一种轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置

1.本发明涉及毫瓦级水力发电技术领域，具体涉及一种轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置。


背景技术：

2.远程无线传感器节点对人们的生产生活具有重要意义，它可以利用无线电通讯技术，对远离电网的待监控对象的各参数进行遥测、遥讯，可以帮助人们及时掌握待监控对象的状态，更好的为人们服务，减少各种损失。例如可以遥测水资源质量、进行森林火险、峡谷微气象状况、洪水状况等的实时监测，起到及时警报、甚至预报作用，减少森林火险的几率、降低峡谷洪水带来的不利影响，从而更好的保障人民生命财产安全。
3.但电力的供应是制约远程无线传感器节点广泛运用的主要因素。远程无线传感器节点的供电一般采用干电池、蓄电池、光伏电池组合蓄电池等供电手段，采用微水力发电、波浪发电、风力发电、水流发电、振动发电等供电手段的不多。
4.远程无线传感器节点的电力主要用于传感器供电和数据无线通讯。当负载耗电极少、节点数量少的场合下，干电池或者蓄电池具有快速开发的优势。但干电池及蓄电池需要定期或者电量显著降低后及时更换，或者及时充电，而且干电池续航能力总有一定限度，也不环保。光伏电池组合蓄电池在阳光充足的地区要好一些，但在阴雨天较多、夜间时间较长的地区，供电效果也不理想。
5.远程无线传感器节点的供电，普遍认为应该因地制宜，应充分开发利用节点附近的最易获得的能源及时补充远程无线传感器节点。比如，几米高度水头、手指粗细的径流在某些森林、山涧常年可见。但当前的微水发电效率普遍较低，装机容量越低，摩擦损耗相对占比就越高、发电效率就更低。特别对于手指粗细、仅几米水头的径流，开发成本高、效率极低，人们普遍认为没有开发的价值。如果能在某些关键的地方对附近的几米水头、几毫米粗细的径流能量进行采集，为远程无线传感器节点供电，用以监测森林火险、局部气象、边坡位移、甚至人畜活动，将极大的降低森林、地震、泥石流、边境线等管理的难度，同时提高管理水平。
6.为了提高对微水发电的换能效率，目前已开发了几种磁悬浮的水力发电机。申请号为cn201220544617.6的专利申请给出了一种磁悬浮水力发电机，转轮通过皮带轮连接电机发电，但由于皮带轮有摩擦，效率不高，而且转子着陆不方便。申请号为cn201310358998.8的专利申请公开了一种磁悬浮水轮发电机，但由于采用的是轴流式水轮机，轴向具有较大推力，必须使用包含电磁的混合磁悬浮才能保证转轮完全悬浮，所以结构复杂成本高，有额外电能消耗、成本高。申请号为cncn201510930468.5的专利申请给出了一种径向永磁悬浮冲击式直联微水发电机，其采用径向磁悬浮技术，极大的减少了转子的摩擦损耗，提高了电能转化效率，但是在实际开发试验中发现，由于刚性主轴与发电机装置框架两者之间的热膨胀系数具有一定差异，因而导致摩擦和磁悬浮效果或多或少受到天气温度的影响而不稳定。
7.为了对某些远程无线传感器节点提供可靠微电力，有必要开发一种低成本、可以把手指粗细、仅几米高水头的径流水力能转化为能实际应用的高效、毫瓦级的发电装置。


技术实现要素：

8.针对现有毫瓦级水力发电装置存在结构复杂、成本高、能量转化率低的技术问题，本发明提供一种轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
10.一种轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，包括机架，所述机架上通过上张紧装置和下紧固装置竖直张紧有细轴，所述细轴的中下段固定连接有下永磁环，所述下永磁环的上下两侧同轴设置有发电机转子和水轮转子，所述发电机转子和水轮转子的相对面一体连接有转子支筒，所述发电机转子和水轮转子的空心中轴上分别紧固穿接有不锈钢套筒，所述不锈钢套筒密切套设于细轴上并可自由转动，伸出所述发电机转子下端面的不锈钢套筒周向表面外紧固套接有上永磁环，所述上永磁环和下永磁环的同磁极相对配置通过同极性排斥力实现发电机转子和水轮转子的轴向永磁悬浮，所述发电机转子上周向均匀设置有偶数个永磁体；所述机架上还固定设置有定子固定螺丝和喷嘴，所述定子固定螺丝下端固定连接有无铁心式绕线定子，所述绕线定子下端面与发电机转子上端面之间气隙配合，所述喷嘴的出水口端水射流的中心轴线与水轮转子的水斗节圆相切。
11.与现有技术相比，本发明提供的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置具有以下优点：1、采用永磁体发电机转子和无铁心式绕线定子，合二为一，简化结构，提高装置可靠性，可通过较短的压力管道将几米高水头的水引入喷嘴，驱动水轮转子和发电机转子转动实现发电；2、采用竖直张紧的细轴作为中心固定轴，水轮转子和发电机转子作为外转子竖直布置，该外转子在轴向永磁悬浮的作用下，自重被磁悬浮抵消，极大的减小了细轴与不锈钢套筒的滑动摩擦力和摩擦转矩，极低速的水射流就可驱动转子旋转发电，提高了发电效率；3、由于以细轴作为中心固定轴，因此减小了轴上摩擦力的力臂，减少了摩擦损耗，并且利用永磁体磁极的同性互斥，实现转子的磁悬浮进一步减小摩擦损耗，采用永磁体作为发电机转子磁极，可实现免日常维护；4、由于该发电装置仅为远程无线传感器节点供电，因而装机容量极小，转子极轻，对细轴的摩擦也极小，保证了能量转化的高效，延长了发电机的使用寿命，同时其可实现免日常维护，电机成本和运行成本低，特别适合毫瓦级微水资源的发电。
12.进一步，所述机架包括相对配置的上平框和下平框，所述上平框和下平框之间从前往后依次固定连接有前竖框、中竖框和后竖框，所述细轴、定子固定螺丝和喷嘴固定设置在中竖框上。
13.进一步，所述细轴的上端通过上张紧装置安装在机架上，所述上张紧装置包括固定套接于细轴上端的张紧空心螺栓，所述张紧空心螺栓的外周表面螺纹连接有锁紧螺母，所述锁紧螺母下端的张紧空心螺栓外周表面和机架上端面所在的细轴上各套接有一个平垫，两个平垫之间套接有强力压缩弹簧。
14.进一步，所述细轴的下端通过下紧固装置安装在机架上，所述下紧固装置为空心套管，所述空心套管固定套接于细轴下端且空心套管上端与机架底部接触。
15.进一步，所述细轴选用钼丝。
16.进一步，所述下永磁环的下端面与水轮转子的空心轴上端面接触，且所述空心轴可相对于下永磁环自由转动。
17.进一步，所述发电机转子上周向均匀设置有两个永磁体，每个永磁体端面充磁，所述两个永磁体的磁极方向一致并与细轴上的下永磁环呈上下相互排斥状态。
18.进一步，所述发电机转子上周向均匀设置有除两个以外的其他偶数个永磁体，每个永磁体端面充磁，每相邻两个永磁体的磁极方向正好相反。
19.进一步，所述发电机转子上周向均匀设置的永磁体为钕铁硼永磁体。
20.进一步，所述水轮转子的水斗由形状对称的上弧形凹腔和下弧形凹腔固定连接组成，所述上弧形凹腔和下弧形凹腔的横截面为双u形，所述喷嘴的出水口中心正对上弧形凹腔和下弧形凹腔的弧形分界线。
附图说明
21.图1是本发明提供的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置右侧视结构示意图。
22.图2是图1省略部分机架和转子支筒后的结构示意图。
23.图3是本发明提供的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置省略部分机架和转子支筒后的主视结构示意图。
24.图4是本发明提供的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置省略部分机架和转子支筒后的仰视结构示意图。
25.图中，1、机架；101、上平框；102、下平框；103、前竖框；104、中竖框；105、后竖框；2、上张紧装置；21、张紧空心螺栓；22、锁紧螺母；23、平垫；24、强力压缩弹簧；3、下紧固装置；4、细轴；5、下永磁环；6、发电机转子；7、水轮转子；71、上弧形凹腔；72、下弧形凹腔；8、转子支筒；9、不锈钢套筒；10、上永磁环；11、永磁体；12、定子固定螺丝；13、喷嘴；14、绕线定子。
具体实施方式
26.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“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的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。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中的具体含义。
29.请参考图1至图4所示，本发明提供一种轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，包括机架1，所述机架1上通过上张紧装置2和下紧固装置3竖直张紧有细轴4，即所述细轴4
的两端通过上张紧装置2和下紧固装置3竖直拉紧安装在机架1上，使所述细轴4成为一根极细的刚性主轴，所述细轴4的中下段固定连接有下永磁环5，所述下永磁环5的上下两侧同轴设置有发电机转子6和水轮转子7，所述发电机转子6和水轮转子7的相对面一体连接有转子支筒8，由此使得所述发电机转子6和水轮转子7之间通过转子支筒8形成一个密闭空腔，通过密闭空腔可使其具有一定的防水能力，并同时让所述细轴4上的水轮转子7和发电机转子6同轴一体即作为一个整体，转动惯量小，可以提高转速、降低细轴与转子轴套间的摩擦与磨损，所述发电机转子6和水轮转子7的空心中轴上分别紧固穿接有不锈钢套筒9，所述不锈钢套筒9密切套设于细轴4上并可自由转动，所述不锈钢套筒9也可以采用低成本的人造打孔红宝石替代，伸出所述发电机转子6下端面的不锈钢套筒9周向表面外紧固套接有上永磁环10，所述上永磁环10和下永磁环5的同磁极相对配置通过同极性排斥力实现发电机转子6和水轮转子7的轴向永磁悬浮，即所述发电机转子6和水轮转子7组成的共轴转子可通过上下永磁环的同极性排斥力实现磁悬浮功能，所述发电机转子6上周向均匀设置有偶数个永磁体11；所述机架1上还固定设置有定子固定螺丝12和喷嘴13，所述定子固定螺丝12下端固定连接有无铁心式绕线定子14，所述绕线定子14下端面与发电机转子6上端面之间气隙配合，并且该气隙极小，所述喷嘴13的出水口端水射流的中心轴线与水轮转子7的水斗节圆相切，由此当喷嘴13来水时，喷嘴13喷射出来的高压水射流能使水轮转子7保持在一个相对稳定的位置，保证了水轮转子7较为平衡的受力以及高效的水流利用区间。具体所述喷嘴13可以设置一个，也可以细轴4为对称中心设置多个，使各喷嘴13喷出的多支水射流对细轴1的弯矩矢量合接近零，即相互抵消，由此更能增大细轴4的刚性、减少不锈钢套筒9与细轴4之间的接触力，降低滑动摩擦力，进一步降低相互磨损和摩擦损耗，提高换能效率。
30.与现有技术相比，本发明提供的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置具有以下优点：1、采用永磁体发电机转子和无铁心式绕线定子，合二为一，简化结构，提高装置可靠性，可通过较短的压力管道将几米高水头的水引入喷嘴，驱动水轮转子和发电机转子转动实现发电；2、采用竖直张紧的细轴作为中心固定轴，水轮转子和发电机转子作为外转子竖直布置，该外转子在轴向永磁悬浮的作用下，自重被磁悬浮抵消，极大的减小了细轴与不锈钢套筒的滑动摩擦力和摩擦转矩，极低速的水射流就可驱动转子旋转发电，提高了发电效率；3、由于以细轴作为中心固定轴，因此减小了轴上摩擦力的力臂，减少了摩擦损耗，并且利用永磁体磁极的同性互斥，实现转子的磁悬浮进一步减小摩擦损耗，采用永磁体作为发电机转子磁极，可实现免日常维护；4、由于该发电装置仅为远程无线传感器节点供电，因而装机容量极小，转子极轻，对细轴的摩擦也极小，保证了能量转化的高效，延长了发电机的使用寿命，同时其可实现免日常维护，电机成本和运行成本低，特别适合毫瓦级微水资源的发电。
31.作为具体实施例，请参考图1所示，所述机架1包括相对配置的上平框101和下平框102，所述上平框101和下平框102之间从前往后依次固定连接有前竖框103、中竖框104和后竖框105，所述细轴4、定子固定螺丝12和喷嘴13固定设置在中竖框104上。当然，本领域技术人员在前述机架组成的基础上，还可以采用其他的结构来实现。
32.作为具体实施例，请参考图2和图3所示，所述细轴4的上端通过上张紧装置2安装在机架1上，所述上张紧装置2包括固定套接如焊接于细轴4上端的张紧空心螺栓21，所述张紧空心螺栓21的外周表面螺纹连接有锁紧螺母22，所述锁紧螺母22下端的张紧空心螺栓21
外周表面和机架1上端面所在的细轴4上各套接有一个平垫23，两个平垫23之间套接有强力压缩弹簧24，由此通过调节所述锁紧螺母22在张紧空心螺栓21上的相对位置，并利用强力压缩弹簧24的弹性力，可以对所述细轴4进行强力拉紧、拉直，使之成为一根极细的刚性主轴。
33.作为具体实施例，请参考图4所示，所述细轴4的下端通过下紧固装置3安装在机架1上，所述下紧固装置3为空心套管，所述空心套管固定套接如焊接于细轴4下端且空心套管上端与机架1底部接触，由此通过与上张紧装置2配合将细轴4拉紧拉直。
34.作为具体实施例，所述细轴4选用极细高强度钼丝，上下采用紧固装置可以保证极细轴绷紧、竖直，而高强度钼丝具有不导磁、抗磨性能良好的特点。
35.作为具体实施例，请参考图2和图3所示，所述下永磁环5的下端面与水轮转子7的空心轴上端面接触，且所述空心轴可相对于下永磁环自由转动，由此可以起到限位作用，使得空心轴上端面被限位，防止水轮转子7和发电机转子6整体可能的上窜，杜绝发电机转子6上端面与绕线定子14下端面之间发生碰撞，保证转子与定子安全。
36.作为一种具体实施例，请参考图2和图4所示，所述发电机转子6采用盘式电机结构，所述发电机转子6上周向均匀设置有两个永磁体11，每个永磁体11端面充磁，所述两个永磁体11的磁极方向一致并与细轴4上的下永磁环5呈上下相互排斥状态。
37.作为另一种具体实施例，所述发电机转子6采用盘式电机结构，所述发电机转子6上周向均匀设置有除两个以外的其他偶数如四、六、八个永磁体11，每个永磁体11端面充磁，每相邻两个永磁体11的磁极方向正好相反，由此可以提高发电机转子6的径向永磁悬浮力。
38.作为具体实施例，所述发电机转子6上周向均匀设置的永磁体11为钕铁硼永磁体，由此可以使得发电机转子6在旋转过程中绕线定子14能最大限度切割磁力线，发电效率极高。
39.作为具体实施例，请参考图2和图3所示，所述水轮转子7的水斗由形状对称的上弧形凹腔71和下弧形凹腔72固定连接组成，所述上弧形凹腔71和下弧形凹腔72的横截面为双u形，符合水力学特性，所述喷嘴13的出水口中心正对上弧形凹腔71和下弧形凹腔72的弧形分界线(又叫分水刀)，由此通过压力管道将水引入喷嘴13后，采用极低的水射流就可以冲击水轮转子7上水斗驱动转子转动实现发电。
40.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，包括机架，所述机架上通过上张紧装置和下紧固装置竖直张紧有细轴，所述细轴的中下段固定连接有下永磁环，所述下永磁环的上下两侧同轴设置有发电机转子和水轮转子，所述发电机转子和水轮转子的相对面一体连接有转子支筒，所述发电机转子和水轮转子的空心中轴上分别紧固穿接有不锈钢套筒，所述不锈钢套筒密切套设于细轴上并可自由转动，伸出所述发电机转子下端面的不锈钢套筒周向表面外紧固套接有上永磁环，所述上永磁环和下永磁环的同磁极相对配置通过同极性排斥力实现发电机转子和水轮转子的轴向永磁悬浮，所述发电机转子上周向均匀设置有偶数个永磁体；所述机架上还固定设置有定子固定螺丝和喷嘴，所述定子固定螺丝下端固定连接有无铁心式绕线定子，所述绕线定子下端面与发电机转子上端面之间气隙配合，所述喷嘴的出水口端水射流的中心轴线与水轮转子的水斗节圆相切。2.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述机架包括相对配置的上平框和下平框，所述上平框和下平框之间从前往后依次固定连接有前竖框、中竖框和后竖框，所述细轴、定子固定螺丝和喷嘴固定设置在中竖框上。3.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述细轴的上端通过上张紧装置安装在机架上，所述上张紧装置包括固定套接于细轴上端的张紧空心螺栓，所述张紧空心螺栓的外周表面螺纹连接有锁紧螺母，所述锁紧螺母下端的张紧空心螺栓外周表面和机架上端面所在的细轴上各套接有一个平垫，两个平垫之间套接有强力压缩弹簧。4.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述细轴的下端通过下紧固装置安装在机架上，所述下紧固装置为空心套管，所述空心套管固定套接于细轴下端且空心套管上端与机架底部接触。5.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述细轴选用钼丝。6.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述下永磁环的下端面与水轮转子的空心轴上端面接触，且所述空心轴可相对于下永磁环自由转动。7.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述发电机转子上周向均匀设置有两个永磁体，每个永磁体端面充磁，所述两个永磁体的磁极方向一致并与细轴上的下永磁环呈上下相互排斥状态。8.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述发电机转子上周向均匀设置有除两个以外的其他偶数个永磁体，每个永磁体端面充磁，每相邻两个永磁体的磁极方向正好相反。9.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述发电机转子上周向均匀设置的永磁体为钕铁硼永磁体。10.根据权利要求1所述的轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，其特征在于，所述水轮转子的水斗由形状对称的上弧形凹腔和下弧形凹腔固定连接组成，所述上弧形凹腔和下弧形凹腔的横截面为双u形，所述喷嘴的出水口中心正对上弧形凹腔和下弧形凹腔的弧形分界线。

技术总结
本发明提供一种轴向永磁悬浮冲击式毫瓦水力发电装置，包括机架，机架上通过紧固装置竖直拉紧有细轴，细轴中下段固定有下永磁环，下永磁环上下两侧同轴设置有发电机转子和水轮转子，两转子的相对面一体连接有转子支筒，两转子的空心中轴上分别紧固穿接有套设于细轴上的不锈钢套筒，发电机转子下端面的不锈钢套筒周向表面外套接有上永磁环，上下永磁环的同磁极相对配置通过同极性排斥力实现发电机转子和水轮转子的轴向永磁悬浮，发电机转子上周向均匀设置有偶数个永磁体，机架上还固定设置有定子固定螺丝和喷嘴，定子固定螺丝下端固定有无铁心式绕线定子，喷嘴出水口端水射流的中心轴线与水轮转子的水斗节圆相切。本装置结构简单，发电效率高。发电效率高。发电效率高。


技术研发人员：古亮 王杰 刘锦涛 李浩铭 熊晨果 张峻齐 李金荣 胡晓倩 刘异婷 杨捷 贺娟 肖鹏程 李山
受保护的技术使用者：重庆理工大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/3