提高。

5、稳定可靠：省去大部分负责结构，设备简单、可靠性高。

附图说明

图1为本发明实施例圆周割磁流体发电装置的磁***于内轮、导线位于外轮的示意图；

图2为本发明实施例圆周割磁流体发电装置的导线位于内轮、磁***于外轮的示意图；

图3为本发明实施例的“I”型磁路示意图；

图4～图6为本发明实施例的“U”型磁路示意图；

图7和图8为本发明实施例的“T”型磁路示意图；

图9和图10为本发明应用实例的活页式叶片的示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提出一种增加发电机半径、将叶片置于旋转面、将磁体和导线置于转子圆周部分，通过叶片捕获风或水流等流体的动能、驱动转子转动、磁体与导线发生相对运动，并发电的装置。

本发明在不使用齿轮及传动机构的前提下，将磁体和导线置于叶尖的圆周处进行“圆周割磁流体发电”，利用转子的内轮圆周处具有最大线速度的特点，直接切割磁力线发电。此装置可以应用于风力、河流、波浪、尾气发电等领域。

“圆周割磁流体发电”的定义如下：“圆周”，将磁体或导线设计于转子叶片末端的圆周部分，可最大限度地利用转动的线速度；“割磁”，导体与磁力线产生相对切割运动即会产生感生电动势，若回路闭合则产生感生电流；“流体”，主要针对运动的空气、水等流体介质；“发电”，本装置主要用于发电。

本发明提供一种圆周割磁流体发电装置，包括转子、定子和后端处理电路，所述转子包括转动轴承、叶片和内轮；所述转动轴承位于所述内轮的轴侧中心；所述叶片的一端与转动轴承相连，另一端与内轮相连；所述定子包括相连的外轮和支撑结构；所述导线与所述后端处理电路相连；

所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线；或者，所述内轮上设置有导线，所述外轮上设置有磁体；

在流体驱动下，叶片受力，使内轮转动，与外轮产生相对运动时，导线切割所述磁体产生的磁力线，产生感生电动势，从而产生电流。

产生的电流经过后端电处理成所需的直流电或固定频率的交流电。

根据磁体和导线所在位置的不同，本发明提出的两种方案如下。

方案一：磁***于内轮、导线位于外轮，如图1所示。

叶片的叶尖扫过的区域称为外圆周，内轮安装于外圆周位置；

内轮用于固定磁体；

根据设计的不同，内轮可采用导磁材料和非导磁材料。

磁体按照一定的方式排列于内轮上，其排列方式在后文详细描述；

叶片分布于转动面内，类似风力发电的叶片设计构型，通常为4片或是6片等，一般是平均间隔排列在内轮内。

为了固定内轮，转子还可以包括辐条，所述辐条的一端与转动轴承相连，另一端与内轮相连。

外轮用于固定导线。根据设计的不同，外轮可采用导磁材料和非导磁材料。

支撑结构（图中未示出）给予外轮与转动轴承良好的固定。支撑结构是常规设计，不是本发明的重点，可参考现有技术中发电机定子的支撑结构。

在外轮上用导线将电流引出，经过后端处理电路（图中未示出）得到需要的电能。

方案二：导线位于内轮、磁***于外轮，如图2所示。

叶片的叶尖扫过的区域称为外圆周，内轮安装于外圆周位置；

内轮用于固定导线；

根据设计的不同，内轮可采用导磁材料和非导磁材料。

叶片分布于转动面内，类似风力发电的叶片设计构型，通常为4片或是6片等，一般是平均间隔排列在内轮内。

为了固定内轮，转子还可以包括辐条，所述辐条的一端与转动轴承相连，另一端与内轮相连。

外轮用于固定磁体。根据设计的不同，外轮可采用导磁材料和非导磁材料。

支撑结构（图中未示出）给予外轮与转动轴承良好的固定。

转动轴承上设置有电刷，所述导线通过所述电刷与后端处理电路（图中未示出）相连，通过电刷将电流引出，经过后端处理电路得到需要的电能。

由于方案二中将使用电刷，在海水中可能会产生漏电和腐蚀，因此优选“磁***于内轮、导线位于外轮”的方案一设计。以下的磁路设计均以磁***于内轮为例，但不限于此，将磁体与导线的位置互换后同样可行。

本发明提出了圆周割磁的若干种实现方式，即若干种磁路设计方式。

每一种实现方式中都包括磁体和导线。可分别将磁体和导线的分布用于以上两种方案。为方便描述，将内轮、外轮上的磁体和导线做直线化处理，实际为圆形分布。

1、“I”型磁路如图3（图中箭头为磁力线方向）：

可采用“磁***于内轮、导线位于外轮”设计，如图1所示：

其中，所述磁体为块状磁铁，均匀分布在所述内轮的圆周上，磁体间具有一定间隔，所述磁体产生的磁力线与所述内轮的圆周垂直，且相邻磁体的磁极方向相反（即若第一个磁体的N级朝上、则其相邻第二个磁体的S级朝上、第三个磁体的N级朝上、第四个磁体的S级朝上，以此类推），所述磁体产生的磁力线与磁性材料构成的内轮和外轮形成完整磁回路。

内轮和外轮均采用导磁率高、饱和磁感应强度高的导磁材料，如钢等，便于形成闭合磁路；

磁体采用剩磁高、磁能密度大的稀土磁铁，如钕铁硼磁铁，磁化方向如图3，构成如图3的磁回路；

内轮、外轮的厚度、宽度设计以满足良好导磁、漏磁少为目的，其厚度应尽量满足饱和磁化时的最小厚度。

导线位于外轮的内表面、或嵌入其中，其导线的排列方式可采用如图3下部所示的排列方式，即导线采用曲折的方式走线，且多根导线平行排列，每根导线的相邻切割段间距dl与相邻磁体的间距d2应相等，以保证每根导线切割段的电动势是相叠加的。

也可以像图2所示，将导线与内轮固定，将磁铁与外轮固定，此时，磁体均匀分布在外轮的圆周上，磁体间具有一定间隔，所述磁体产生的磁力线与所述外轮的圆周垂直，且相邻磁体的磁极方向相反，所述磁体产生的磁力线与磁性材料构成的内轮和外轮形成完整磁回路。

2、“U”型磁路

可采用“磁***于内轮、导线位于外轮”设计，如图4、图5和图6；

所述磁体为U型，与内轮固连，包括U型的导磁体和两块块状磁铁；所述导磁体均匀分布在所述内轮的圆周上，所述两块磁铁分别位于所述导磁体的内侧，两块磁铁相对且同磁化方向放置，以形成完整磁回路；相邻U型磁体的磁路方向相反，如图5所示，相邻磁体的磁路方向分别为顺时钟和逆时针。

内轮采用非导磁材料，如铝合金；

导磁体可由高磁导率、高饱和磁感应强度的磁性材料制成（如钢），其各段的厚度、长度设计需满足良好导磁、低漏磁的要求；

磁铁为稀土磁铁；两块稀土磁铁同方向固定与导磁体上，稀土磁铁可采用剩磁高、磁能密度大的钕铁硼磁铁，U型磁体的磁路如图4；

相邻U型磁体的磁路方向相反，同时导线的绕线方向也应满足相同的间隔，将U型磁体和导线分开后的示意如图5；

当外轮与U型磁铁发生如图v的相对运动时，导线回路上产生相同方向的电流如图5；

导线可以位于外轮表面，也可以嵌于外轮内，其导线的排列方式可与“I”型磁路的方案中导线的排列方式相同；

外轮可以用导磁材料或非导磁材料构成，各有利弊，若采用导磁材料可减少气隙距离、增加气隙磁强，但会增加铁损耗，若采用非导磁材料则可减小铁损耗但磁强相对降低。

U型磁体的放置方式可以有两种方案，一种是U型磁体的与“U”型缺口方向为内轮圆周的切线方向，如图4和图5，我们称为平列“U”型；一种是U型磁体的与“U”型缺口方向为内轮圆周的垂直方向，如图6，我们称为直列“U”型。

同样，也可将U型磁体与外轮固定，将导线与内轮固定，此时，导磁体均匀分布在所述外轮的圆周上，所述两块磁铁分别位于所述导磁体的内侧，两块磁铁相对且同磁化方向放置，以形成完整磁回路；相邻U型磁体的磁路方向相反。

3、“T”型磁路

可采用“磁***于内轮、导线位于外轮”设计，如图7和图8；

所述内轮包括第一转轮和第二转轮，所述第一转轮和第二转轮分别位于所述外轮的两侧，所述第一转轮与所述叶片相连；

在所述第一转轮以及所述第二转轮的圆周上分布有依次排列的多个磁体，所述每个磁体包括依次排列的四块磁铁，所述四块磁铁依次为第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁和第四磁铁，其中第一磁铁和第三磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的切线方向，第二磁铁和第四磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的垂直方向；或者，第一磁铁和第三磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的垂直方向，第二磁铁和第四磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的切线方向；

所述第一磁铁和第三磁铁的磁极方向相反，所述第二磁铁和第四磁铁的磁极方向相反；

第一转轮和第二转轮上的磁铁相对，但磁极方向相反，以形成完整磁回路，磁路如图8所示。

内轮可采用导磁材料或非导磁材料均可，具有固定作用且能保持***稳定和强度即可；

所述外轮采用导磁材料；

磁体由稀土磁铁构成；

导线可以位于外轮表面，也可以嵌于外轮内。

同样，也可将U型磁体与外轮固定，将导线与内轮固定，此时，所述外轮包括第一转轮和第二转轮，所述第一转轮和第二转轮分别位于所述内轮的两侧；在所述第一转轮以及所述第二转轮的圆周上分布有依次排列的多个磁体，所述每个磁体包括依次排列的四块磁铁，所述四块磁铁依次为第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁和第四磁铁，其中第一磁铁和第三磁铁的磁极方向为其所在外轮圆周的切线方向，第二磁铁和第四磁铁的磁极方向为其所在外轮圆周的垂直方向；或者，第一磁铁和第三磁铁的磁极方向为其所在外轮圆周的垂直方向，第二磁铁和第四磁铁的磁极方向为其所在外轮圆周的切线方向；所述第一磁铁和第三磁铁的磁极方向相反，所述第二磁铁和第四磁铁的磁极方向相反；第一转轮和第二转轮上的磁铁相对，但磁极方向相反，以形成完整磁回路。

本发明可应用于气体、河流、海洋的浅水区的发电。为了适用于不同的应用环境，叶片的设计可以有所不同：比如，采用传统风力叶片用于风力、尾气等气体发电；采用传动水流叶片用于河流等水利发电；采用活动叶片用于海洋、大型湖泊等浅水区的波浪发电。

下面以一具体应用实例具体说明采用活动叶片的设计方案：

考虑到浅水区波浪主要为水平方向往复运动的特点、为提高能量的转换效率，可采用变安装角的活动式叶片双向捕获波浪往复运动的动能，并不断激励叶轮按同一方向持续转动，如图9所示，叶片包括扇叶和叶轴，所述叶轴与转动轴承和内轮固连；这样，扇叶可绕叶轴在一定角度内自由转动，叶片就可以随着所经过的水流而转动方向，使得叶片按同一方向持续转动。

图10示意波浪一个周期内，假设波浪的来流方向为由左向右，水流从左到右驱动叶片、再从右到左流动驱动叶片的情况；c为水流的速度方向，ω为叶片转动角速度，F为水流对叶片的压力，F_t为压力F在切线上的分力（即叶片的驱动力），F_n为压力F在水平方向的分力，β为扇叶的转角（假设逆时针转动为正），[β₁,β₂]为扇叶的转角区域（即β₁、β₂为叶片转动的最小、最大转角，且β₁<0、β₂>0），其中最小转角β₁的范围通常为-30度~0度，最大转角β₂的角度范围为30度～60度，具体的最优β₁、β₂角度值需根据海域的波浪情况和发电装置的需求进行设计。

图10.a表示活动叶片能在角度[β₁,β₂]之间自由转动；

假设波浪从左往右，一个周期内波浪的水流包括从左到右、从右到左的流动、几乎没有流动三种情况。

图10.b表示，当波浪来袭时，水流从左往右流动，在水流的压力F下，活动叶片的转角被打至最大角度β₂；水流压力F的切线分立F_t在叶片的转动方向上施加驱动力，加速叶片的转动；

图10.c表示，当波浪回流时，水流从右往左流动，在水流的压力F下，活动叶片的转角被打至最小角度β₁；水流压力F的切线分立F_t在叶片的转动方向上施加驱动力，加速叶片的转动；

图10.d表示，当水平方向的水流处于静止时，由于叶片存在转动惯量将继续转动，静止的水流相对转动的叶片存在向下的相对运动，在水流的压力F下，活动叶片的转角β≈0；静止水流不对叶片产生驱动作用，但转角β≈0时有效减小了叶片阻力面的投影面积，从而减小了静止水流中叶片自转时的切向阻力，进而可使得叶片和内轮得以继续高速旋转。

综上所述，本发明提出的圆周割磁流体发电装置可简单、高效地将流体能（包括风能、水能、波浪能）转化为电能：将磁体和导线设计于转子的圆周区域，最大限度地利用转子线速度，使圆周上的磁体与导线相对运动切割磁力线，产生电能。本发明结构简单、成本低、转换效率高、应用范围广，既可单机运行，也可多机并网运行，具有较好地应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种圆周割磁流体发电装置，包括转子、定子和后端处理电路，其特征在于，所述转子包括转动轴承、叶片和内轮；所述转动轴承位于所述内轮的轴侧中心；所述叶片的一端与转动轴承相连，另一端与内轮相连；所述定子包括相连的外轮和支撑结构；所述导线与所述后端处理电路相连；

所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线；或者，所述内轮上设置有导线，所述外轮上设置有磁体；

在流体驱动下，叶片受力，使内轮转动，与外轮产生相对运动时，导线切割所述磁体产生的磁力线，产生感生电动势，从而产生电流。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

当所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线时，

所述磁体为块状磁铁，均匀分布在所述内轮的圆周上，磁体间具有间隔，且相邻磁体的磁极方向相反，所述磁体产生的磁力线与磁性材料构成的内轮和外轮形成完整磁回路。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述磁体采用稀土磁铁；所述导线位于外轮内表面，或嵌入所述外轮内。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

当所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线时，

所述磁体为U型，包括U型的导磁体和两块块状磁铁；所述导磁体均匀分布在所述内轮的圆周上，所述两块磁铁分别位于所述导磁体的内侧，两块磁铁相对且同磁化方向放置，以形成完整磁回路；相邻U型磁体的磁路方向相反。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述内轮和外轮采用导磁材料或非导磁材料；所述磁铁为稀土磁铁；所述导线位于外轮内表面，或嵌入所述外轮内。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

当所述内轮上设置有磁体，所述外轮上设置有导线时，

所述内轮包括第一转轮和第二转轮，所述第一转轮和第二转轮分别位于所述外轮的两侧，所述第一转轮和第二转轮均与所述叶片和转动轴承固连；

在所述第一转轮以及所述第二转轮的圆周上分布有依次排列的多个磁体，所述每个磁体包括依次排列的四块磁铁，所述四块磁铁依次为第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁和第四磁铁，其中第一磁铁和第三磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的切线方向，第二磁铁和第四磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的垂直方向；或者，第一磁铁和第三磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的垂直方向，第二磁铁和第四磁铁的磁极方向为其所在转轮圆周的切线方向；

所述第一磁铁和第三磁铁的磁极方向相反，所述第二磁铁和第四磁铁的磁极方向相反；

所述第一转轮和第二转轮上的磁铁相对，但磁极方向相反，以形成完整磁回路。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述内轮采用导磁材料或非导磁材料，所述外轮采用导磁材料；所述磁铁为稀土磁铁；所述导线位于外轮内表面，或嵌入所述外轮内。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

当所述内轮上设置有导线，所述外轮上设置有磁体时，所述转动轴承上设置有电刷，所述导线通过所述电刷与所述后端处理电路相连。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述叶片，当用于风力发电时，为传统的风力发电叶片；当用于河流等水流发电时，为传统的水流发电叶片；当用于浅水区波浪发电时为由扇叶和叶轴构成的活动叶片，扇叶可绕叶轴转动。

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