一种基于Halbach阵列的风浪结合多自由度发电装置
阅读说明：本技术 一种基于Halbach阵列的风浪结合多自由度发电装置 (Wind wave combined multi-degree-of-freedom power generation device based on Halbach array ) 是由 范新宇 王长坤 李阳 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于Halbach阵列的风浪结合多自由度发电装置,其技术方案要点是：包括底座,所述底座的顶面连接有固定棒；浮筒,所述浮筒设置在底座的顶面；齿轮箱,所述齿轮箱设置在所述底座的顶面,所述齿轮箱的输入端连接有风力机；多自由度发电机,所述多自由度发电机设置在所述固定棒的顶面；当位于第二线圈槽内部的转子线圈在固定的磁场做旋转运动,感应出电动势；通过设置动子,在波浪的作用下,动子可跟随波浪做上下往复运动,此时位于第一线圈槽内部的动子线圈在固定的磁场做往复运动,感应出电动势,本发明的多自由度电机直线运动与旋转运动独立工作,互不影响；并引入Halbach永磁阵列,使发电装置的结构紧凑,体积小,功率密度提高。(The invention discloses a wind wave and multiple freedom degree combined power generation device based on a Halbach array, which has the technical scheme that: the device comprises a base, wherein the top surface of the base is connected with a fixed rod; the buoy is arranged on the top surface of the base; the gearbox is arranged on the top surface of the base, and the input end of the gearbox is connected with a wind turbine; the multi-degree-of-freedom generator is arranged on the top surface of the fixing rod; when the rotor coil positioned in the second coil slot makes rotary motion in a fixed magnetic field, electromotive force is induced; by arranging the rotor, the rotor can reciprocate up and down along with waves under the action of the waves, and at the moment, the rotor coil positioned in the first coil groove reciprocates in a fixed magnetic field to induce electromotive force; and the Halbach permanent magnet array is introduced, so that the power generation device has a compact structure and a small volume, and the power density is improved.)
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种基于Halbach阵列的风浪结合多自由度发电装置。
背景技术
21世纪，我国的工业进入快速发展阶段，对能源的需求总量也与日俱增，三大传统能源面临匮乏枯竭的问题，在使用的过程中带来的环境问题也越发严重，对于新能源的开发和利用也越来越受重视。
风能、波浪能都属于新能源的范畴，我国自北向南有四大海域，海岸线辽阔，海洋能异常丰富；其中波浪能能量密度大，分布范围广，易于直接利用，并且取之不尽用之不竭，是一种可再生清洁的新型能源；目前，人们对于波浪能、风能等单一能源的研究比较多，由于海洋能源受季节气候以及地理位置的影响较大，单一能源在利用的过程中具有间歇性和不稳定性，对于需要持续供电的设备和海上平台，采用单一能源进行供电缺乏保证；同时对于多自由度电机的现有研究中存在功率密度低、体积大，不易控制等问题。
发明内容
针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种基于Halbach阵列的风浪结合多自由度发电装置，以解决背景技术中提到的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于Halbach阵列的风浪结合多自由度发电装置，包括：底座，所述底座的顶面连接有固定棒；浮筒，所述浮筒设置在底座的顶面；齿轮箱，所述齿轮箱设置在所述底座的顶面，所述齿轮箱的输出端连接有连接轴，所述齿轮箱的输入端连接有风力机；多自由度发电机，所述多自由度发电机设置在所述固定棒的顶面，用于发电；连接组件，所述连接组件设置在所述浮筒的顶端，用于连接多自由度发电机。
通过采用上述技术方案，通过设置连接组件，当风力机在转动时，风力机通过连接组件可以带动多自由度发电机转动发电；当波浪上下起伏运动时，浮筒通过连接组件可以带动多自由度电机直线运动发电。
较佳的，所述多自由发电机包括所述多自由发电机包括：主轴，所述主轴设置在所述固定棒的顶面，所述固定棒的顶面开设有固定槽，所述固定槽的内圆壁面连接有第一轴承，所述第一轴承内环的内圆壁面与主轴的外圆壁面连接；转子，所述转子连接在所述主轴的外圆壁面；内定子，所述内定子套设在所述转子的外圆壁面，所述内定子的外圆壁面连接有隔磁环；动子，所述动子连接在所述浮筒的顶端；外定子，所述外定子套设在所述动子的内部，所述隔磁环的外圆壁面与所述外定子的内圆壁面连接在一起。
通过采用上述技术方案，转子和内定子组成多自由度电机的旋转运动单元；外定子和动子组成了多自由度电机的直线运动单元。
较佳的，所述转子的外圆壁面开设有第二线圈槽，所述第二线圈槽的内部连接有转子线圈，所述动子的内圆壁面开设有若干个第一线圈槽，所述第一线圈槽的内部连接有动子线圈，所述转子线圈采用分布式线圈绕组，述动子线圈采用饼式线圈绕组
通过采用上述技术方案，通过设置转动，由于转子连接在主轴的外圆壁面，从而使主轴在转动时可以带动转子进行转动，便于转子后期转动发电。通过设置动子，在波浪的作用下，动子可跟随波浪做上下往复运动，此时位于第一线圈槽内部的动子线圈在固定的磁场做往复运动感应出电动势。
较佳的，所述内定子和外定子都采用Halbach永磁阵列；内定子设有圆周方向布置的Halbach永磁阵列结构，外定子设有轴向布置的Halbach永磁阵列结构。
通过采用上述技术方案，内定子Halbach永磁阵列在圆周方向上产生主要的磁场；外定子Halbach永磁阵列在轴向上产生主要的磁场。
较佳的，所述多自由度发电机旋转部分的极槽配合采用8极12槽结构，直线部分的极槽配合采用8极9槽结构。
通过采用上述技术方案，定子磁极和动转子齿槽、线圈组成多自由度电机的主要工作部件。
较佳的，所述连接组件包括：套接孔，所述套接孔开设在所述浮筒的顶面，所述浮筒的底面开设有限位孔，所述限位孔与所述固定棒活动套设；滑动轴承，所述滑动轴承连接在所述限位孔的内圆壁面，所述滑动轴承内环的内圆壁面与所述固定棒的外圆壁面连接。
通过采用上述技术方案，通过设置浮筒与动子，由于浮筒顶面开设有套接孔，下端盖活动套设在套接孔的内部，从而使套接孔与动子可以把下端盖顶端的设备包裹，有效的避免了波浪冲击设备，从而提高了该发电装置的安全系数。
较佳的，所述连接组件还包括：蜗轮蜗杆机构，所述蜗轮蜗杆机构设置在所述底座的顶面，所述蜗轮蜗杆机构的输入端与所述连接轴远离所述齿轮箱的一端连接在一起；支撑件，所述支撑件设置在所述固定棒的顶面，用于对多自由度发电机进行支撑。
通过采用上述技术方案，通过设置齿轮箱，由于齿轮箱内部设有增速齿轮和减速齿轮，当海面风力过小时，风力机的转速较低，可以通过增速齿轮的作用来增大转速，保证多自由度电机的旋转部分有一个有效的输出；当风力过大时，风力机的转速过高，可以通过减速齿轮来降低转速，避免电机超负荷。
较佳的，所述支撑件包括：下端盖，所述下端盖设置在所述底座的顶面，所述下端盖顶端开设有下盖孔；第三轴承，所述第三轴承连接在所述下端盖的内圆壁面，所述第三轴承外环的底端与所述固定棒的顶端连接在一起。
通过采用上述技术方案，通过设置动子，当波浪流动在撞击动子时，由于第三轴承的内环固定连接在固定棒的外圆壁面，从而使波浪在冲击动子时，动子通过浮筒可做上下往复运动。
较佳的，所述隔磁环的顶端连接有上端盖，所述上端盖的顶端开设有上盖孔，所述上盖孔的内部连接有第二轴承，所述第二轴承外环的顶端固定连接有保护壳。
通过采用上述技术方案，通过设置隔磁环，隔磁环可以将内定子与外定子隔开，使内外永磁阵列产生的磁场互不影响。
较佳的，所述固定棒的外圆壁面连接有第一限位块，所述固定棒的外圆壁面连接有第二限位块。
通过采用上述技术方案，通过设置第一限位块与第二限位块，由于第一限位块和第二限位块均连接在固定棒的外圆壁面，其中第一限位块连接在浮筒低端的位置，从而使浮筒在做上下往复运动时。
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
通过设置风力机，在风力的作用下，风力机通过齿轮箱可带动蜗轮蜗杆机构进行转动，蜗轮蜗杆机构通过主轴可带动转子做旋转运动，此时位于第二线圈槽内部的转子线圈在固定的磁场做旋转运动，感应出电动势。
通过设置动子，在波浪的作用下，动子可跟随波浪做上下往复运动，此时位于第一线圈槽内部的动子线圈在固定的磁场做往复运动，感应出电动势。引入多自由度电机可同时采集旋转运动和直线运动，将其转化成电能，且互不干扰，具有结构紧凑的优势。
通过设置齿轮箱，由于齿轮箱内部设有增速齿轮和减速齿轮，当海面风力过小时，风力机的转速较低，可以通过增速齿轮的作用来增大转速，保证多自由度发电装置的旋转部分有一个有效的输出，当风力过大时，风力机的转速过高，可以通过减速齿轮来降低转速，避免电机超负荷。
通过设置动子，当波浪上下起伏运动时，由于第三轴承的内环固定连接在固定棒的外圆壁面，从而使波浪在冲击浮筒时，动子通过浮筒可做上下往复运动，通过设置浮筒与动子，由于浮筒顶面开设有套接孔，下端盖活动套设在套接孔的内部，从而使套接孔与动子可以把下端盖顶端的设备包裹，有效的避免了波浪冲击设备，从而提高了该发电装置的安全系数。
通过设置第一限位块与第二限位块，由于第一限位块和第二限位块均连接在固定棒的外圆壁面，其中第一限位块连接在浮筒低端的位置，从而使浮筒在做上下往复运动时，第一限位块可以避免浮筒与底座贴合在一起，从而便于使波浪从浮筒的底面流动带动浮筒做上下移动，由于第二限位块与套接孔活动套设，从而避免波浪过大，浮筒在做上下往复运动时浮筒撞击到下端盖，从而对下端盖顶面的设备造成损伤。
附图说明
图1是本发明立体结构示意图；
图2是本发明整体剖视结构示意图；
图3是本发明主轴顶面的剖视结构示意图；
图4是本发明固定棒结构示意图；
图5是本发明浮筒结构示意图；
图6是本发明动子的半剖结构示意图；（多自由度电机半剖结构示意图）
图7是本发明主轴的半剖结构示意图。（多自由度电机旋转部分半剖结构示意图）
附图标记：1、底座；2、固定棒；3、蜗轮蜗杆机构；4、连接轴；5、齿轮箱；6、风力机；7、保护壳；8、主轴；9、浮筒；10、套接孔；11、限位孔；12、滑动轴承；13、固定槽；14、第一轴承；15、动子；16、上端盖；17、上盖孔；18、第二轴承；19、下端盖；20、下盖孔；21、第三轴承；22、外定子；23、隔磁环；24、第一线圈槽；25、动子线圈；26、内定子；27、转子；28、第二线圈槽；29、转子线圈；30、第一限位块；31、第二限位块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
参考图1和图2，一种基于Halbach阵列的风浪结合多自由度发电装置，包括底座1，底座1的顶面固定连接有固定棒2，底座1的顶面设置有齿轮箱5，齿轮箱5的输入端连接有风力机6，风力机6是水平轴式风力机，同样地也可以采用垂直轴式风力机，齿轮箱5内部设有增速齿轮和减速齿轮，当海面风力过，风力机6在转速较低时，可以通过增速齿轮的作用来增大转速，保证多自由度电机的旋转部分有一个有效的输出，当风力过大时，风力机6的转速过高，可以通过减速齿轮来降低转速，避免电机超负荷，底座1的顶面设置有浮筒9，浮筒9为中空圆柱形结构，连接轴4固定连接在齿轮箱5的输出端，固定棒2的顶面设置有多自由度发电机，用于发电，浮筒9的顶端设置有连接组件，用于连接多自由度发电机。
参考图3、图6和图7，多自由度发电机包括固定槽13，固定槽13开设在固定棒2的顶面，第一轴承14固定连接在固定槽13的内圆壁面，主轴8固定连接在第一轴承14内环的内圆壁面，转子27连接在主轴8的外圆壁面，第二线圈槽28开设在转子27的外圆壁面，第二线圈槽28的内部固定连接有转子线圈29，转子27的外圆壁面活动套设有内定子26，内定子26和转子27组成多自由度电机的旋转运动单元，磁环23固定套设在内定子26的外圆壁面，隔磁环23的外圆壁面与外定子22的内圆壁面固定连接在一起，通过设置隔磁环23，隔磁环23可以将内定子26与外定子22隔开，使内定子26永磁阵列和外定子22永磁阵列产生的磁场互不干扰；动子15活动套设在外定子22的外圆壁面，第一线圈槽24开设在动子15的内圆壁面，第一线圈槽24的内部连接有动子线圈25，外定子22和动子15组成多自由度电机的直线运动单元。
参考图4和图5，连接组件包括套接孔10，套接孔10设置在浮筒9的顶面，浮筒9的底面开设有限位孔11，限位孔11与固定棒2活动套设，浮筒9通过限位孔11设置在底座1的顶面，限位孔11的内圆壁面连接有滑动轴承12，滑动轴承12内环的内圆壁面与固定棒2的外圆壁面固定连接，浮筒9的顶端连接有动子15，多自由度发电机的连接组件还包括蜗轮蜗杆机构3，蜗轮蜗杆机构3设置在底座1的顶面，蜗轮蜗杆机构3的输入端与连接轴4远离齿轮箱5的一端固定连接在一起，蜗轮蜗杆机构3的输出端与主轴8的顶端固定连接在一起，蜗轮蜗杆机构3通过主轴8设置在底座1的顶面，齿轮箱5通过蜗轮蜗杆机构3设置在底座1的顶面，固定棒2的顶面设置有支撑件，用于对多自由度发电组件进行支撑。
参考图6和图7，支撑件包括下端盖19，下端盖19设置在底座1的顶面，下端盖19的顶端与隔磁环23的底面固定连接在一起，下盖孔20开设在下端盖19的顶端，下端盖19的内圆壁面固定连接有第三轴承21，第三轴承21外环的底端与固定棒2的顶端固定连接在一起，上端盖16固定连接在隔磁环23的顶端，上端盖16的顶端开设有上盖孔17，上盖孔17的内部固定连接有第二轴承18，第二轴承18外环的顶端固定连接有保护壳7，保护壳7的顶端与蜗轮蜗杆机构3的底面连接，主轴8与第二轴承18的内环活动套设，第一限位块30连接在固定棒2的外圆壁面，第二限位块31连接在固定棒2的外圆壁面，第二限位块31与套接孔10活动套设，多自由度发电机旋转运动单元采用8极12槽的极槽配合结构，内定子26的圆周上布置8个磁极，在转子27的轴向圈槽中布置12个转子线圈绕组；直线运动单元采用8极9槽的极槽配合结构，外定子22的轴向上布置8个磁极，在动子15的径向圈槽中布置9个动子线圈绕组；同时，多自由度电机的旋转、直线部分根据发电功率的需求也可以选用其他的极槽配合结构，比如：4极5槽、8极10槽、9极12槽等，其中内定子26沿圆周方向布置的Halbach永磁阵列，在Halbach阵列中径向充磁的永磁体产生径向的磁感线，也是在Halbach阵列中起主要作用的部分；充磁方向与径向垂直的永磁体主要起辅助作用，在它的作用下气隙侧的磁场强度被加强，而与气隙相对的那一侧磁场被削弱；引入Halbach永磁阵列提高了气隙磁场的强度，增大电机的功率密度，同样地，外定子22也是采用此结构，如内定子26只是在轴向上布置Halbach永磁阵列，在此不再一一赘述。
工作原理：请参考图1-图7所示，通过设置风力机6，在风力的作用下，风力机6通过齿轮箱5可带动蜗轮蜗杆机构3进行转动，蜗轮蜗杆机构3通过主轴8可带动转子27做旋转运动，此时位于第二线圈槽28内部的转子线圈29在固定的磁场做旋转运动，感应出电动势。
通过设置动子15，在波浪的作用下，动子15可跟随波浪做上下往复运动，此时位于第一线圈槽24内部的动子线圈25在固定的磁场做往复运动，感应出电动势。
通过设置齿轮箱5，由于齿轮箱5内部设有增速齿轮和减速齿轮，当海面风力过小时，风力机6的转速较低，可以通过增速齿轮的作用来增大转速，保证多自由度发电装置的旋转部分有一个有效的输出，当风力过大时，风力机6的转速过高，可以通过减速齿轮来降低转速，避免电机超负荷。
通过设置动子15，当波浪流动在撞击动子15时，由于第三轴承21的内环固定连接在固定棒2的外圆壁面，从而使波浪在冲击动子15时，动子15通过浮筒9可做上下往复运动，通过设置浮筒9与动子15，由于浮筒9顶面开设有套接孔10，下端盖19活动套设在套接孔10的内部，从而使套接孔10与动子15可以把下端盖19顶端的设备包裹，有效的避免了波浪冲击设备，从而提高了该发电装置的安全系数。
通过设置第一限位块30与第二限位块31，由于第一限位块30和第二限位块31均连接在固定棒2的外圆壁面，其中第一限位块30连接在浮筒9低端的位置，从而使浮筒9在做上下往复运动时，第一限位块30可以避免浮筒9与底座1贴合在一起，从而便于使波浪从浮筒9的底面流动带动浮筒9做上下移动，由于第二限位块31与套接孔10活动套设，从而避免波浪过大，浮筒9在做上下往复运动时浮筒9撞击到下端盖19，从而对下端盖19顶面的设备造成损伤。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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