一种海底低速水流驱动发电装置的制作方法

本发明涉及海洋能发电领域，尤其是一种便于广泛使用的表层海流驱动的发电装置。

背景技术：

海洋资源是人类的一个宝库。在对其进行各领域的探测时，为获取足够数量的数据样本，对于探测设备的效率、续航和寿命等问题提出了较高的要求，设备的能源供给也就成了一个亟需解决的问题。对于采用内部自带电源的探测设备来说，为了使其满足尺寸上的设计要求，一般无法携带大体积供电装置，设备的探测范围和使用寿命将受到极大的限制。利用海洋自身资源解决海中探测设备的能源供给问题是一个很好的方案，但对于传统的发电装置来说，海底水流速度过低，无法推动发电机中转子克服摩擦力做功。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有发电系统转子摩擦力较大、所需水流速度较高的缺陷，提出一种低摩擦力、应用地域广泛、缓慢水流也可驱动的水下发电装置。

一种海底低速水流驱动发电装置，包括：

基座；

安装于所述基座上的安装腔；

固定于安装腔内的发电机；

通过非接触方式安装于所述安装腔上的水平中心转子，该水平中心转子一端通过非接触联轴器与所述发电机输入端联动；

固定于所述水平中心转子另一端的扇叶。

本发明的发电装置，通过设置非接触的水平中心转子，以及采用非接触联轴器与所述发电机输入端联动，使得整个装置的传动均为非接触传动，大大降低了水平中心转子转动、以及水平中心转子传动时的摩擦力，在低速水流的驱动下既可以是实现向电能的转变。

所述基座主要是实现对整个装置的支撑。

作为优选，还包括通过非接触方式与所述基座固定且可自由转动的垂直旋转主轴；

所述安装腔安装于垂直旋转主轴顶端；

所述安装腔背对扇叶的另一端设有能够调整安装腔相对水流方向的尾翼。

通过该技术方案，当海水流向发生变化时，尾翼使发电本体部分(水平中心转子、扇叶、发电机、垂直旋转主轴、安装腔等)跟随水流方向转动，从而使扇叶直面来流方向，进一步提高能量收集效率，提高发电能力。

安装腔与垂直旋转主轴顶端相对固定，可以随安装腔同步转动，进而可以实现尾翼对扇叶方向的调整。扇叶和水平中心转子相互固定，相对安装腔轴向和径向固定，且可自由旋转，以实现对水流能的采集。

作为优选，所述基座顶部设有定位腔，该定位腔顶部设有定位孔；

所述垂直旋转主轴底端穿过所述定位孔通过轴向定位支撑磁铁对i实现与所述基座的轴向无接触固定；所述垂直旋转主轴与定位孔之间通过径向定位磁铁对i实现与所述基座的径向无接触固定。

上述技术方案中，轴向定位支撑磁铁对i可以设置一个或者多个，实现对垂直旋转主轴轴向的定位。当设置一个时，作为进一步优选，所述轴向定位支撑磁铁对i为分别设置在垂直旋转主轴底端与定位腔上、同轴且磁性相斥的两个相互分离的环形磁铁；当设置多个时，可以将多个轴向定位支撑磁铁对i设置在垂直旋转主轴任意位置与定位腔之间，比如可以是多组轴向定位支撑磁铁对，这些轴向定位支撑磁铁对之间相互配合实现对垂直旋转主轴轴向的定位。

作为优选，所述径向定位磁铁对i为分别设置在垂直旋转主轴侧壁与定位孔内、且相互套嵌的两个环形磁铁。两个环形磁铁的磁极可以相同也可以不同，相互吸引或者相互排斥均可实现对垂直旋转主轴径向的定位。

作为优选，所述安装腔一端设有安装孔，所述水平中心转子背对扇叶的一端穿过安装孔；所述水平中心转子通过轴向定位限位磁铁对ii实现与所述安装腔的轴向无接触固定；所述水平中心转子与安装孔之间通过径向定位磁铁对ii实现与所述安装腔的径向无接触固定。

作为进一步优选，所述径向定位磁铁对ii为分别设置在水平中心转子侧壁与安装孔内、且相互套嵌的两个环形磁铁。在选择径向定位磁铁对ii时，需要考虑一定的电磁强度，保证径向定位磁铁对ii能够在克服水平中心转子重力的同时，能够实现对水平中心转子径向的限位，磁场强度的选择可以通过预先的实现进行确定。当然，如果需要实现水平中心转子与安装孔同轴，可以通过另设的支撑磁铁对(设置在水平中心转子上方时，支撑磁铁对需要采用磁性相吸的结构，设置在水平中心转子下方时，支撑磁铁对需要采用磁性相斥的结构)实现对水平中心转子重力的抵消，进而保证水平中心转子的轴线与安装孔的轴线重合。

作为优选，所述水平中心转子上设有两个防侧倾磁性挡板，两个防侧倾磁性挡板分别位于安装腔内外两侧(即设置在安装孔轴向的两侧)，两个防侧倾磁性挡板面对安装孔的一侧分别与安装腔该端之间设有所述的轴向定位限位磁铁对ii。

作为进一步优选，所述轴向定位限位磁铁对ii为分别设置在防侧倾磁性挡板与安装腔上、同轴设置的两个相互分离的环形磁铁。两组轴向定位限位磁铁对ii中两个环形磁铁的磁性性质相同，即，可以是同时为相互吸引的电磁对，也可以同时是相互排斥的电磁对。两个电磁对共同作用，即可实现对水平中心转子轴向的定位。

作为优选，所述安装腔包括同轴固定的密封腔和组合腔，所述水平中心转子安装在所述组合腔内，所述发电机安装在所述密封腔内。密封腔和组合腔可以通过现有的定位机构实现两者之间的固定，比如法兰结构、卡合结构、定位箍等等。采用密封腔和组合腔结构，方便发电机以及水平中心转子的安装，同时避免了两者之间的相互干扰。发电机安装在密封腔中避免海水对密封腔内发电机的影响。

作为优选，所述非接触联轴器为磁耦合联轴器。所述垂直旋转主轴底端与无线电力传输装置相连。

本发明通过设置防侧倾磁性挡板及对应同轴轴向布置的环形磁铁对(轴向定位限位磁铁对ii)，可以防止水平中心转子的侧倾，实现对水平中心转子轴向的限位；通过设置同轴套嵌布置的环形磁铁对(径向定位磁铁对ii)，可以实现对水平中心转子径向的悬浮支撑限位。本发明通过设置同轴套嵌布置的环形磁铁对(径向定位磁铁对i)，实现对垂直旋转主轴径向的限位，防止垂直旋转主轴侧倾；通过设置同轴轴向布置的环形磁铁对(轴向定位支撑磁铁对i)，实现对支撑垂直旋转主轴悬浮，完成对支撑垂直旋转主轴悬浮的轴向支撑。本发明通过多个环形电磁对，在实现对垂直旋转主轴、水平中心转子轴向和径向的限位的同时，还保证了垂直旋转主轴、水平中心转子能够自由转动。

本发明还可以配置水下无线电力(电能)传输装置，通过水下无线电力传输装置可以实现对电能的无线传输。作为优选，在底座内设置无线电力传输装置，实现当本体随水流方向转动时，底座部分保持静止。无线电力传输装置可以采用现有的主要通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式实现非接触式的电力传输。比较常见的水下无线电力(电能)传输装置包括连接发电机输出端的驱动线圈以及受驱动线圈驱动产生电能的发电线圈，两个线圈相互分离，实现非接触的电能传输。

本发明中，所述垂直旋转主轴内部设置有通道，用于放置水密缆(水密电缆)；发电机输出的电能，通过水密电缆与水下无线电力(电能)传输装置的驱动端相连。水下无线电力(电能)传输装置的输出端通过水密电缆与用电装置或者其他用电元器件相连或者与储能装置相连。

本发明在密封腔远离扇叶的一端(尾部)安装尾翼，使装置实现随水流流动方向调整自身面朝方向。保证水平中心转子始终处于最佳的工作姿态。

本发明中，由于水平中心转子及垂直旋转主轴与外壳(由组合腔、密封腔以及定位腔外壳组成)都没有直接接触，竖直和水平方向上的约束均采用磁悬浮连接的方式，摩擦力微小。在一般的表层海流中，缓慢的水流也足以推动扇叶带动旋转杆件转动，并通过磁耦合联轴器连接内部发电机工作。

在实际工作过程中，水流推动扇叶运动，扇叶带动水平中心转子转动，并通过磁耦合联轴器使密封腔中的发电机工作。发电机所产生的电能通过水下无线电力传输模块将电能传递至蓄电池等其他装置。由于水平中心转子采用磁悬浮方式，与支撑装置无直接物理接触，因此水平中心转子转动时的摩擦力很小，可由海底的低速洋流驱动；同时采用两个防侧倾磁性挡板，防止水平中心转子在外力下产生倾斜。

当海水流向发生变化时，尾翼使发电本体部分跟随水流方向转动，从而使扇叶直面来流方向。环形磁铁对使发电本体部分与底座无实际接触，摩擦力十分微小；同时水下无线电力传输装置使发电本体与基座间无缆线连接，因此可实现本装置的灵活转动。

本发明的可在海底低速水流下工作的小型水下发电设备，主要由扇叶、水平中心转子、将水平中心转子和密封腔内发电机连接的磁耦合联轴器、发电机、尾翼、垂直旋转主轴、水下无线电力传输装置、用于支撑水平中心转子和垂直旋转主轴的磁悬浮组件、用于防止水平中心转子侧倾的磁性挡板、水密缆、底座等组成。本发明水平中心转子与其他部件无直接物理接触，摩擦力小，可在水流速度极低的海底水域使用；垂直旋转主轴采用磁悬浮支撑，同时通过使用无线水下电力传输装置使上下部分分离，因此摩擦力极小且可无角度限制地旋转；尾翼的应用使扇叶能够直面来流方向，因此可使海流驱动力最大化。

与现有技术相比，本发明的优势如下

本发明发电机转子的固定约束均采用磁悬浮连接，无实际物理接触，与常规的水下发电机相比，所需的驱动水流速度极小，可以应用在海底区域。同时采用水下无线电力传输装置，使得本体部分可自由转动，同时底座部分保持固定。本发明设计精巧，转子摩擦力小，随水流调整方向，可利用资源丰富，能够为海底监测设备提供续航能源保障。

附图说明

图1为本发明整体结构剖面示意图。

图2为本发明整体三维示意图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明的一种便于广泛使用的表层海流驱动的发电装置包括：扇叶1；水平中心转子2；组合腔3；第一防侧倾磁性挡板4；磁耦合联轴器5；密封腔6；尾翼7；第二防侧倾磁性挡板8、；第一环形磁铁对9；第二环形磁铁对10；第三环形磁铁对11；第四环形磁铁对12；第一水密电缆13；发电机14；垂直旋转主轴15；水下无线电力传输模块16；第五环形磁铁对17；第二水密电缆18；基座19；

密封腔6用于安装发电机14，避免海水对发电机的不利影响。组合腔3与密封腔6外壁密封对接，两者可以通过法兰结构固定。组合腔3主要用于安装水平中心转子2。安装时，水平中心转子2安装于组合腔3中心位置，一端通过磁耦合联轴器5与发电机14输入端联动，另外一端穿过设置在组合腔3端部的安装孔与扇叶1安装固定；在水平中心转子2伸出组合腔3的一端同时安装有第二防侧倾磁性挡板8，该第二防侧倾磁性挡板面向组合腔的一侧与组合腔3对应端之间安装有第一环形磁铁对9，第一环形磁铁对9包括两个径向尺寸一致且相互分离的环形磁铁，两个环形磁体同轴设置且相互对正，形成轴向电磁对，分别安装在第二防侧倾磁性挡板面向组合腔的一侧以及组合腔3与该第二防侧倾磁性挡板面正对的一端，形成对水平中心转子2径向的限位。

在组合腔3的安装孔内与水平中心转子2对应的位置、以及水平中心转子2上与安装孔对应的位置设有的第二环形磁铁对10，第二环形磁铁对10由两个同轴设置且相互分离的环形磁铁，且分别设置在安装孔孔壁与水平中心转子2外壁对应的位置，两者相互套嵌形成径向电磁对。第二环形磁铁对10中的两个环形磁铁的磁极无具体要求，相互吸引或相互排斥的情况，均可实现对水平中心转子2的径向限位。

水平中心转子2位于组合腔3腔体内靠近安装孔的部分设有第一防侧倾磁性挡板4，第一防侧倾磁性挡板4面对安装孔的一侧与组合腔3该端内侧壁之间设有第三环形磁铁对11。第三环形磁铁对11与第一环形磁铁对9结构相似或者可以完全相同，同样包括两个径向尺寸一致的环形磁铁，两个环形磁体同轴设置且相互对正，形成轴向电磁对，分别安装在第一防侧倾磁性挡板4面向安装孔的一侧以及组合腔设有安装孔的一端内壁上，形成对水平中心转子2径向的限位。

第一环形磁铁对9和第三环形磁铁对11可以同时选择相互吸引的电磁对，或者同时相互排斥的电磁对，两个电磁铁之间相互隔离，实现悬浮定位，共同实现对水平中心转子2径向的限位。

密封腔6一端与组合腔3对接固定，形成整体的箱体结构，密封腔6另一端固定有尾翼7，尾翼7与水平中心转子2、扇叶1同轴设置。

垂直旋转主轴15顶部与组合腔3和密封腔6形成的箱体结构的中部位置或者接近中部的位置固定，大致呈垂直布置，当然根据扇叶1、尾翼7重量的不同，垂直旋转主轴15顶部固定的位置也可以根据实际需要确定。

基座19主要为整体起到支撑作用或者平衡作用，基座19顶面固定有定位腔20和密闭腔21，定位腔20顶面设有定位孔，垂直旋转主轴15底部穿过定位腔20顶部的定位口。垂直旋转主轴15外壁与定位孔对应的位置设有第四环形磁铁对12，第四环形磁铁对12与第二环形磁铁对10结构相似也可以相同，分别由两个同轴设置且相互分离的环形磁铁，且分别设置在定位孔孔壁与垂直旋转主轴15外壁对应的位置，两者相互套嵌形成径向电磁对。第四环形磁铁对12中的两个环形磁铁的磁极无具体要求，相互吸引或相互排斥的情况，均可实现对垂直旋转主轴15的径向限位，即实现水平方向的限位。垂直旋转主轴15底端与定位腔20底部之间设置有环形磁铁对17，环形磁铁对17与第一环形磁铁对9和第三环形磁铁对11结构相似或者相同，但是磁铁对中两个环形磁体进行相同，相互排斥，实现对垂直旋转主轴15的支撑，进而实现对垂直旋转主轴15、扇叶1、水平中心转子2、组合腔3、密封腔6、尾翼7等的支撑。

安装发电机14的第一水密电缆13穿过密封腔6，然后经过垂直旋转主轴15与固定在垂直旋转主轴15底端的水下无线电力传输模块16连接，无线电力传输模块16的另外一部分固定在定位腔20底部，通过密闭腔21中设置的第二水密电缆18与用电元件连接。

在实际工作过程中，水流推动扇叶1运动，扇叶1带动水平中心转子2转动，并通过磁耦合联轴器5使密封腔6中的发电机14工作。发电机14所产生的电能通过水下无线电力传输模块16将电能传递至蓄电池等其他装置。由于水平中心转子2采用磁悬浮方式，与支撑装置无直接物理接触，因此水平中心转子转动时的摩擦力很小，可由海底的低速洋流驱动；同时采用两个防侧倾磁性挡板，防止水平中心转子在外力下产生倾斜。

当海水流向发生变化时，尾翼4使发电本体部分跟随水流方向转动，从而使扇叶1直面来流方向。环形磁铁对17使发电本体部分与底座无实际接触，摩擦力十分微小；同时水下无线电力传输装置使发电本体与基座间无缆线连接，因此可实现本装置的灵活转动。

本发明不需要高速水流驱动发电，低速水流即可推动转子运动；可配合海底探测装置使用，补充能源，提高探测装置的使用寿命和探测范围。