CN117060674A - 基于仿生波动鳍的电磁式发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源技术领域，尤其涉及基于仿生波动鳍的电磁式发电装置。基于仿生波动鳍的电磁式发电装置包括：支架；中心轴，所述中心轴的两端固定在所述支架上；多个转子和多个定子，所述定子固定在所述中心轴上，所述转子可转动地固定在所述中心轴上，所述转子包括磁体阵列，所述定子包括线圈阵列，相邻两个所述转子之间设置至少一个所述定子，且相邻的所述转子和所述定子之间设置有间隙；仿生波动鳍，所述仿生波动鳍与所述转子连接，带动所述磁体阵列绕所述中心轴转动。基于仿生波动鳍的电磁式发电装置噪声小，对水下环境扰动小，生态环境友好，同时其不需要复杂传动增速***，结构更加简单，轻巧；能源利用率高，发电效率高，功率密度大。

Description

基于仿生波动鳍的电磁式发电装置

技术领域

本发明涉及能源技术领域，尤其涉及基于仿生波动鳍的电磁式发电装置。

背景技术

可再生能源包括风能、太阳能、海洋能等，其中，海洋环境中充满了多种多样的能源，包括波浪能、潮汐能、洋流能等，而且海洋能存量丰富，分布广泛，并且不受时间、天气等环境因素的影响，是一种具有巨大发展前景的可再生清洁能源。

能量收集是指从环境中获取能量并将其转化为电能的过程。目前海洋能收集的机理主要有三种形式：压电式、摩擦电式和电磁式，采用电磁式机理进行发电是一种较流行的能量收集方式。然而，目前的电磁式发电装置多以螺旋桨式发电机为主，其普遍笨重、能源利用率低、噪声及生态环境扰动大。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其噪声小，对水下环境扰动小，生态环境友好，同时其不需要复杂传动增速***，结构更加简单，轻巧；能源利用率高，发电效率高，功率密度大。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，该基于仿生波动鳍的电磁式发电装置包括：

支架；

中心轴，所述中心轴的两端固定在所述支架上；

多个转子和多个定子，所述定子固定在所述中心轴上，所述转子可转动地固定在所述中心轴上，所述转子包括磁体阵列，所述定子包括线圈阵列，相邻两个所述转子之间设置至少一个所述定子，且相邻的所述转子和所述定子之间设置有间隙；

仿生波动鳍，所述仿生波动鳍与所述转子连接，带动所述磁体阵列绕所述中心轴转动。

进一步地，相邻两个所述转子的间距为四分之一波长。

进一步地，在沿所述中心轴的延伸方向上，依次排列的一个定子、一个转子和一个定子形成一个电磁发电单元，多个所述电磁发电单元在所述中心轴上依次排列。

进一步地，所述转子还包括：磁体框，所述磁体框包括同心设置的内圈和外圈，所述磁体阵列嵌入所述内圈和外圈之间；

轴承，所述轴承嵌入所述内圈中，所述轴承固定在所述中心轴上；

鳍骨，所述鳍骨设置在所述外圈的外表面，所述鳍骨与所述仿生波动鳍连接；

所述定子还包括：线圈框，所述线圈框固定在所述中心轴上，所述线圈阵列嵌入所述线圈框内。

进一步地，每个所述磁体框的外圈表面的鳍骨数量为至少两个，所述鳍骨沿所述外圈的圆周等间距分布。

进一步地，所述磁体框与所述鳍骨为一体化3D打印结构。

进一步地，所述仿生波动鳍的材质包括橡胶。

进一步地，所述线圈阵列由4~8个扇形线圈环绕而成；

所述磁体阵列由4~8个扇形磁体环绕而成，相邻两个扇形磁体极性相反。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置的制备方法，该制备方法包括：

将多个定子固定在中心轴上，将多个转子可转动地固定在所述中心轴上，相邻两个所述转子之间设置至少一个所述定子，且相邻的所述转子和所述定子之间设置有间隙；

将仿生波动鳍与所述转子连接后将所述中心轴的两端固定在支架上，得到所述基于仿生波动鳍的电磁式发电装置。

进一步地，该制备方法包括：

将磁体阵列嵌入磁体框的内圈和外圈之间，将轴承嵌入所述内圈中，将所述轴承固定在所述中心轴上；

将线圈阵列嵌入线圈框中，将所述线圈框固定在所述中心轴上；

将所述外圈外表面的鳍骨与所述仿生波动鳍连接；

将所述中心轴的两端固定在所述支架上，得到所述基于仿生波动鳍的电磁式发电装置；

和/或，所述仿生波动鳍的制备方法包括：将橡胶材料经过3D打印形成弧形结构，对所述弧形结构施加预紧力成型为所述仿生波动鳍。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

海水的流动推动仿生波动鳍产生波动，仿生波动鳍波动进而带动转子中的磁体阵列绕中心轴往复转动，使得磁体阵列与线圈阵列发生相对旋转，根据法拉第电磁感应定律，闭合线圈中会产生感应电流，进而输出电能。本发明采用仿生波动鳍结构，相较于传统螺旋桨式发电机，本发明的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置噪声小，对水下环境扰动小，生态环境友好，同时不需要复杂传动增速***，结构更加简单，轻巧；本发明可以充分利用磁体阵列两极面的磁场，能源利用率高，发电效率高，功率密度大。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于仿生波动鳍的电磁式发电装置的三维结构示意图。

图2是本发明提供的一种基于仿生波动鳍的电磁式发电装置的主视图。

图3是本发明提供的一种电磁发电单元的三维结构示意图。

图4是本发明提供的一种电磁发电单元的***结构示意图。

图5是本发明提供的一种线圈阵列和磁体阵列的三维结构示意图。

图6是本发明提供的一种线圈阵列和磁体阵列的主视图。

图7是本发明提供一种仿生波动鳍的制备流程示意图。

附图标记：

1、支架；2、中心轴；3、转子；30、磁体阵列；31、磁体框；311、内圈；312、外圈；32、轴承；33、鳍骨；34、扇形磁体；4、定子；40、线圈阵列；41、线圈框；42、扇形线圈；5、仿生波动鳍；51、弧形结构；6、电磁发电单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的一个方面，参照图1至图6，本发明提供了一种基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，该基于仿生波动鳍的电磁式发电装置包括：支架1；中心轴2，所述中心轴2的两端固定在所述支架1上；多个转子3和多个定子4，所述定子4固定在所述中心轴2上，所述转子3可转动地固定在所述中心轴2上，所述转子3包括磁体阵列30，所述定子4包括线圈阵列40，相邻两个所述转子3之间设置至少一个所述定子4，且相邻的所述定子4和所述转子3之间设置有间隙；仿生波动鳍5，所述仿生波动鳍5与所述转子3连接，带动所述磁体阵列30绕所述中心轴2转动。

海水的流动推动仿生波动鳍产生波动，仿生波动鳍波动进而带动转子中的磁体阵列绕中心轴往复转动，使得磁体阵列与线圈阵列发生相对旋转，根据法拉第电磁感应定律，闭合线圈中会产生感应电流，进而输出电能。本发明采用仿生波动鳍结构，相较于传统螺旋桨式发电机，本发明的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置噪声小，对水下环境扰动小，生态环境友好，同时不需要复杂传动增速***，结构更加简单，轻巧；本发明可以充分利用磁体阵列两极面的磁场，磁体阵列和线圈阵列排布紧凑，空间利用率高，能源利用率高，发电效率高，功率密度大。

在本发明的一些实施方式中，参照图1、图2、图3和图4，转子还包括：磁体框31，所述磁体框31包括同心设置的内圈311和外圈312，所述磁体阵列30嵌入所述内圈311和外圈312之间；轴承32，所述轴承32嵌入所述内圈311中，所述轴承32固定在所述中心轴2上；鳍骨33，所述鳍骨33设置在所述外圈312的外表面，所述鳍骨33与所述仿生波动鳍5连接；所述定子4还包括：线圈框41，所述线圈框41固定在所述中心轴2上，所述线圈阵列40嵌入所述线圈框41内。由此，仿生波动鳍通过鳍骨与嵌入磁体框中的磁体阵列连接，海水的流动推动仿生波动鳍产生波动，仿生波动鳍波动进而带动鳍骨摆动，鳍骨摆动使得磁体阵列相对于线圈阵列往复转动，在闭合线圈中产生电流进而输出电能。

可以理解的是，在每个外圈的外表面至少有一个鳍骨。

在本发明的一些实施方式中，相邻两个所述转子的间距为四分之一波长。由此，鳍骨可以被配置在波峰、波谷以及零点位置处，使得鳍骨可以产生较为完整的波形。

需要说明的是，相邻两个转子之间的间距为四分之一波长，连续五个转子之间的距离为一个整波长，该五个转子在仿生波动鳍的带动下可以产生一个正弦波，正弦波的波长根据实际使用过程中转子之间的间距确定。

在本发明的一些实施方式中，所述磁体框与所述鳍骨为一体化3D打印结构。由此，结构简单，易于实现，且结构比较牢固。

在本发明的一些实施方式中，仿生波动鳍与鳍骨通过螺栓连接。

在本发明的一些实施方式中，所述仿生波动鳍的材质为软质超弹性材料，在本发明的一些具体实施方式中，仿生波动鳍的材质包括橡胶。由此，仿生波动鳍防水效果佳，可以随着水的流动而波动，且带动磁体阵列旋转摆动的效果较佳。

在本发明的一些优选实施方式中，参照图1和图2，每个所述磁体框31的外圈312表面的鳍骨33数量为至少两个（例如可以为两个、三个、四个、五个或者六个等），所述鳍骨33沿所述外圈312的圆周等间距分布，由此，每个磁体框31***有至少两个鳍骨33，便可以对应设置至少两个仿生波动鳍5，每个仿生波动鳍5与多个磁体框31***的对应的鳍骨33相连接，至少两个仿生波动鳍5间隔设置，仿生波动鳍5带动磁体阵列30转动的效果更佳，发电效果以及能量收集的效果更佳。

在本发明的一些实施方式中，参照图1、图2、图3和图4，在沿所述中心轴的延伸方向上，依次排列的一个定子4、一个转子3和一个定子4形成一个电磁发电单元6，多个所述电磁发电单元6在所述中心轴2上依次排列。由此，一个电磁发电单元中，转子中磁体阵列两侧均有线圈阵列形成夹心结构，可以充分利用磁体阵列两极面的磁场，能源利用率高，发电效率高；磁体阵列和线圈阵列排布紧凑，空间利用率高，整体的功率密度大。

在本发明的一些具体实施方式中，参照图3和图4，一个电磁发电单元6包括依次排列的一个线圈阵列40、一个磁体阵列30和一个线圈阵列40，磁体阵列30嵌入所述内圈311和外圈312之间；轴承32嵌入内圈311中，鳍骨33设置在外圈312的外表面，线圈阵列40嵌入线圈框41内。

在本发明的一些实施方式中，电磁发电单元的数量为4n+1个，其中n为完整的波数，且n为大于等于1的整数。

在本发明的一些具体实施方式中，参照图1、图2和图3，在沿中心轴2的延伸方向上，九个电磁发电单元6依次排布，每个电磁发电单元6中的磁体框31***等间距分布有三个鳍骨33，在初始状态下，九个电磁发电单元6中九根对应的鳍骨33分别布置在完整波形的波峰、波谷以及零点上，等间距布置。

需要说明的是，相邻的转子和定子之间有一定的间隙；相邻的两个定子之间可以直接接触，也可以有一定的间隙。

在本发明的一些实施方式中，参照图5和图6，所述线圈阵列40由4~8个（例如可以为4个、5个、6个、7个或者8个等）扇形线圈42环绕而成；所述磁体阵列30由4~8个（例如可以为4个、5个、6个、7个或者8个等）扇形磁体34环绕而成，相邻两个扇形磁体34极性相反。由此，磁体阵列采用磁体极性N-S极交替排布配置，可以使得磁通密度在线圈中出现突变，增强俘能效果。

在本发明的一些具体实施方式中，本发明中的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置的工作流程如下：海水的流动推动仿生波动鳍产生波动，仿生波动鳍波动进而带动鳍骨摆动，鳍骨摆动使得电磁发电单元的磁体阵列产生往复转动，因此磁体阵列与线圈阵列发生相对旋转，根据法拉第电磁感应定律，闭合线圈中会产生感应电流，进而输出电能。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置的制备方法，该制备方法包括：将多个定子固定在中心轴上，将多个转子可转动地固定在所述中心轴上，相邻两个所述转子之间设置至少一个所述定子，且相邻的所述转子和所述定子之间设置有间隙；将仿生波动鳍与所述转子连接后将所述中心轴的两端固定在支架上，得到所述基于仿生波动鳍的电磁式发电装置。

可以理解的是，转子、定子、线圈阵列、磁体阵列、中心轴、仿生波动鳍以及支架与前面的描述一致，在此不再过多赘述。

在本发明的一些实施方式中，基于仿生波动鳍的电磁式发电装置的制备方法包括：将磁体阵列嵌入磁体框的内圈和外圈之间，将轴承嵌入所述内圈中，将所述轴承固定在所述中心轴上；将线圈阵列嵌入线圈框中，将所述线圈框固定在所述中心轴上；将所述外圈外表面的鳍骨与所述仿生波动鳍连接；将所述中心轴的两端固定在所述支架上，得到所述基于仿生波动鳍的电磁式发电装置。

在本发明的一些实施方式中，参照图7，所述仿生波动鳍的制备方法包括：将橡胶材料经过3D打印形成弧形结构51，对所述弧形结构51施加预紧力成型为所述仿生波动鳍5。

在本发明的一些具体实施方式中，基于仿生波动鳍的电磁式发电装置的制备方法包括：

1、仿生波动鳍采用橡胶材料，由3D打印成弧形结构，并通过提前施加预紧力而成型为波动状。

2、磁体框外圈周边等距分布着3个突耳即为鳍骨，磁体框与鳍骨为一体化3D打印结构；磁体阵列嵌入到磁体框的外圈和内圈之间，并采用防水胶涂层封装，轴承嵌入到磁体框的内圈中，形成转子；线圈阵列嵌入到线圈框内，并采用防水胶涂层封装，形成定子。电磁发电单元包括由定子、转子和定子形成的夹心式构型；

将9个电磁发电单元依次安装到中心轴上，并使得磁体框附带磁体阵列可通过轴承在中心轴上自由旋转；而线圈框附带线圈阵列无法旋转。

3、每个仿生波动鳍通过螺栓分别安装到9个电磁发电单元对应的9根鳍骨上，共安装形成三个仿生波动鳍。其中，初始状态下，一个仿生波动鳍对应的9根鳍骨分别布置在完整波形的波峰、波谷以及零点上，等间距布置。

4、装配完仿生波动鳍和电磁发电单元的中心轴安装到支架上，并通过螺纹紧固。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其特征在于，包括：

支架；

中心轴，所述中心轴的两端固定在所述支架上；

多个转子和多个定子，所述定子固定在所述中心轴上，所述转子可转动地固定在所述中心轴上，所述转子包括磁体阵列，所述定子包括线圈阵列，相邻两个所述转子之间设置至少一个所述定子，且相邻的所述转子和所述定子之间设置有间隙；

仿生波动鳍，所述仿生波动鳍与所述转子连接，带动所述磁体阵列绕所述中心轴转动。

2.根据权利要求1所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其特征在于，相邻两个所述转子的间距为四分之一波长。

3.根据权利要求1或2所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其特征在于，在沿所述中心轴的延伸方向上，依次排列的一个定子、一个转子和一个定子形成一个电磁发电单元，多个所述电磁发电单元在所述中心轴上依次排列。

4.根据权利要求3所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其特征在于，所述转子还包括：磁体框，所述磁体框包括同心设置的内圈和外圈，所述磁体阵列嵌入所述内圈和外圈之间；

轴承，所述轴承嵌入所述内圈中，所述轴承固定在所述中心轴上；

鳍骨，所述鳍骨设置在所述外圈的外表面，所述鳍骨与所述仿生波动鳍连接；

所述定子还包括：线圈框，所述线圈框固定在所述中心轴上，所述线圈阵列嵌入所述线圈框内。

5.根据权利要求4所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其特征在于，每个所述磁体框的外圈表面的鳍骨数量为至少两个，所述鳍骨沿所述外圈的圆周等间距分布。

6.根据权利要求4或5所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其特征在于，所述磁体框与所述鳍骨为一体化3D打印结构。

7.根据权利要求1所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其特征在于，所述仿生波动鳍的材质包括橡胶。

8.根据权利要求1所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置，其特征在于，所述线圈阵列由4~8个扇形线圈环绕而成；

所述磁体阵列由4~8个扇形磁体环绕而成，相邻两个扇形磁体极性相反。

9.一种如权利要求1~8任一项所述的基于仿生波动鳍的电磁式发电装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将多个定子固定在中心轴上，将多个转子可转动地固定在所述中心轴上，相邻两个所述转子之间设置至少一个所述定子，且相邻的所述转子和所述定子之间设置有间隙；

将仿生波动鳍与所述转子连接后将所述中心轴的两端固定在支架上，得到所述基于仿生波动鳍的电磁式发电装置。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将磁体阵列嵌入磁体框的内圈和外圈之间，将轴承嵌入所述内圈中，将所述轴承固定在所述中心轴上；

将线圈阵列嵌入线圈框中，将所述线圈框固定在所述中心轴上；

将所述外圈外表面的鳍骨与所述仿生波动鳍连接；

将所述中心轴的两端固定在所述支架上，得到所述基于仿生波动鳍的电磁式发电装置；

和/或，所述仿生波动鳍的制备方法包括：将橡胶材料经过3D打印形成弧形结构，对所述弧形结构施加预紧力成型为所述仿生波动鳍。