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一种环形通道液态金属磁流体发电机

阅读：171发布：2020-05-16

专利汇可以提供一种环形通道液态金属磁流体发电机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种环形通道液态金属磁流体发电机，其环形磁流体发电通道(2)穿过磁体环形磁孔(1-3)；磁流体通道过渡段(6-1、6-2)对称连接在环形磁流体发电通道(2)两端。第一磁流体通道过渡段(6-1)的另一端和第一活塞缸(7-1)连接，第二磁流体通道过渡段(6-2)的另一端和第二活塞缸(7-2)连接。第一活塞缸(7-1)内同轴布置有第一活塞(8-1)，第二活塞缸(7-2)内同轴布置有第二活塞(8-2)。活塞和活塞缸、磁流体通道过渡段，以及环形磁流体发电通道(2)形成一个密闭的连通空间，连通空间内充满液态金属(9)。液态金属(9)在环形磁流体发电通道(2)沿轴向流动，切割径向磁力线，产生切向的感应电流。，下面是一种环形通道液态金属磁流体发电机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：所述的发电机由磁体外磁极(1-1)、内磁极(1-2)、环形磁孔(1-3)，环形磁流体发电通道(2)，第一稳流圆锥体(3-1)、第二稳流圆锥体(3-2)，第一平板电极(4-1)、第二平板电极(4-2)，电极绝缘层(5)，第一磁流体通道过渡段(6-1)、第二磁流体过渡段(6-2)，第一活塞缸(7-1)、第二活塞缸(7-2)，第一活塞(8-1)、第二活塞(8-2)，以及液态金属(9)组成；环形磁流体发电通道(2)穿过磁体环形磁孔(1-3)；第一磁流体通道过渡段(6-1)和第二磁流体通道过渡段(6-2)对称连接在环形磁流体发电通道(2)的两端，第一磁流体通道过渡段(6-1)的另一端和第一活塞缸(7-1)连接，第二磁流体通道过渡段(6-2)的另一端和第二活塞缸(7-2)连接；第一活塞缸(7-1)内同轴布置有第一活塞(8-1)，第二活塞缸(7-2)内同轴布置有第二活塞(8-2)；第一活塞(8-1)、第二活塞(8-2)、第一活塞缸(7-1)、第二活塞缸(7-2)、第一磁流体通道过渡段(6-1)、第二磁流体通道过渡段(6-2)，以及环形磁流体发电通道(2)形成一个密闭的连通空间，所述连通空间内充满液态金属(9)；液态金属(9)在环形磁流体发电通道(2)沿轴向流动，切割磁力线，磁场方向为径向，产生切向的感应电流。
2.按权利要求1所述的环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：磁体由外磁极(1-1)、内磁极(1-2)和环形磁孔(1-3)组成，在环形磁孔(1-3)内产生轴对称的径向均匀磁场；环形磁孔(1-3)位于外磁极(1-1)和内磁极(1-2)之间，由圆环形的外磁极(1-1)及与外磁极同轴布置的圆环形内磁极(1-2)构成；内磁极(1-2)的轴向两端分别与第一稳流圆锥体(3-1)和第二稳流圆锥体(3-2)固连。
3.按权利要求1所述的环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：环形磁流体发电通道(2)穿过磁体的环形磁孔(1-3)；环形磁流体发电通道(2)内中心位置沿径向均匀固定m个非导磁非导电的圆杆形支架(10)，m>1；支架(10)沿环形磁流体发电通道(2)径向伸出，支架(10)的两端分别固定在外磁极(1-1)和内磁极(1-2)上；环形磁流体发电通道(2)的径向截面为环形，沿径向内置有第一平板电极(4-1)和第二平板电极(4-2)；环形磁流体发电通道(2)的轴向两端对称连接第一磁流体通道过渡段(6-1)和第二磁流体过渡段(6-2)；环形磁流体发电通道(2)采用非导磁非导电材料制作。
4.按权利要求1所述的环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：第一平板电极(4-1)和第二平板电极(4-2)沿径向固定在环形磁流体发电通道(2)内，第一平板电极(4-1)和第二平板电极(4-2)的宽度均与环形磁流体发电通道(2)的径向宽度相等，第一平板电极(4-1)和第二平板电极(4-2)的轴向长度与环形磁流体发电通道(2)的轴向长度相等；两个平板电极均有一面与液态金属(9)接触，为与液态金属(9)的接触面；两个平板电极与液态金属(9)形成第一平板电极(4-1)—液态金属(9)—第二平板电极(4-2)的环形电流导通路径；第一平板电极(4-1)和第二平板电极(4-2)相向的两个与液态金属(9)的非接触面之间设置有电极绝缘层(5)，且两个非接触面的径向夹角α<10°；电极(5)采用导电材料制作。
5.按权利要求1所述的环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：电极绝缘层(5)的径向截面为扇形，电极绝缘层(5)位于第一平板电极(4-1)和第二平板电极(4-2)的两个与液态金属(9)非接触面之间；电极绝缘层(5)采用非导磁非导电材料制作。
6.按权利要求1所述的环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：第一稳流圆锥体(3-1)和第二稳流圆锥体(3-2)采用非导磁非导电材料制作，对称固连在磁体内磁极(1-2)的轴向两端部；第一稳流圆锥体(3-1)和第二稳流圆锥体(3-2)连同磁体的内磁极(1-2)形成一个内柱圆锥体。
7.按权利要求1所述的环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：第一磁流体通道过渡段(6-1)位于环形磁流体发电通道(2)与第一活塞缸(7-1)之间，第二磁流体通道过渡段(6-2)位于环形磁流体发电通道(2)与第二活塞缸(7-2)之间；第一磁流体通道过渡段(6-1)的两端分别与环形磁流体发电通道(2)和第一活塞缸(7-1)连接，第二磁流体通道过渡段(6-2)的两端分别与环形磁流体发电通道(2)和第二活塞缸7-2相连；从活塞缸(7)端到环形磁流体发电通道(2)端，磁流体通道过渡段(6)的径向截面从圆形变为圆环形，磁流体通道过渡段(6)径向截面的半径逐渐变小，靠近环形磁流体发电通道(2)端的磁流体通道过渡段(6)径向截面的半径最小；磁流体通道过渡段(6)采用绝缘材料制作。
8.按权利要求1所述的环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：第一活塞缸(7-1)和第二活塞缸(7-2)均为圆柱形，第一活塞缸(7-1)内同轴布置有能够上下移动的第一活塞(8-1)，第二活塞缸(7-2)内同轴布置有能够上下移动的第二活塞(8-2)；第一活塞缸(7-1)、第二活塞缸(7-2)、第一活塞(8-1)和第二活塞(8-2)均采用绝缘材料制作。
9.按权利要求1所述的环形通道液态金属磁流体发电机，其特征在于：液态金属(9)为低熔点金属或合金，所述的低熔点金属或合金是指熔点低于232℃的易熔金属或合金。

说明书全文

一种环形通道液态金属磁流体发电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种液态金属磁流体发电机，特别涉及一种采用环形发电通道的液态金属磁流体发电机。

背景技术

[0002] 新型液态金属磁流体(Liquid Metal Magnetohydrodynamics，LMMHD)发电机采用交替外力，如汽车内燃力和波浪力，直接驱动液态金属在发电通道内往复直线运动，切割磁力线，产生交流电能。与传统LMMHD发电系统相比，如两相流发电系统和单相流发电系统，新型LMMHD发电机采用直接驱动和单相的液态金属发电工质，无需额外的能量和设备来维持工作流体良好的导电性，结构简单，功率密度大，效率高，因此在混合动力汽车、分布式供电电源和波浪能直接发电系统中有广泛的应用前景。

[0003] 新型LMMHD发电机的发电通道一般为矩形，其负载电压UL＝Bubk，负载电流IL＝BuaLσ(1-k)，发电机内阻Rg＝b/(aLσ)，B为外加磁场强度，u为发电通道内液态金属的平均速度，b为电极间距，a为电极宽度(即有效磁间距)，L为电极长度，σ为液态金属电6 1
导率，RL为负载电阻，k＝RL/(RL+Rg)为负载系数。液态金属的电导率为10S/m；u为10m/-1 -1 0 0 -5 -6 5 7
s，a和b通常为10 m，L为10 ～10 m，B为10T，则Rg为10 ～10 Ω，IL为10 ～10 A，
0
UL为10 V。因而，新型LMMHD发电机具有低电压、大电流的输出特性，远不同于传统发电机的输出特性。

[0004] 对于用电设备，如水下机器人、各种传感器和声呐设备，需要稳定的DC或AC，工作0 2 0 2
电压一般为10～10 V，工作电流为10～10 A；内阻都在欧姆级甚至更高，与新型LMMHD发电机的内阻极不匹配，需要通过电能变换系统，将其输出的低压、大电流的交流电能转换成用户需要的稳定电能。然而，目前电力电子器件的最低导通电压约为0.7V，能导通的最大电流为8320A，远不能满足直接对新型LMMHD发电机的输出进行电能变换的要求。一方面，需针对新型LMMHD发电机的输出特性研发相应的新型电力电子器件；另一方面，需对新型LMMHD发电机进行优化设计以提高输出电压、降低输出电流，满足目前电力电子器件的性能。

[0005] 中国专利200610144400.5采用双通道、美国专利0146140A1采用多通道发电单元串联的方式来增加发电机内阻和输出电压、降低输出电流。然而，多个发电通道串联不仅增大了发电装置的体积、成本和造价，而且增大了接触电阻和接线的电压损耗，提高输出电压的能力十分有限。此外，多个发电单元输出的同步性也是随之而来的问题。

发明内容

[0006] 为克服现有技术的缺点，本发明提出一种环形通道液态金属磁流体发电机。环形通道液态金属磁流体发电机采用径向截面为环形的通道结构，结合径向均匀磁场和液态金属的轴向方向流动，以提高发电机内阻和输出电压，即降低低电压、大电流的交流电到稳定可用电能的转换难度；并避免因多通道串联所带来的接触电阻和接线损耗变大等问题；降低装置的加工难度和造价。

[0007] 本发明的目的通过以下技术方案实现。

[0008] 本发明的环形通道液态金属磁流体发电机由磁体外磁极、内磁极、环形磁孔，环形磁流体发电通道，第一稳流圆锥体、第二稳流圆锥体，第一平板电极、第二平板电极，电极绝缘层，第一磁流体通道过渡段、第二磁流体过渡段，第一活塞缸、第二活塞缸，第一活塞、第二活塞，以及液态金属组成；环形磁流体发电通道穿过磁体环形磁孔；第一磁流体通道过渡段和第二磁流体通道过渡段对称连接在环形磁流体发电通道的两端，第一磁流体通道过渡段的另一端和第一活塞缸连接，第二磁流体通道过渡段的另一端和第二活塞缸连接；第一活塞缸内同轴布置有第一活塞，第二活塞缸内同轴布置有第二活塞；第一活塞、第二活塞、第一活塞缸、第二活塞缸、第一磁流体通道过渡段、第二磁流体通道过渡段，以及环形磁流体发电通道形成一个密闭的连通空间，所述连通空间内充满液态金属；液态金属在环形磁流体发电通道沿轴向流动，切割磁力线，磁场方向为径向，产生切向的感应电流。

[0009] 所述的磁体由外磁极、内磁极和环形磁孔组成，在环形磁孔内产生轴对称的径向均匀磁场。环形磁孔位于外磁极和内磁极之间，由圆环形的外磁极及与外磁极同轴布置的圆环形内磁极构成。内磁极的轴向两端分别与两个稳流圆锥体固连。

[0010] 环形磁流体发电通道穿过磁体的环形磁孔，环形磁流体发电通道内中心位置沿径向均匀固定m个非导磁非导电的圆杆形支架，m>1。所述的支架沿环形磁流体发电通道径向伸出，两端分别固定在内磁极和外磁极上。环形磁流体发电通道的径向截面为环形，沿径向内置有第一平板电极和第二平板电极。环形磁流体发电通道的轴向两端对称连接第一磁流体通道过渡段和第二磁流体过渡段。环形磁流体发电通道采用非导磁非导电材料制作。

[0011] 第一平板电极和第二平板电极沿径向固定在环形磁流体发电通道内，第一平板电极和第二平板电极的宽度均与环形磁流体发电通道的径向宽度相等，第一平板电极和第二平板电极的轴向长度与环形磁流体发电通道的轴向长度相等。两个平板电极均有一面与液态金属接触，为与液态金属的接触面。两个平板电极与液态金属形成第一平板电极—液态金属—第二平板电极的环形电流导通路径。第一平板电极和第二平板电极相向的两个与液态金属的非接触面之间设置有电极绝缘层，且两个非接触面的径向夹角α<10°。电极采用导电材料制作。

[0012] 电极绝缘层的径向截面为扇形，电极绝缘层位于第一平板电极和第二平板电极的两个与液态金属非接触面之间。电极绝缘层采用非导磁非导电材料制作。

[0013] 第一稳流圆锥体和第二稳流圆锥体采用非导磁非导电材料制作，对称固连在磁体内磁极的轴向两端部。第一稳流圆锥体和第二稳流圆锥体连同磁体的内磁极形成一个内柱圆锥体。

[0014] 第一磁流体通道过渡段位于环形磁流体发电通道与第一活塞缸之间，第二磁流体通道过渡段位于环形磁流体发电通道与第二活塞缸之间；第一磁流体通道过渡段的两端分别与环形磁流体发电通道和第一活塞缸连接，第二磁流体通道过渡段的两端分别与环形磁流体发电通道和第二活塞缸相连；从活塞缸端到环形磁流体发电通道端，磁流体通道过渡段的径向截面从圆形变为圆环形，磁流体通道过渡段径向截面的半径逐渐变小，靠近环形磁流体发电通道端的磁流体通道过渡段径向截面的半径最小；磁流体通道过渡段采用绝缘材料制作。

[0015] 第一活塞缸和第二活塞缸均为圆柱形，第一活塞缸内同轴布置有能够上下移动的第一活塞，第二活塞缸内同轴布置有能够上下移动的第二活塞；第一活塞缸、第二活塞缸、第一活塞和第二活塞均采用绝缘材料制作。

[0016] 液态金属为低熔点金属或合金，所述的低熔点金属或合金是指熔点低于232℃的易熔金属或合金。

[0017] 当往复外力，如汽车内燃力或波浪力推动第一活塞和第二活塞向另一端运动时，液态金属受到挤压将以速度v沿环形磁流体发电通道的轴线方向运动，切割磁力线。磁场方向为径向，根据右手定则，产生切向的感应电流I。通过第一平板电极和第二平板电极连接负载输出电能。

[0018] 本发明的环形通道液态金属磁流体发电机的内阻Rg1＝3.14(b-a)/aLσ，空载电压U1＝B×3.14(b-a)×v，b为环形通道外径，a为电极径向长度，即有效磁间距，b-2a为环形通道内径，3.14×(b-a)为电极间距，L为电极长度，其中，两个平板电极与液态金属的非接触面之间的夹角α<10°，因此，计算环形通道电极间距时忽略了电极所占的环形通道的空间，B为磁感应强度，v为环形通道内液态金属轴向速度，σ为液态金属电导率，U1为空载电压。相同有效磁间距、磁极宽度、电极长度和相同液态金属流速下，矩形截面液态金属磁流体发电机内阻Rg2＝b/(aLσ)，空载电压U2＝Bbv。由环形通道内径b-2a>0可得，Rg1/Rg2>1.57，U1/U2>1.57。

[0019] 可见，本发明采用径向截面为环形的通道结构，结合径向磁场和液态金属的轴向方向流动，提高了发电机内阻和输出电压，即降低了由大电流、低电压的交流电到稳定可用电能转换的难度。

[0020] 并且，本发明降低了常见矩形截面液态金属磁流体发电机中，圆形截面磁流体通道过渡段过渡连接到矩形截面发电通道的加工难度，可在一定程度上减少装置造价。

[0021] 本发明内磁极轴向两端的稳流圆锥体，避免了液态金属对内磁极平面端面的直接冲击而产生的流场不稳定情况。附图说明

[0022] 图1为本发明具体实施例环形通道液态金属磁流体发电机三维示意图，图中：1-1磁体外磁极、1-2磁体内磁极、1-3环形磁孔，2环形磁流体发电通道，3-1第一稳流圆锥体、3-2第二稳流圆锥体，4-1第一平板、4-2第二平板电极，5电极绝缘层，6-1第一磁流体通道过渡段、6-2第二磁流体通道过渡段，7-1第一活塞缸、7-2第二活塞缸，8-1第一活塞、8-2第二活塞，9液态金属，10支架；

[0023] 图2a为本发明具体实施例环形通道液态金属磁流体发电机主视图；

[0024] 图2b为本发明具体实施例环形通道液态金属磁流体发电机中心处径向截面图；

[0025] 图3a为本发明具体实施例环形通道液态金属磁流体发电机的环形截面通道示意图；

[0026] 图3b为图3a对应的矩形截面通道示意图；

[0027] 图3c为环形截面通道和矩形截面通道发电机的空载电压随时间的变化曲线。

具体实施方式

[0028] 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

[0029] 图1为本发明实施例环形通道液态金属磁流体发电机三维示意图，液态金属磁流体发电机中心处沿径向截面剖开。图2a为本发明实施例环形通道液态金属磁流体发电机主视图，图2b为本发明实施例环形通道液态金属磁流体发电机径向截面图。如图1、图2a和图2b所示，环形磁流体发电通道2穿过磁体环形磁孔1-3；第一磁流体通道过渡段6-1和第二磁流体通道过渡段6-2对称连接在环形磁流体发电通道2的两端，第一磁流体通道过渡段6-1的另一端和第一活塞缸7-1连接，第二磁流体通道过渡段6-2的另一端和第二活塞缸7-2连接；第一活塞缸7-1内同轴布置有第一活塞8-1，第二活塞缸7-2内同轴布置有第二活塞8-2；第一活塞8-1、第二活塞8-2、第一活塞缸7-1、第二活塞缸7-2、第一磁流体通道过渡段6-1、第二磁流体通道过渡段6-2，以及环形磁流体发电通道2形成一个密闭的连通空间，所述连通空间内充满液态金属9；液态金属9在环形磁流体发电通道2沿轴向流动，切割磁力线，磁场方向为径向，产生切向的感应电流。

[0030] 所述的磁体由外磁极1-1、内磁极1-2和环形磁孔1-3组成，在环形磁孔1-3内产生轴对称的径向均匀磁场。环形磁孔1-3位于外磁极1-1和内磁极1-2之间，由圆环形的外磁极1-1及与外磁极同轴布置的圆环形内磁极1-2构成。内磁极1-2的轴向两端分别与第一稳流圆锥体3-1和第二稳流圆锥体3-2固连。

[0031] 环形磁流体发电通道2穿过磁体的环形磁孔1-3，环形磁流体发电通道2内中心位置沿径向均匀固定m个非导磁非导电的圆杆形支架10，m>1，支架10沿环形磁流体发电通道2径向伸出，支架10的两端分别固定在外磁极1-1和内磁极1-2上。环形磁流体发电通道
2的径向截面为环形，沿径向内置有第一平板电极4-1和第二平板电极4-2。环形磁流体发电通道2的轴向两端对称连接第一磁流体通道过渡段6-1和第二磁流体过渡段6-2。环形磁流体发电通道2采用非导磁非导电材料制作。

[0032] 第一平板电极4-1和第二平板电极4-2沿径向固定在环形磁流体发电通道2内，第一平板电极4-1和第二平板电极4-2的宽度均与环形磁流体发电通道2的径向宽度相等，第一平板电极4-1和第二平板电极4-2的轴向长度与环形磁流体发电通道2的轴向长度相等。两个平板电极均有一面与液态金属9接触，为与液态金属9的接触面。两个平板电极与液态金属9形成第一平板电极4-1—液态金属9—第二平板电极4-2的环形电流导通路径。第一平板电极4-1和第二平板电极4-2相向的两个与液态金属9的非接触面之间设置有电极绝缘层5，且两个非接触面的径向夹角α<10°。电极5采用导电材料制作。

[0033] 电极绝缘层5的径向截面为扇形，电极绝缘层5位于第一平板电极4-1和第二平板电极4-2的两个与液态金属9非接触面之间。电极绝缘层5采用非导磁非导电材料制作。

[0034] 第一稳流圆锥体3-1和第二稳流圆锥体3-2采用非导磁非导电材料制作，对称固连在磁体内磁极1-2的轴向两端部。第一稳流圆锥体3-1和第二稳流圆锥体3-2连同磁体的内磁极1-2形成一个内柱圆锥体。

[0035] 第一磁流体通道过渡段6-1位于环形磁流体发电通道2与第一活塞缸7-1之间，第二磁流体过渡段6-2位于环形磁流体发电通道2与第二活塞缸7-2之间。第一磁流体通道过渡段6-1的两端分别与环形磁流体发电通道2和第一活塞缸7-1连接，第二磁流体过渡段6-2的两端分别与环形磁流体发电通道2和第二活塞缸7-2相连。从活塞缸7端到环形磁流体发电通道2端，磁流体通道过渡段6的径向截面从圆形变为圆环形，磁流体通道过渡段6径向截面的半径逐渐变小，靠近环形磁流体发电通道2端的磁流体通道过渡段6径向截面的半径最小。磁流体通道过渡段2采用绝缘材料制作。

[0036] 第一活塞缸7-1和第二活塞缸7-2活塞缸均为圆柱形，第一活塞缸7-1内同轴布置有能够可上下移动的第一活塞8-1，第二活塞缸7-2内同轴布置有可能够上下移动的第二活塞8-2；第一活塞缸7-1、和第二活塞缸7-2、第一以及活塞8-1和第二活塞8-2均采用绝缘材料制作。

[0037] 液态金属9为低熔点金属或合金，所述的低熔点金属或合金是指熔点低于232℃的易熔金属或合金。

[0038] 当往复外力，如汽车内燃力或波浪力推动第一活塞8-1和第二活塞8-2向另一端运动时，液态金属9受到挤压将以速度v沿环形磁流体发电通道2的轴线方向运动，切割磁力线。磁场方向为径向，根据右手定则，产生切向的感应电流I。通过第一平板电极4-1和第二平板电极4-2连接负载输出电能。

[0039] 图3a为本发明具体实施例环形截面通道示意图。如图3a所示，b为环形通道外径，a为电极径向长度，即有效磁间距，b-2a为环形通道内径，3.14×(b-a)为电极间距，L为电极长度，其中，两个电极与液态金属的非接触面之间的夹角α<10°，因此，计算环形通道电极间距时忽略了电极所占的环形通道的空间，B为磁感应强度，v为环形通道内液态金属轴向速度，U1为为空载电压。

[0040] 图3b为与图3a有相同有效磁间距、磁极宽度、电极长度和液态金属流速的矩形截面通道示意图。如图3b所示，b为电极间距，a为电极宽度，即有效磁间距，L为电极长度，B为磁感应强度，v为液态金属速度，U2为空载电压；

[0041] 假设a＝5mm，b＝50mm，L＝100mm，B＝1T，v＝20m/s，液态金属电导率σ＝6
3.4×10S/m，则环形通道液态金属磁流体发电机内阻和空载电压分别为Rg1＝83.1μΩ和U1＝2.8261V，在相同有效磁间距、磁极宽度、电极长度和相同液态金属流速下，对应矩形通道液态金属磁流体发电机内阻和空载电压分别为Rg2＝29.4μΩ和U2＝1V，此时，环形通道LMMHD发电机内阻和空载电压均为矩形通道的2.826倍。

[0042] 图3c为环形截面通道和矩形截面通道发电机的空载电压随时间的变化曲线。如图3c所示，横坐标为时间t，纵坐标为空载电压U，此处，假设外力随时间按正弦规律变化，空载电压波形与外力波形一致。

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