一种应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置
阅读说明：本技术 一种应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置 (Counter-rotating propeller ocean current energy power generation device applying magnetic coupling ) 是由 黄滨 王超 龚寅晨 王鹏忠 赵博文 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置,其包括壳体、对转叶轮、转向和偏航装置、磁力联轴装置、机械变速装置和发电机装置；对转式叶轮安装在发电装置的前端,叶片在来流冲击下绕中心轴转动,并产生驱动转轴转动的切向力,两组叶片分别通过内、外轴将扭矩传递到磁力联轴器输入端。磁力联轴器通过异极排列的永磁体推拉的耦合传动方式,使用轴向联轴器和径向联轴器的组合,实现非接触式将对转轴的扭矩由发电装置外部传递到发电装置内部。机械变速装置将对转扭矩进行力矩耦合,实现单轴输出并用齿轮机构进行变速。发电机内转子与机械变速装置连接并随其转动,与外定子实现切割磁感线运动进行发电。本发明结构紧凑,动能转化率高。(The invention discloses a contra-rotating propeller ocean current energy power generation device applying a magnetic coupling, which comprises a shell, a contra-rotating impeller, a steering and yawing device, a magnetic coupling device, a mechanical speed change device and a power generator device, wherein the contra-rotating impeller is arranged on the shell; the contra-rotating impeller is arranged at the front end of the generating set, the blades rotate around the central shaft under the impact of incoming flow and generate tangential force for driving the rotating shaft to rotate, and the two groups of blades transmit torque to the input end of the magnetic coupling through the inner shaft and the outer shaft respectively. The magnetic coupling realizes that the torque of the counter shaft is transmitted to the inside of the power generation device from the outside of the power generation device in a non-contact manner by using the combination of the axial coupling and the radial coupling through a coupling transmission mode of pushing and pulling permanent magnets arranged in different poles. The mechanical speed change device carries out torque coupling on the rotating torque, realizes single-shaft output and carries out speed change by using a gear mechanism. The inner rotor of the generator is connected with the mechanical speed change device and rotates along with the mechanical speed change device, and the inner rotor and the outer stator realize cutting magnetic induction line motion to generate electricity. The invention has compact structure and high kinetic energy conversion rate.)
技术领域
本发明属于海流能发电领域，具体涉及一种应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置。
背景技术
能源是人类社会发展的关键因素，而化石能源属于不可再生能源，为实现人类社会的可持续发展，当今世界各国纷纷将目光投向可再生能源的开发和利用上，海流能便是其中之一。海流能所利用的是海水定向流动所具有的动能，具有可预测性强、能量密度大、清洁可再生和受风浪影响小的特点。同时我国海流能储量丰富，其开发利用潜力巨大。如果将海流动能转化为海底观测网中的电能，同时满足其低流速具备良好启动性能和高效动能转化率的用电需求以及高可靠性，那么将解决海底观测网的电能自给问题，提高水下工作效率和时间。
对转浆水平轴海流能发电机是将海流能转换成电能的一种装置，采用对转叶片进行发电。现有的水平轴海流能发电机多为单向或者双向发电技术，并采用密封圈密封，对复杂海况的适应性不强，发电效率低，密封损耗大，可靠性低。
传统的联轴器作为海流能发电系统中常用连接设备，有着广泛的应用，而传统采用机械式的联轴器是通过机械联结传递转矩，工作中隔离振动的能力相对较弱，并且对转机械结构复杂，密封困难。磁力传动联轴器利用磁场间的相互作用传递扭矩，属于非接触传动，具有可以隔振、隔噪、对轴系偏差补偿能力强、免维护的特点，适用于这种需要隔离密封的情况。然而传统的磁力联轴器往往只能传递单轴的扭矩。
发明内容
针对现有的海流能发电装置无法适应复杂海况、能量转换效率低、密封损耗大，以及在扭矩传递过程中联轴器结构复杂，密封困难的问题，本发明提出一种采用永磁体，通过磁力耦合传动的方式，实现对转动力传输的对转桨海流能发电装置。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置，该发电装置包括壳体、位于所述壳体外部的对转叶轮、转向和偏航装置，位于所述壳体内部的机械变速装置和发电机装置，以及用于传递扭矩的磁力联轴装置；
所述壳体包括从前到后依次连接的导流壳体、连接壳体、中部壳体和后壳体；
所述对转叶轮包括套接的叶片外轴和叶片内轴，以及同轴布置的且旋转方向相反的前叶片组、后叶片组；所述前叶片组固定套接在叶片内轴上，所述后叶片组固定套接在叶片外轴上；所述前叶片组旋转带动所述叶片内轴旋转，所述后叶片组旋转带动所述叶片外轴旋转；
所述磁力联轴装置包括轴向传动机构和径向传动机构；
所述轴向传动机构包括轴向联轴器输入轴、轴向联轴器输入转子、轴向联轴器输出转子、轴向联轴器输出轴；所述径向传动机构包括径向联轴器输入轴、径向联轴器内转子、径向联轴器外转子、径向联轴器输出轴；所述轴向联轴器输入轴一端和叶片内轴连接，外部通过所述径向联轴器输入轴套接，所述径向联轴器输入轴与所述叶片外轴固定连接；所述径向联轴器内转子固定套接在所述径向联轴器输入轴外周，所述径向联轴器外转子一端套接在所述径向联轴器内转子外周，所述径向联轴器外转子为套筒式结构，其两端通过轴承支撑在所述中部壳体中；所述径向联轴器内转子外周与径向联轴器外转子内周相对应的位置均开设有安装槽，镶嵌有对称分布的、扇状形状、极性指向不同的永磁体；所述径向联轴器外转子的另一端内部固定套接径向联轴器输出轴；所述径向联轴器输出轴内部开设通孔；所述轴向联轴器输入轴的另一端固定套接轴向联轴器输入转子；沿着整个发电装置的径向方向，所述轴向联轴器输出轴与所述轴向联轴器输入轴相对布置，两者共轴；所述轴向联轴器输出转子与轴向联轴器输入转子相对布置，且两者相对的面上均开设有凹槽，凹槽中安装对称分布、扇状形状、极性指向不同的永磁体；所述轴向联轴器输出轴套设在所述径向联轴器输出轴的通孔中；
所述叶片外转子带动径向联轴器输入轴、径向联轴器内转子转动，然后通过磁力耦合带动径向联轴器外转子、径向联轴器输出轴转动；所述叶片内轴带动轴向联轴器输入轴、轴向联轴器输入转子转动，然后通过磁力耦合带动轴向联轴器输出转子、轴向联轴器输出轴转动；
所述机械变速装置包括由第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、中心轴、轴承座组成的力矩耦合装置和由第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、增速轴、第一轴承座、第二轴承座组成的增速装置；所述中心轴与所述轴向联轴器输出轴共轴固连，第一锥齿轮固定套接在所述轴向联轴器输出轴和径向联轴器输出轴之间，所述第二锥齿轮固定套接在所述中心轴的端部；第二锥齿轮分别与第一锥齿轮和第三锥齿轮啮合，第二锥齿轮的中心轴线与所述中心轴垂直，第二锥齿轮通过轴承与轴承座连接，由轴承座支撑在所述中部壳体内壁；所述轴向联轴器输出轴力矩直接作用在中心轴，径向联轴器输出轴的力矩通过锥齿轮作用在中心轴上，实现力矩耦合；
所述第一齿轮固定套接在力矩耦合装置中心轴上，所述第二齿轮与第三齿轮固定套接在增速轴上，所述增速轴两端支撑在在第一轴承座与第二轴承座上，所述第一轴承座与第二轴承座平行分布在中心轴的一侧，所述第四齿轮与电机轴固定连接。其中第一齿轮与第二齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合；
所述发电机装置位于所述后壳体内部，通过所述机械变速装置带动发电机转子转动，并通过切割磁感线产生感应电动势能，将机械能转化为电能。
进一步地，所述转向和偏航装置包括对流尾舵和由支柱、平台轴承座、装置平台组成的转向装置；所述对流尾舵固定连接在后壳体尾部，调节装置被动偏航实现迎流，进行发电；所述装置平台固定在所述壳体下方，所述平台轴承座固定在所述支柱上，所述装置平台通过轴承转动支撑在所述支柱上。
进一步地，所述前叶片组为三叶片结构，所述后叶片组为四叶片结构，所述前叶片组和后叶片组在工作时旋转方向相反。
进一步地，所述装置还包括导流罩，所述导流罩为弧形，固定在所述前叶片组之前。
进一步地，所述中部壳体包括外壳体，以及嵌套在所述外壳体内部的内壳体，且外壳体和内壳体的端部连接，所述内壳体的端部密封，从而使所述中部壳体和后壳体连接后，其内部构成密封腔体；所述径向联轴器外转子、径向联轴器输出轴、轴向联轴器输出转子、轴向联轴器输出轴、机械变速装置、发电机装置均位于所述密封腔体内。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置，采用偏航装置使得发电机能够实现在水平面内360°任意旋转，因此可以随着海流方向的改变进行被动偏航实现迎流功能；
(2)本发明采用对转桨来增强叶轮输出力矩，从而提高单叶轮在低流速下的输出力矩，使其在低流速工况下具备良好启动性能，并且在高效动能转化率的用电需求下，能够使海底观测网实现电能自给。
(3)本发明磁力联轴器传递扭矩，属于非接触传扭，具有可以隔振、隔噪、对轴系偏差补偿能力强、免维护的特点。并且由于传递扭矩时不需要直接接触，因此密封隔离所造成的力矩损耗小。
(4)本发明采用轴向传动机构和径向传动机构组合的结构，在满足对转传动的条件下，结构紧凑，对空间要求低。
附图说明
图1为本发明实施例的应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置的外部结构示意图；
图2为本发明实施例的应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置的侧视图；
图3为应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置剖视图；
图4为磁力联轴装置的剖视图；
图5为图3在A-A方向的剖视图；
图6为图3在B-B方向的剖视图；
其中，1为导流罩，2为前叶片组，3为后叶片组，4为导流壳体，5为连接壳体，6为中部壳体，7为后壳体，8为对流尾舵，9为装置平台，10为平台轴承座，11为支柱，12为叶片外轴，13为叶片内轴，14为径向联轴器输入轴，15为轴向联轴器输入轴，16为径向联轴器内转子，17为轴向联轴器输入转子，18为径向联轴器外转子，19为轴向联轴器输出转子，20为径向联轴器输出轴，21为轴向联轴器输出轴，22为第一齿轮，23为第四齿轮，24为电机轴，25为发电机，26为发电机壳套，27为第二轴承座，28为增速轴，29为第四齿轮，30为第二齿轮，31为第一轴承座，32为第三锥齿轮，33为中心轴，34为轴承座，35为第二锥齿轮，36为第一锥齿轮，37为永磁体。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
如图1～3所示，本发明实施例的应用磁力联轴器的对转桨海流能发电装置，包括壳体、位于所述壳体外部的对转叶轮、转向和偏航装置，以及位于所述壳体内部的磁力联轴装置、机械变速装置和发电机装置。
所述壳体包括从前到后依次连接的导流壳体4、连接壳体5、中部壳体6和后壳体7。
所述对转叶轮包括套接的叶片外轴12和叶片内轴13，以及同轴布置的且在旋转方向相反的前叶片组2、后叶片组3；所述前叶片组2固定套接在叶片内轴13上，所述后叶片组3固定套接在叶片外轴12上；所述前叶片组2旋转带动所述叶片内轴13旋转，所述后叶片组3旋转带动所述叶片外轴12旋转。所述前叶片组2和后叶片组3在工作时旋转方向相反。
磁力联轴装置包括轴向传动机构和径向传动机构，所述轴向传动机构和径向传动机构间留有相对运动的间隙，在工作过程中两部分运动互不影响，传动相对独立。
如图3和4所示，轴向传动机构包括轴向联轴器输入轴15、轴向联轴器输入转子17、轴向联轴器输出转子19、轴向联轴器输出轴21。其中轴向联轴器输入转子17与轴向联轴器输出转子19结构相似，均为有中心轴安装孔的圆盘状，以及沿中心轴均匀分布的永磁体安装槽，并且两转子同轴套接设置。其中对称分布、扇状形状的永磁体37镶嵌在轴向联轴器输入转子17与轴向联轴器输入转子19的永磁体安装槽内。其中轴向联轴器输入轴15和轴向联轴器输出轴21安装在轴向联轴器输入转子17与轴向联轴器输出转子19的中心轴安装孔中，并固定连接。
径向传动机构包括径向联轴器输入轴14、径向联轴器内转子16、径向联轴器外转子18、径向联轴器输出轴20。其中，径向联轴器输入轴14和径向联轴器输出轴20均为管状，并分别套在轴向联轴器输入轴15与轴向联轴器输出轴21上。并且径向联轴器输入输出轴内孔与轴向联轴器输入输出轴配合为间隙配合够相对运动。其中径向联轴器内转子16套接在径向联轴器输入轴14一侧，径向联轴器内转子16为圆环状，外侧均匀分布有永磁体条安装槽，内孔与径向联轴器输入轴14固定连接，其中径向联轴器外转子18套在径向联轴器输出轴20一侧，径向联轴器外转子18为中部设有孔的盖状，盖缘内侧预留有轴向联轴器转子的安装槽以及均匀分布的永磁体安装槽，径向联轴器外转子18与轴向联轴器输入输出转子17，19留有间隙可以相对运动，径向联轴器外转子18内孔与径向联轴器输出轴20固定连接，径向联轴器外转子18盖缘内侧均匀设置有永磁体条安装槽。其中对称分布的永磁体37镶嵌在径向联轴器内转子16外侧与轴线联轴器外转子18内侧的安装槽内。
如图5和6所示，磁场传动方式为永磁体异极排列推拉的方式耦合传动，同一转子上相邻的两个永磁体磁极方向相反。传动时既有相互耦合的两永磁体之间的吸引力作用，也有该永磁体与其耦合的永磁体的相邻的两永磁体的排斥力的作用。
机械变速装置包括力矩耦合装置以及增速装置，力矩耦合装置实现力矩耦合和单轴输出的功能，增速装置实现发电转速与扭矩匹配的功能。
其中力矩耦合装置包括第一锥齿轮36、第二锥齿轮35、第三锥齿轮32、中心轴33、轴承座34。其中第一锥齿轮36中心有通孔，第一锥齿轮36与径向联轴器输出轴20固定连接，其中轴向联轴器输出轴21穿过第一锥齿轮36中心孔与中心轴33固定连接。其中第三锥齿轮32套接在中心轴上固定连接。其中第二锥齿轮35分别与第一锥齿轮36和第三锥齿轮32啮合，第二锥齿轮35的中心轴线与中心轴33垂直，第二锥齿轮35通过轴承与轴承座34连接。其中中心轴33接收来自轴向联轴器输出轴21的扭矩，第一锥齿轮36接收来自径向联轴器输出轴20的扭矩并同第二锥齿轮35与第三锥齿轮32作用在中心轴33上。
其中增速装置包括第一齿轮22、第二齿轮30、第三齿轮29、第四齿轮23、增速轴28、第一轴承座31、第二轴承座27。其中第一齿轮22套接在中心轴33上固定连接。其中第一齿轮22与第二齿轮30啮合。其中第二齿轮30与第三齿轮29套接在增速轴28上固定连接，增速轴28两端分布通过轴承固定在第一轴承座31与第二轴承座27内并平行放置在中心轴33的一侧。其中第三齿轮29与第四齿轮23啮合。其中第四齿轮23套接在电机轴24上固定连接。其中增速装置通过两组齿轮的啮合改变了中心轴33的转速和扭矩并传递给电机轴24。
发电机装置包括电机轴24、发电机25、发电机壳套26。其中发电机25固定在发电机套壳26内，发电机套壳26安装在后壳体7的安装槽内。其中发电机25转子与电机轴24固定连接。其中电机轴24通过接收由第四齿轮23传递来的扭矩，带动发电机转子转动，并通过转子切割磁感线产生感应电动势能，将机械能转化为电能。
中部壳体6包括外壳体，以及嵌套在所述外壳体内部的内壳体，且外壳体和内壳体的端部连接，内壳体的端部密封，从而使所述中部壳体6和后壳体7连接后，其内部构成密封腔体。前述的径向联轴器外转子18、径向联轴器输出轴20、轴向联轴器输出转子19、轴向联轴器输出轴21、机械变速装置、发电机装置均位于所述密封腔体内，从而实现对转磁力联轴器输出与发电机输出的密封隔离。而径向联轴器输入轴14与轴向联轴器输入轴15位于密封腔体外部，浸没于水中。
所述转向和偏航装置包括对流尾舵和由支柱11、平台轴承座10、装置平台9组成的转向装置；所述对流尾舵8固定连接在后壳体7尾部，调节装置被动偏航实现迎流，进行发电；所述装置平台9固定在所述壳体下方，所述平台轴承座10固定在所述支柱11上，所述装置平台9通过轴承转动支撑在所述支柱11上。
考虑了效率还有模拟各方面的综合因素，为了减小叶片片间尾迹流的影响，提高前叶片组对海流能的捕获效率，前叶片组2为三叶片结构。为了提高后叶片组对海流能的捕获效率，并降低设备成本，所述后叶片组3为四叶片结构。为了平衡设备力矩，并减小前叶片组尾迹流对后叶片组的影响，所述前叶片组2与后叶片组3旋转方向不同。
具体应用时，轴向联轴器输入输出转子17，19和径向联轴器内外转子16，18用非磁性材料制作，不会对永磁体的磁场产生任何影响。
为了充分利用空间，提高磁力联轴器最大传递扭矩，永磁体37为扇形结构或者矩形结构。
轴向传动机构与径向传动机构之间留有间隙，在工作过程中，轴向传动与径向传动相互独立。
为了使流场均匀，提高叶片组的效率，所述装置还包括导流罩1，所述导流罩1为弧形，固定在所述前叶片组2之前。
工作时，转向机构通过对流尾舵8被动偏航，被动迎流实现对流，使发电装置迎流并进入工作状态。前叶片组2与后叶片组3受到海流力矩作用，由于前后两组叶片在迎流方向上安装方向不同，因此前后两组叶片的旋转方向不同。前叶片组2通过叶片内轴13带动轴向联轴器输入轴15转动，为轴向联轴器输入扭矩；后叶片组3通过叶片外轴12带动径向联轴器输入轴14转动，为径向联轴器输入扭矩。轴向联轴器输入轴15转动带动轴向联轴器输入转子17转动，轴向联轴器输入转子17通过磁力耦合作用带动轴向联轴器输出转子19转动并通过轴向联轴器输出轴21输出扭矩，即轴向联轴器输入轴15转动时，轴向联轴器输出轴21同步转动。径向联轴器输入轴14转动带动径向联轴器内转子16转动，径向联轴器内转子16通过磁力耦合作用带动径向联轴器外转子18转动并通过径向联轴器输出轴20输出扭矩，即，径向联轴器输入轴14转动时径向联轴器输出轴20同步转动。中心轴33与轴向联轴器输出轴21固定连接，接收扭矩；第一锥齿轮36与径向联轴器输出轴20固定连接并与第二锥齿轮35啮合，第一锥齿轮36接收径向联轴器输出轴20的扭矩并传递到第二锥齿轮35上。第三锥齿轮32套接在中心轴33上固定连接并与第二锥齿轮35啮合，第三锥齿轮32传递第二锥齿轮35上的扭矩到中心轴33上，即，最终把对转的扭矩同步输入到中心轴上。中心轴33一端套接有第一齿轮22，第一齿轮22与第二齿轮30啮合，第一齿轮22随中心轴33转动并带动第二齿轮30转动。第二齿轮30第三齿轮29固定套接在增速轴28上，第二齿轮30通过增速轴28带动第三齿轮29旋转。第四齿轮23固定套接在电机轴24上并与第三齿轮28啮合，第三齿轮28传递扭矩到第四齿轮23上并带动电机轴24旋转。电机轴24旋转带动发电机转子转动，并通过转子切割磁感线产生感应电动势能，从而将海流的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能，供设备使用。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
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