一種環(huán)形通道液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)，特別涉及一種采用環(huán)形發(fā)電通道的液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]新型液態(tài)金屬磁流體(LiquidMetal Magnetohydrodynamics，LMMHD)發(fā)電機(jī)采用交替外力，如汽車內(nèi)燃力和波浪力，直接驅(qū)動液態(tài)金屬在發(fā)電通道內(nèi)往復(fù)直線運(yùn)動，切割磁力線，產(chǎn)生交流電能。與傳統(tǒng)LMMHD發(fā)電系統(tǒng)相比，如兩相流發(fā)電系統(tǒng)和單相流發(fā)電系統(tǒng)，新型LMMHD發(fā)電機(jī)采用直接驅(qū)動和單相的液態(tài)金屬發(fā)電工質(zhì)，無需額外的能量和設(shè)備來維持工作流體良好的導(dǎo)電性，結(jié)構(gòu)簡單，功率密度大，效率高，因此在混合動力汽車、分布式供電電源和波浪能直接發(fā)電系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]新型LMMHD發(fā)電機(jī)的發(fā)電通道一般為矩形，其負(fù)載電壓Ul= Bubk,負(fù)載電流I ^ =BuaLo (1-k)，發(fā)電機(jī)內(nèi)阻Rg= b/(aLo )，B為外加磁場強(qiáng)度，u為發(fā)電通道內(nèi)液態(tài)金屬的平均速度，b為電極間距，a為電極寬度(即有效磁間距)，L為電極長度，σ為液態(tài)金屬電導(dǎo)率，&為負(fù)載電阻，k = RL/(RL+Rg)為負(fù)載系數(shù)。液態(tài)金屬的電導(dǎo)率為106S/m ;u為11m/s，a 和 b 通常為 10 1Hb L 為 10 I 10 °m，B 為 10°T，則 &為 10 5?10 6 Ω，Il為 10 5?10 1A,Ul為10°V。因而，新型LMMHD發(fā)電機(jī)具有低電壓、大電流的輸出特性，遠(yuǎn)不同于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的輸出特性。
[0004]對于用電設(shè)備，如水下機(jī)器人、各種傳感器和聲吶設(shè)備，需要穩(wěn)定的DC或AC，工作電壓一般為10°?10 2V，工作電流為10°?10 2A;內(nèi)阻都在歐姆級甚至更高，與新型LMMHD發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻極不匹配，需要通過電能變換系統(tǒng)，將其輸出的低壓、大電流的交流電能轉(zhuǎn)換成用戶需要的穩(wěn)定電能。然而，目前電力電子器件的最低導(dǎo)通電壓約為0.7V，能導(dǎo)通的最大電流為8320A，遠(yuǎn)不能滿足直接對新型LMMHD發(fā)電機(jī)的輸出進(jìn)行電能變換的要求。一方面，需針對新型LMMHD發(fā)電機(jī)的輸出特性研發(fā)相應(yīng)的新型電力電子器件；另一方面，需對新型LMMHD發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高輸出電壓、降低輸出電流，滿足目前電力電子器件的性能。
[0005]中國專利200610144400.5采用雙通道、美國專利0146140A1采用多通道發(fā)電單元串聯(lián)的方式來增加發(fā)電機(jī)內(nèi)阻和輸出電壓、降低輸出電流。然而，多個(gè)發(fā)電通道串聯(lián)不僅增大了發(fā)電裝置的體積、成本和造價(jià)，而且增大了接觸電阻和接線的電壓損耗，提高輸出電壓的能力十分有限。此外，多個(gè)發(fā)電單元輸出的同步性也是隨之而來的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種環(huán)形通道液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)。環(huán)形通道液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)采用徑向截面為環(huán)形的通道結(jié)構(gòu)，結(jié)合徑向均勻磁場和液態(tài)金屬的軸向方向流動，以提高發(fā)電機(jī)內(nèi)阻和輸出電壓，即降低低電壓、大電流的交流電到穩(wěn)定可用電能的轉(zhuǎn)換難度；并避免因多通道串聯(lián)所帶來的接觸電阻和接線損耗變大等問題；降低裝置的加工難度和造價(jià)。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的環(huán)形通道液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)由磁體外磁極、內(nèi)磁極、環(huán)形磁孔，環(huán)形磁流體發(fā)電通道，第一穩(wěn)流圓錐體、第二穩(wěn)流圓錐體，第一平板電極、第二平板電極，電極絕緣層，第一磁流體通道過渡段、第二磁流體過渡段，第一活塞缸、第二活塞缸，第一活塞、第二活塞，以及液態(tài)金屬組成；環(huán)形磁流體發(fā)電通道穿過磁體環(huán)形磁孔；第一磁流體通道過渡段和第二磁流體通道過渡段對稱連接在環(huán)形磁流體發(fā)電通道的兩端，第一磁流體通道過渡段的另一端和第一活塞缸連接，第二磁流體通道過渡段的另一端和第二活塞缸連接；第一活塞缸內(nèi)同軸布置有第一活塞，第二活塞缸內(nèi)同軸布置有第二活塞；第一活塞、第二活塞、第一活塞缸、第二活塞缸、第一磁流體通道過渡段、第二磁流體通道過渡段，以及環(huán)形磁流體發(fā)電通道形成一個(gè)密閉的連通空間，所述連通空間內(nèi)充滿液態(tài)金屬；液態(tài)金屬在環(huán)形磁流體發(fā)電通道沿軸向流動，切割磁力線，磁場方向?yàn)閺较?，產(chǎn)生切向的感應(yīng)電流。
[0009]所述的磁體由外磁極、內(nèi)磁極和環(huán)形磁孔組成，在環(huán)形磁孔內(nèi)產(chǎn)生軸對稱的徑向均勻磁場。環(huán)形磁孔位于外磁極和內(nèi)磁極之間，由圓環(huán)形的外磁極及與外磁極同軸布置的圓環(huán)形內(nèi)磁極構(gòu)成。內(nèi)磁極的軸向兩端分別與兩個(gè)穩(wěn)流圓錐體固連。
[0010]環(huán)形磁流體發(fā)電通道穿過磁體的環(huán)形磁孔，環(huán)形磁流體發(fā)電通道內(nèi)中心位置沿徑向均勾固定m個(gè)非導(dǎo)磁非導(dǎo)電的圓桿形支架，m>I。所述的支架沿環(huán)形磁流體發(fā)電通道徑向伸出，兩端分別固定在內(nèi)磁極和外磁極上。環(huán)形磁流體發(fā)電通道的徑向截面為環(huán)形，沿徑向內(nèi)置有第一平板電極和第二平板電極。環(huán)形磁流體發(fā)電通道的軸向兩端對稱連接第一磁流體通道過渡段和第二磁流體過渡段。環(huán)形磁流體發(fā)電通道采用非導(dǎo)磁非導(dǎo)電材料制作。
[0011]第一平板電極和第二平板電極沿徑向固定在環(huán)形磁流體發(fā)電通道內(nèi)，第一平板電極和第二平板電極的寬度均與環(huán)形磁流體發(fā)電通道的徑向?qū)挾认嗟?，第一平板電極和第二平板電極的軸向長度與環(huán)形磁流體發(fā)電通道的軸向長度相等。兩個(gè)平板電極均有一面與液態(tài)金屬接觸，為與液態(tài)金屬的接觸面。兩個(gè)平板電極與液態(tài)金屬形成第一平板電極一液態(tài)金屬一第二平板電極的環(huán)形電流導(dǎo)通路徑。第一平板電極和第二平板電極相向的兩個(gè)與液態(tài)金屬的非接觸面之間設(shè)置有電極絕緣層，且兩個(gè)非接觸面的徑向夾角α〈10°。電極采用導(dǎo)電材料制作。
[0012]電極絕緣層的徑向截面為扇形，電極絕緣層位于第一平板電極和第二平板電極的兩個(gè)與液態(tài)金屬非接觸面之間。電極絕緣層采用非導(dǎo)磁非導(dǎo)電材料制作。
[0013]第一穩(wěn)流圓錐體和第二穩(wěn)流圓錐體采用非導(dǎo)磁非導(dǎo)電材料制作，對稱固連在磁體內(nèi)磁極的軸向兩端部。第一穩(wěn)流圓錐體和第二穩(wěn)流圓錐體連同磁體的內(nèi)磁極形成一個(gè)內(nèi)柱圓錐體。
[0014]第一磁流體通道過渡段位于環(huán)形磁流體發(fā)電通道與第一活塞缸之間，第二磁流體通道過渡段位于環(huán)形磁流體發(fā)電通道與第二活塞缸之間；第一磁流體通道過渡段的兩端分別與環(huán)形磁流體發(fā)電通道和第一活塞缸連接，第二磁流體通道過渡段的兩端分別與環(huán)形磁流體發(fā)電通道和第二活塞缸相連；從活塞缸端到環(huán)形磁流體發(fā)電通道端，磁流體通道過渡段的徑向截面從圓形變?yōu)閳A環(huán)形，磁流體通道過渡段徑向截面的半徑逐漸變小，靠近環(huán)形磁流體發(fā)電通道端的磁流體通道過渡段徑向截面的半徑最??；磁流體通道過渡段采用絕緣材料制作。
[0015]第一活塞缸和第二活塞缸均為圓柱形，第一活塞缸內(nèi)同軸布置有能夠上下移動的第一活塞，第二活塞缸內(nèi)同軸布置有能夠上下移動的第二活塞；第一活塞缸、第二活塞缸、第一活塞和第二活塞均采用絕緣材料制作。
[0016]液態(tài)金屬為低恪點(diǎn)金屬或合金，所述的低恪點(diǎn)金屬或合金是指恪點(diǎn)低于232°C的易熔金屬或合金。
[0017]當(dāng)往復(fù)外力，如汽車內(nèi)燃力或波浪力推動第一活塞和第二活塞向另一端運(yùn)動時(shí)，液態(tài)金屬受到擠壓將以速度V沿環(huán)形磁流體發(fā)電通道的軸線方向運(yùn)動，切割磁力線。磁場方向?yàn)閺较?，根?jù)右手定則，產(chǎn)生切向的感應(yīng)電流I。通過第一平板電極和第二平板電極連接負(fù)載輸出電能。
[0018]本發(fā)明的環(huán)形通道液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻Rgl= 3.14(b_a)/aLo，空載電Ηυι=ΒΧ3.14(b_a)Xv，b為環(huán)形通道外徑，a為電極徑向長度，即有效磁間距，b_2a為環(huán)形通道內(nèi)徑，3.14X (b