一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置的制作方法

本发明涉及发电技术，特别是涉及一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置，适用于海洋、湖泊、河流等应用环境。

背景技术：

随着经济社会的发展进步，人类对能源的需求日益增大，然而传统能源的高污染和不可持续性与日益增长的能源需求形成巨大矛盾，迫使人们不断寻求清洁的可再生能源如太阳能、风能、潮沙能、波浪能、生物质能等。

我国拥有众多的河流和湖泊且海洋幅员辽阔、海岸线曲折漫长，水能资源丰富。辽阔的海洋疆域，蕴藏着巨大的能量，大力开发海上新能源，可以有效缓解传统能源枯竭、开发成本增加、配置不合理等问题。波浪能是浩瀚海洋中蕴藏的绿色可再生能源，其含量巨大、取之不尽用之竭，具有广阔的应用前景。

当前人们所利用波浪能的方式是通过波浪发电装置将其动能或势能转换成电能，将转换成的电能就近用于海上平台或偏远岛屿上的用电设备，亦有远距离并网输电。在较少的资金投入的情况下，如何最大限度地将波浪能转换成电能提高转换装置的功率密度、效率和运行可靠性，对湖泊、河流和海洋波浪资源的利用发展具有重要的理论意义和应用价值。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置，旨在通过引入永磁式磁力丝杠，实现波浪能向电能的非接触式两级能量转换和利用，以增加能量转换装置的功率密度、提高转换效率和使用寿命。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置，包括支架、外浮筒、内浮筒、永磁同步旋转电机、磁力丝杠、限速器、限位器、阻尼盘、锚链和沉石；

支架，由顶部圆形钢板及固定于上面的两圈圆形钢柱构成，内外两圈钢柱各若干根，外圈钢柱固定连接外浮筒，内圈钢柱则贯穿内浮筒顶部钢板刚性连接磁力丝杠动子；

外浮筒，空心圆环密封筒状，其内径略大于内浮筒外径；

内浮筒，空心圆筒状，嵌套在外浮筒内，底部与阻尼盘固定连接；

永磁同步旋转电机，位于内浮筒内，与内浮筒内侧壁固定连接，其转轴通过限速器与磁力丝杠嵌扣连接，且转轴端部利用滚珠与磁力丝杠滑动接触使得两轴在低速时同轴转动，而超速时两轴因限速器的作用实现解耦进而两转轴独立运动；永磁同步旋转电机将磁力丝杠传递过来的机械能转换为电能输出；

磁力丝杠，位于内浮筒内，其动子通过支架与外浮筒刚性连接，下端部与内浮筒内壁底部经滚珠滑动接触，其将外浮筒俘获的波浪能转换成旋转机械能；

限速器用于实现永磁同步旋转电机与磁力丝杠之间设定工况下同步运转和超速时两部分独立运转；

限位器用于限定磁力丝杠轴向运动位置，并防止外浮筒下沉过多使支架圆形钢板撞击内浮筒；

阻尼盘，通过锚链与沉石连接，确保内浮筒漂浮于水面且不随波浪大幅垂直震荡。

优选的，磁力丝杠包括动子和螺杆转轴，动子套设在螺杆转轴上，动子轭铁内表面和螺杆转轴轭铁外表面设有永磁体，动子与螺杆转轴不接触；螺杆转轴上端部通过限速器与永磁同步旋转电机转轴嵌扣连接，且通过滚珠滑动连接，下端部通过滚珠与内浮筒底部滑动连接；动子通过支架与外浮筒刚性连接，通过永磁体磁力将外浮筒所俘获的波浪能转变成螺杆转轴的旋转机械能。

优选的，动子轭铁内表面表贴环形永磁体，环形永磁体采用径向充磁方式且n极和s极沿轴向交替分布；螺杆转轴轭铁外表面表贴沿轴向双螺旋线分布的永磁体，所述螺旋式分布的一对永磁体采用径向充磁方式且极性分别为n极和s极；所述磁力丝杠其动子轭铁和螺杆转轴轭铁均为具备一定刚度的导磁性材料。

优选的，支架与磁力丝杠连接处设有空腔，空腔内设有抱闸器，抱闸器包括复位弹簧、永磁体、铁芯、线圈、支点、杠杆和插销；杠杆包括水平杆和竖直杆，水平杆和竖直杆交接处通过支点固定于空腔壁，水平杆端部斜口面处内嵌永磁体，竖直杆下端部通过活动支点连接插销；插销自由端与抱闸孔配合，可使磁力丝杠不发生直线运动；铁芯底部固定于空腔壁，表面缠绕线圈，上端部与杠杆水平杆端部斜口面处的永磁体相对应；复位弹簧上端部固定于空腔壁，其下端部则固定连接水平杆上端部。

优选的，限速器包括弹簧、限速重块槽和嵌扣头，嵌扣头与限速重块槽通过两者间的杆连接，弹簧套于杆上且其靠近限速重块槽一端固定在限速器腔壁上，弹簧在设定工况下将嵌扣头压紧嵌入电机转轴凹槽，当转轴超速时则嵌扣头在重块槽重块离心力作用下被拉离电机转轴凹槽，两部分转轴分离各自运转，限速重块槽依据弹簧特性及所需限定速度值选取合适的重块均等地分别置于径向对称的两侧槽中。

优选的，限位器包括第一限位缓冲弹簧、第二限位缓冲弹簧和第三限位缓冲弹簧，第一限位缓冲弹簧的一端固定于支架顶端，另一端为自由端，第二限位缓冲弹簧和第三限位缓冲弹簧用于限制磁力丝杠动子直线运动位置。

优选的，该发电装置还包括导向轴，导向轴与磁力丝杠的螺杆转轴轴向平行，其上端部与内浮筒侧壁固定连接，下端部与内浮筒内壁底部固定连接，第二限位缓冲弹簧和第三限位缓冲弹簧分别固定于导向轴上下两端，导向轴中部开设有抱闸孔。

优选的，该装置还包括变能仓，变能仓位于内浮筒上端部凹槽内，用于放置控制装置、变能装置和储能设备，控制装置分别与变能装置和抱闸器内线圈连接，永磁同步旋转电机的输出端连接至变能仓内的变能装置，变能装置输出端连接储能设备。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出的一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置，内浮筒在阻尼盘和沉石的作用下不随波浪的起伏做大幅度上下振荡运动，外浮筒带动动子随波浪做上下振荡运动，动子通过磁力将自身直线运动转变为螺杆转轴的旋转运动，螺杆转轴带动永磁同步旋转电机转子旋转在定子绕组上产生感应电动势。

本发明通过引入永磁式磁力丝杠应用于波浪能发电装置中克服传统波浪发电方式的缺点，可实现能量更高效率的利用，降低了制造成本，提升了系统运行稳定性和整个能量转换装置的功率密度。本发明一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置还具有以下优点：

二级能量转换(波浪能-机械能-电能)，系统结构紧凑重量小，可提高能量利用率；

永磁式磁力丝杠动子与螺杆转轴间未接触，避免了设备磨损，提高了能量转换装

置的使用寿命同时降低了装置维护需求；

引入机械限速器，保护发电装置不在极端天气下因过载损坏；

限速器所设限速值可通过配重槽内物块重量或更换不同特性弹簧实现调节；

利用永磁旋转电机发电，可降低装置的体积和重量，进而节约制造成本；

所设计内外浮筒安置方式易于实现装置的防水设计和变能储能设备的更换维护；

沉石锚系结构使装置易于转移和回收；

抱闸器在极端天气情况下磁力丝杠出现失步时起到保护设备作用。

附图说明

图1为波浪发电装置的正视图；

图2为波浪发电装置的俯视图；

图3为波浪发电装置的轴向剖面图；

图4为限速器径向剖面图；

图5为永磁式磁力丝杠的三维结构示意图；

图6为抱闸器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

下述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置，包括支架、外浮筒、内浮筒、永磁同步旋转电机、磁力丝杠、限速器、限位器、阻尼盘、锚链和沉石；支架由顶部圆形钢板及固定于上面的两圈圆形钢柱构成，内外两圈钢柱各若干根，外圈钢柱固定连接外浮筒，内圈钢柱则贯穿内浮筒顶部钢板刚性连接磁力丝杠动子，动子与钢柱连接处开有空腔，用于放置抱闸器；外浮筒为空心圆环密封筒状，固定连接支架圆形钢板上的外圈四根圆形钢柱，其套设于内浮筒外；内浮筒为空心圆筒状，其底部与阻尼盘固定连接；永磁同步旋转电机位于内浮筒内，机壳与内浮筒内侧壁固定连接，其转轴通过限速器与磁力丝杠嵌扣连接，且转轴端部利用滚珠与磁力丝杠滑动接触；永磁同步旋转电机将机械能转换为电能输出；磁力丝杠位于内浮筒内，其动子与支架固定连接，螺杆转轴下端部与内浮筒内壁底部滑动接触；限速器用于实现永磁同步旋转电机与磁力丝杠之间设定工况下同步运转和超速时两部分独立运转；限位器用于限定磁力丝杠动子轴向运动位置和防止支架圆形钢板碰撞内浮筒顶部；阻尼盘通过锚链与沉石连接。

如图1所示，一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置，包括支架1、外浮筒2、内浮筒3、变能仓4、永磁同步旋转电机5、限速器6、永磁式磁力丝杠7、导向轴8、限位器9、抱闸器10、阻尼盘11、锚链12和沉石13

如图2所示，支架1，包括一个水平置放的圆形钢板1a、分别位于圆形钢板外圈的若干第一竖直钢柱1b和位于圆形钢板内圈的若干第二竖直钢柱1c，第一竖直钢柱下端刚性连接有外浮筒，第二竖直钢柱贯穿入内浮筒顶部与磁力丝杠动子刚性连接，第二竖直钢柱与动子连接处开有空腔，空腔内放置抱闸器。变能仓、永磁同步旋转电机和永磁式磁力丝杠由上至下依次固定于内浮筒内，内浮筒下端部与阻尼盘刚性连接，锚链两端分别与阻尼盘和沉石固定连接，确保内浮筒漂浮于水面且不随波浪大幅垂直震荡。

如图3所示，变能仓，固定于内浮筒上端部凹槽内，凹槽顶部放置盖板，用于放置控制装置、变能装置和储能设备，控制装置连接发电装置所需附加的各类传感器、变能装置和抱闸器内线圈以控制线圈的通断，永磁同步旋转电机的输出端连接至变能仓内的变能装置，变能装置输出端连接储能设备。

如图3所示，永磁同步旋转电机5，包括定子铁芯51、定子绕组52、转子铁芯53、转轴54和转子永磁体55，定子铁芯沿轴向开槽，三相对称定子绕组放置在槽内；转子铁芯与转轴刚性连接同轴旋转，转子永磁体径向充磁，表贴在转子铁芯外表面上，且n极永磁体和s极永磁体沿转子表面圆周方向交错分布。永磁同步旋转电机的机壳与内浮筒内侧壁刚性连接，电机输出轴与变能仓底部留有一定空间用于电机散热，将电机的输出端引至变能仓并与变能装置电气连接。

如图3所示，限位器9，包括第一限位缓冲弹簧91、第二限位缓冲弹簧92和第三限位缓冲弹簧93，其中，第一限位缓冲弹簧一端固定于内浮筒顶部，另一端为自由端，用于缓冲外浮筒下沉过低使支架顶端碰撞内浮筒；第二限位弹簧和第三限位弹簧分别固定于导向轴上下端部。

如图3所示，导向轴与螺杆转轴轴向平行，上端固定于内浮筒内侧壁，下端固定于内浮筒内壁底部，第二和第三限位缓冲弹簧的一端分别固定于导向轴上端部和下端部，动子向上运动至第二限位缓冲弹簧处时若继续向上运行则将压缩弹簧使动子减速至零后反向运动，第三限位弹簧原理相同，缓冲弹簧弹性系数可依据投放点环境确定，实现磁力丝杠的动子直线运动的上限位置和下限位置的限制；导向轴中部开设有抱闸孔81。

如图4所示，限速器6，包括弹簧61、限速重块槽62和嵌扣头63，位于磁力丝杠螺杆转轴与电机转轴连接端的四个凸块720的空腔中，嵌扣头与限速重块槽通过两者间的杆连接且均可沿径向移动，弹簧套于杆上且其近限速重块槽一端固定在限速器腔壁上，弹簧在设定工况下将嵌扣头压紧嵌入电机转轴凹槽，当转轴超速时则嵌扣头在限速重块槽重块离心力的作用下被拉离电机转轴凹槽使两部分转轴分离各自运转，限速重块槽可依据弹簧特性及所需限定速度值选取合适的重块均等地分别置于径向对称的两侧槽中。

如图5所示，永磁式磁力丝杠7，包括动子71和螺杆转轴72，动子包括动子轭铁710和动子永磁体711，动子轭铁内表面表贴环形永磁体(动子永磁体)，环形永磁体采用径向充磁方式且n极和s极沿轴向交替分布；螺杆转轴与电机转轴通过限速器嵌扣连接，两转轴嵌套且端部利用第一滚珠140滑动接触使得两轴在低速时同轴转动将螺杆转轴上的旋转机械能转变为永磁同步旋转电机的电能，而超速时两轴因限速器的重块槽和嵌扣头自身离心力作用实现解耦两转轴独立运动，保护永磁同步旋转电机不因超速过载损坏；螺杆转轴下端部利用第二滚珠141与内浮筒内壁底部滑动接触；螺杆转轴包括螺杆转轴轭铁721和转轴永磁体722，螺杆转轴轭铁外表面表贴沿轴向双螺旋线分布的永磁体(转轴永磁体)，螺旋式分布的一对永磁体采用径向充磁方式且极性分别为n极和s极；永磁式磁力丝杠的动子轭铁和螺杆转轴轭铁均为具备一定刚度的导磁性材料，动子套设在螺杆转轴上，且不接触；动子轭铁通过支架与外浮筒刚性连接，动子随外浮筒沿着导向轴做直线运动，通过永磁体磁力将外浮筒所俘获的波浪能转变成螺杆转轴的旋转机械能，进一步通过永磁同步旋转电机将机械能转换为电能输出。

如图6所示，抱闸器，位于支架与磁力丝杠动子连接处空腔内，其包括复位弹簧101、永磁体102、铁芯103、线圈104、支点105、杠杆106和插销107；杠杆为直角形杆，通过支点固定于空腔壁，其包括水平杆和竖直杆，水平杆端部斜口面处内嵌永磁体，竖直杆下端部通过活动支点连接插销；铁芯底部固定于空腔壁，表面缠绕线圈，线圈与变能仓内的控制装置连接；铁芯上端部与水平杆端部斜口处的永磁体相对应；复位弹簧上端部固定于空腔壁，其下端部则固定连接水平杆端部。在波浪能发电装置的周边投放有速度传感器，传感器的电源线及信号线引至变能仓与相应的装置连接，当速度传感器检测到波浪速度超过保护阈值时，通过变能仓内的控制装置闭合铁芯上的线圈使其与电源形成回路，线圈通电后在磁力作用下吸引永磁体向下运动，并带动杠杆绕支点转动，支点将插销向外推出，待支架运动经过抱闸孔时，插销穿过抱闸孔将内外浮筒通过导向轴锁死不再发生相对运动。当速度传感器检测到波浪速度低于保护阈值时，变能仓内的控制装置断开线圈回路，此时杠杆在复位弹簧作用下将插销拉出抱闸孔使内外浮筒解锁，装置正常运行。

永磁式磁力丝杠的螺杆转轴和永磁同步旋转电机的转轴嵌套连接，利用限速器的嵌扣头实现两轴连接和同轴旋转，两转轴嵌套且端部利用滚珠滑动接触使得两轴在低速时同轴转动将螺杆转轴上的旋转机械能转变为永磁同步旋转电机的电能，而超速时两轴因限速器的重块槽和嵌扣头自身离心力作用实现解耦使两转轴独立运动，保护永磁同步旋转电机不因超速过载损坏；永磁同步旋转电机的机壳与内浮筒内壁刚性连接，内浮筒的上端部开内凹槽用于放置变流装置、控制装置及储能设备；磁力丝杠的螺杆转轴下端部利用滚珠与内浮筒滑动接触；内浮筒的下端部通过锚链与沉石进行连接；外浮筒通过支架与磁力丝杠的动子进行刚性连接，动子随外浮筒沿着导向轴做直线运动。

接下来，基于图1至图6对该波浪能发电装置的动作进行说明。

首先，内浮筒在阻尼盘和沉石的配合作用下不随波浪做大幅度的振荡运动，可近似视为静止；外浮筒随波浪做等幅的振荡运动以收集波浪能量，其利用支架与磁力丝杠动子刚性连接，将其所俘获的上下振荡直线运动的波浪能通过磁力作用转变成磁力丝杠螺杆转轴的旋转机械能。

其次，磁力丝杠的螺杆转轴通过限速器与永磁同步旋转电机的转轴嵌扣连接，将磁力丝杠上的机械能传递至永磁同步旋转电机转轴，电机转子旋转在其定子上感应出电动势实现将旋转的机械能转换为电能。

然后，将永磁同步旋转电机输出的电能引至变能仓内的变能装置进行电能变换，变能装置输出端可连接储能设备或直接为后级设备供电。

此外，所述限速器起到连接永磁同步旋转电机转轴和磁力丝杠的螺杆转轴作用，同时其可设定最高允许运行速度，超速时使两轴自动解耦以保护发电机。所述抱闸器在极端工况下，为避免磁力丝杠失步引起的动子大幅振荡故对其进行抱闸自保护，使内外浮筒保持相对静止。

本发明的一种基于永磁式磁力丝杠的波浪能发电装置，包括外浮筒、支架、内浮筒、变能仓、永磁同步旋转电机、限速器、抱闸器和永磁式磁力丝杠及阻尼盘等相关部件。永磁式磁力丝杠实现振荡机械能向旋转机械能的无接触转换，首先利用磁力丝杠动子与外浮筒刚性连接，将外浮筒所俘获的上下振荡直线运动的波浪能转变成转轴的旋转机械能；然后，通过永磁同步旋转电机将旋转的机械能转换为电能；最后，利用变流装置对所获电能进行处理以供后级设备使用或存储。所述限速器起到连接永磁同步旋转电机转轴和磁力丝杠的螺杆转轴作用，同时其可设定最高允许运行速度，超速时使两轴自动解耦以保护发电机。所述抱闸器在极端工况下，为避免磁力丝杠失步引起的动子大幅振荡故对其进行抱闸自保护，使内外浮筒保持相对静止。本发明通过引入永磁式磁力丝杠和相关保护机构以提高波浪发电装置的功率密度和运行稳定性。