CN103765734A - 发电涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够产生电流的涡轮机，所述涡轮机包括转子和定子。转子由叶片形成，在叶片上安装有永磁体。定子包括相互接近的第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈的卷绕轴基本上是正交的，线圈与永磁体进行配合，以产生电流。

Description

发电涡轮机

技术领域

本发明涉及一种发电涡轮机，更特别地涉及一种可被低速流体带动的高效的涡轮机。

背景技术

图1示意性地示出根据现有技术的发电涡轮机。这种涡轮机是风力类型的涡轮机。这种涡轮机包括螺旋桨2，螺旋桨由在轴体4上转动安装的叶片3组成。轴体连接到发电机，通常是交流发电机5，能够给电网6供电。当风以速度Vf吹动时，这种流体的动能通过螺旋桨2以机械能的形式传递到轴体4，带动交流发电机5转动。交流发电机5从而给电网6供电I。

存在许多类型的发电涡轮机，这些涡轮机通过带动叶片的流体类型、通过叶片的形状和通过叶片围绕连接到发电机的轴的转动安装类型相区别。现有技术的发电涡轮机的效率是有限的，特别是当流体速度较小时。现有技术的涡轮机重、复杂且昂贵。难以缩小现有技术的涡轮机的大小以使之在可容易移动和载送的迁移设备中可使用。

发明内容

本发明的一实施方式的一目的在于提出一种高效的发电涡轮机。

本发明的另一实施方式的另一目的在于提出一种轻型涡轮机。

本发明的一实施方式设置一种能够产生电流的涡轮机，所述涡轮机包括转子，转子包括叶片和永磁体，叶片围绕主转轴转动安装，永磁体在相对于主转轴较远的远侧位置在叶片上安装；涡轮机还包括定子，定子配有第一和第二线圈，第一和第二线圈的卷绕轴基本上是正交的，永磁体在转子转动时与第一和第二线圈进行配合，以产生电流，第一线圈接近第二线圈。

根据本发明的另一实施方式，第一和第二线圈具有非磁性材料制的铁芯。

根据本发明的另一实施方式，第一和第二线圈分别地形成唯一的圆盘状线圈的两卷绕部分，这两卷绕部分的卷绕轴基本上是正交的。

根据本发明的另一实施方式，永磁体是平行于叶片的主转轴定向的双极永磁体。

根据本发明的另一实施方式，永磁体包括根据海尔贝克阵列构形的单元磁体。

根据本发明的另一实施方式，永磁体通过垫片在叶片上安装。

根据本发明的另一实施方式，叶片组成围绕主转轴转动安装的螺旋桨的元件。

附图说明

这些目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点将在接下来的参照附图对作为非限定性示例的具体实施方式的描述中详细示出，附图中：

前文所述的图1是根据现有技术的发电涡轮机的示意图；

图2是根据本发明的一实施方式的发电涡轮机的纵向剖视图；

图3是适于本发明的另一实施方式的双轴式圆盘状线圈的透视图；

图4是海尔贝克线性永磁体的纵向视图；和

图5是使用根据本发明的另一实施方式的海尔贝克线性永磁体的发电涡轮机的纵向剖视图。

具体实施方式

出于清晰度的考量，仅仅示出和描述对于理解本发明有用的元件。出于清晰度的考量，相同的元件在不同附图上通过相同的附图标记表示，和此外，多个附图没有按比例描绘。为了方便描述，流体速度Vf被假定朝向涡轮机前侧。在本说明书中，当第一方向与第二方向形成90度的角度——以绝对值表示，大约相差30度，优选地相差15度——时，第一方向称为相对于第二方向是基本正交的。

图2是根据本发明的一实施方式的发电涡轮机20的纵向剖视图。涡轮机20包括转子21和定子22。转子包括叶片210，叶片例如形成围绕主转轴X0转动安装——优选地在轴体212上安装——的螺旋桨211的一元件。图2的剖面包含该主转轴X0。叶片210经受入射流体的作用，入射流体的速度Vf例如与主转轴X0共线。转子21在叶片210的自主转轴X0较远的远侧端部包括永磁体213，永磁体例如是双极类型的，在叶片210上安装。在图2的示例的具体情形中，在图2的剖面中示出的双极永磁体213形成磁性偶极子，其轴线D1平行于主转轴X0，双极永磁体213的北极N朝向涡轮机前侧，即面对流体。磁场或磁感应完全围绕磁体展开。磁感应包括多条磁场线，磁场线根据变化的角度从双极永磁体213外从北极N向南极S循环。因此，例如，第一组磁场线B1由北极N从双极永磁体213出离，和穿过第一区域214，该第一区域接近双极永磁体213的北极N。在该第一区域214中，磁场线平行于磁性偶极子的轴线D1和主转轴X0，该第一区域位于双极永磁体213的端部和磁性偶极子的轴线D1上。继而第一组磁场线B1的场线内弯曲，以接合双极永磁体213的南极S。例如，第二组磁场线B2通过北极N从双极永磁体213出离，和穿过第二区域215，该第二区域接近双极永磁体213的北极N。在该第二区域215中，磁场线正交于磁性偶极子的轴线D1和主转轴X0，该第二区域位于双极永磁体213侧向。继而第二组磁场线B2的场线内弯曲，以接合双极永磁体213的南极S。由双极永磁体213的磁感应穿过的第一区域214和第二区域215在依附于双极永磁体213的转动几何坐标中进行限定。第一区域214中的磁场线基本上正交于第二区域215中的磁场线。

例如围绕转子21的定子22例如包括环形槽道221，环形槽道在叶片210的双极永磁体213的转动在其中内切的平面中形成。槽道221被构形以在围绕主转轴X0的转动中接纳双极永磁体213。

定子22包括第一线圈S1和第二线圈S2，例如是螺线管类型的线圈。第一线圈S1和第二线圈S2定位在定子22中，以使得当永磁体213通过围绕主转轴X0的转动作用分别地邻近第一线圈S1和第二线圈S2时，第一线圈和第二线圈同时地和分别地位于第一区域214和第二区域215中。第一线圈和第二线圈相互接近。换句话说，对于永磁体213的一位置，如果第一线圈S1和第二线圈S2同时经受磁体213的磁场以能够产生电流或电压时，第一线圈和第二线圈是接近的，这种限定可适用于本发明的所有实施方式。例如，当分开第一线圈和第二线圈的距离大约为永磁体的尺寸大小的量级，例如小于在双极永磁体213的北极N和南极S之间的距离的五倍时，第一线圈接近第二线圈。线圈S1的第一卷绕轴X1和线圈S2的第二卷绕轴X2基本上是正交的，以当双极永磁体213通过围绕主转轴X0的转动作用邻近第一线圈S1和第二线圈S2时，相切于双极永磁体213的磁感应的场线。由围绕主转轴X0转动的永磁体213产生的在第一线圈S1和第二线圈S2中的磁感应通量的变化是最大的，这是因为磁通量分别地根据第一线圈S1的卷绕轴X1和第二线圈S2的卷绕轴X2定向。由此在第一线圈S1和第二线圈S2的端子上产生最大的感应电压，和能够在连接到线圈的端子的阻抗中产生最大电流。双极永磁体213与相互接近的第一线圈S1和第二线圈S2进行配合，第一线圈的卷绕轴X1和第二线圈的卷绕轴X2基本上是正交的，以产生最大的电流。从而在转子21转动时获得对于涡轮机20的最大效率。

定子的线圈数并不是限定的。可布置其它的线圈，以与围绕双极永磁体213的不同区域中的不同组磁场线进行配合，以与最多的磁场线进行配合。

特别是，借助于线圈S1和S2的布置，不需要在定子22中布置昂贵的和重的金属极性构件以定向、集中或增大线圈中的磁感应，这是因为不同的线圈在这样的区域中布置和定向：在双极永磁体213经过时在所述区域中磁感应变得最大。根据本发明的一具体实施方式，不同线圈的铁芯由非磁性材料组成。这种非磁性材料可例如由形成定子22的模制树脂组成。

与磁场进行配合的线圈可是螺线管，并且被假定用于参照图2进行描述的实施方式。线圈也可是圆盘状类型的线圈。圆盘状线圈通过在同一平面中卷绕的螺旋圈形成，卷绕半径是可变化的。圆盘状卷绕轴是垂直于经过由螺旋圈限定的表面中心的线圈的螺旋圈的平面的轴线。圆盘状线圈通常地可替代一螺线管，特别是用于参照图2在上文描述的本发明的实施方式。

图3是根据本发明的另一实施方式的圆盘状线圈30的透视图，圆盘状线圈配有两圆盘状部分，两圆盘状部分的卷绕轴基本上是正交的。换句话说，这种实施方式与参照图2所描述的实施方式的区别在于，第一线圈S1和第二线圈S2分别地形成唯一的圆盘状线圈30的两卷绕部分，所述两卷绕部分的卷绕轴A1和A2基本上是正交的。

例如铜制的螺线在围绕第一圆盘状卷绕轴A1的第一平面P1中形成基本上环形的第一螺旋圈31，然后螺线在围绕第二圆盘状卷绕轴A2的第二平面P2——正交于第一平面P1——中根据基本上环形的第二螺旋圈32继续。继而，第二螺旋圈的螺线重新在第一平面P1中继续，以形成围绕第一圆盘状卷绕轴A1的基本上环形的第三螺旋圈33和如此继续直到形成一圆盘状线圈30，所述圆盘状线圈包括多个螺旋圈并且具有第一部分和第二部分，第一部分具有第一圆盘状卷绕轴A1和第二部分具有第二圆盘状卷绕轴A2，第二圆盘状卷绕轴基本上正交于第一圆盘状卷绕轴A1。

两圆盘状卷绕轴基本上正交的圆盘状线圈30定位在定子中，以使得当双极永磁体213通过双极永磁体213围绕主转轴X0的转动作用邻近圆盘状线圈30时，正交的圆盘状卷绕轴A1和A2相切于例如分别地位于第一区域214和第二区域215中的双极永磁体213的磁感应场线。

图4是海尔贝克线性永磁体的纵向视图。从现有技术已知由组装的单元双极磁体组成的永磁体，以使得磁感应在优先的方向上集中和聚焦。这些双极磁体从而形成海尔贝克阵列。例如，专利文献US7,598,646B2通过图1以附图标记120描述了一种海尔贝克线性永磁体，转到附图4，附图标记为40。海尔贝克线性永磁体40在五个连续的单元双极永磁体的组装平面P3中根据轴线D2按顺序通过组装形成：第一单元磁体41、第二单元磁体42、第三单元磁体43、第四单元磁体44和第五单元磁体45。这五个单元双极磁体的每个具有一内磁矩，分别地：第一磁矩M1、第二磁矩M2、第三磁矩M3、第四磁矩M4和第五磁矩M5，从所涉及的单元双极永磁体的南极向北极定向。内磁矩在图4上通过从每个双极磁体的南极S指向北极N的箭头表示。在图4的海尔贝克线性永磁体40的示例中，第一单元磁体41的第一磁矩M1沿着海尔贝克线性永磁体40的轴线D2指向第一单元磁体41的自由端部46。继而，在五个单元磁体41、42、43、44、45的组装平面P3中，随后的每个单元磁体42、43、44、45的磁矩与前一单元磁体41、42、43、44的磁矩形成+90度的定向角度。如此构造的海尔贝克线性永磁体40在组装平面P3中在位于第二单元磁体42的北极侧的海尔贝克线性永磁体40的第一边侧48上展开弱磁感应47。海尔贝克线性永磁体40的第一边侧48平行于海尔贝克线性永磁体40的轴线D2。在与第一边侧48相对的和位于海尔贝克线性永磁体40的组装平面P3中的海尔贝克线性永磁体40的第二边侧50上展开强磁感应49。

在海尔贝克线性永磁体40的和因此五个单元磁体的磁矩M1、M2、M3、M4和M5布置的第二边侧50上，位于第二边侧50的磁感应垂直于海尔贝克永磁体40的位于第二单元磁体42和第四单元磁体44的中心部分附近的轴线D2。位于第二边侧50的磁感应平行于海尔贝克线性永磁体40的位于第三单元磁体43的中心部分附近的轴线D2。

图5是使用参照图4所描述的根据本发明的另一实施方式的海尔贝克线性永磁体40的发电涡轮机60的纵向剖视图。涡轮机60包括与参照图2所描述的转子和定子相似的转子61和定子62。转子61包括叶片210，叶片围绕主转轴X0转动安装，优选地在轴体212上转动安装。叶片210在自主转轴X0较远的远侧端部包括参照图4所描述的海尔贝克线性永磁体40。海尔贝克线性永磁体40例如通过垫片63在叶片210上安装。例如，海尔贝克线性永磁体40定位在叶片210上，以使得其组装平面P3包含叶片的主转轴X0并且海尔贝克线性永磁体40的轴线D2平行于主转轴X0。海尔贝克线性永磁体40优选地被定位以使得，在叶片围绕主转轴X0转动时，在通过海尔贝克线性永磁体40所描绘的周界外展开强磁感应49。

定子62包括环形槽道64，环形槽道在叶片210的海尔贝克线性永磁体40的转动在其中内切的平面中形成。槽道64被构形用以接纳海尔贝克线性永磁体40和用以在围绕主转轴X0转动时使垫片63经过。另一方面，定子包括径向线圈65和轴向线圈66。径向线圈65的卷绕轴X3与主转轴X0相交并与主转轴形成一直角。轴向线圈66的卷绕轴X4平行于主转轴X0。由此使得，径向线圈和轴向线圈的分别的卷绕轴X3和X4基本上是正交的。径向线圈65同时位于外部和位于海尔贝克线性永磁体40的第二单元磁体42的转动在其中内切的柱面中。轴向线圈66位于外部和位于海尔贝克线性永磁体40的第三单元磁体43的转动在其中内切的柱面中。径向线圈65接近轴向线圈66，这是因为分开径向线圈65和轴向线圈66的距离例如小于海尔贝克线性永磁体40的长度的五倍。当通过叶片围绕主转轴X0的转动作用海尔贝克线性永磁体40同时邻近径向线圈65和轴向线圈66时，海尔贝克线性永磁体的强磁感应49的场线与径向线圈65的卷绕轴X3和轴向线圈66的卷绕轴X4对齐。在叶片210围绕主转轴X0的转动中，径向线圈65和轴向线圈66与海尔贝克线性永磁体40的强磁感应49进行配合。径向线圈65和轴向线圈66能够产生电流I。有利地，第二轴向线圈67可定位在定子62中，以在位于第四单元磁体44右侧的一区域中与强磁场49进行配合。

本发明适用于无论何种叶片形状和转动轴相对于叶片的位置。组成转子的材料可非常多样化。组成转子的材料优选地是非磁性的。带动叶片的流体是任意的。流体应适于叶片的类型和可是液态的或气态的，特别是矿物质的或天然的。涡轮机的尺寸是任意的。特别地，本发明允许涡轮机的小型化和甚至与微机械技术进行集成，这是因为，在此情形下，不需要在定子中布置金属极性构件——其实施是有疑问的。在运动中较小的重量，缩小的尺寸利于涡轮机与低流体速度的最优运行。在所描述的实施方式中，转子不被定子的磁质量吸引。转子从而可具有较小的重量，这是因为转子不需要是非常刚性的。由此还使得，可通过磁悬浮来保持转子和消除与转动轴相关联的机械轴承。从而进一步获益轻质性和小型化的可能性。

所描述的涡轮机类型可在恶劣环境中使用，这是因为磁体在狭窄的腔室中被部分地保护，线圈可固定在定子上或埋入组成定子的材料中。一般性地和适于在前文所描述的本发明的所有实施方式，永磁体可通过垫片安装在叶片上。在此情形中，围绕和保护永磁体的腔室可被设计以在其全部表面上围绕永磁体，使垫片刚好通过。此外，在使用垫片的情形中，永磁体通过垫片从叶片隔开，应可定位线圈以在在永磁体和叶片之间所释出的空间中收集电流。

形成永磁体，使之相关联，产生海尔贝克阵列，与转动轴相面对地定位磁体的可能性是无限的。特别地，可在同一转子上组装每个例如包括不同定向的双极磁体的叶片。已描述的仅仅是数个典型示例。还存在许多其他的情形，本领域的技术人员可容易地通过使用本发明的教导进行设计。同样地，存在非常多的可能性来设计线圈的形状和材料。还存在非常多的可能性来布置线圈在由永磁体产生的变化的磁感应中的位置。最后，容易地使用本发明的教导来组合多种实施方式的多种元件来设计涡轮机。

Claims (7)

1.一种能够产生电流（I）的涡轮机（20，60），所述涡轮机包括转子（21，61），转子包括叶片（210）和永磁体（213，40），叶片围绕主转轴（X0）转动安装，永磁体在相对于主转轴（X0）较远的远侧位置在叶片（210）上安装；所述涡轮机（20，60）还包括定子（22，62），定子配有第一线圈和第二线圈（S1，S2，30，65，66），第一线圈和第二线圈的卷绕轴（X1，X2，X3，X4，A1，A2）基本上是正交的，永磁体（213，40）在转子（21，61）转动时与第一线圈和第二线圈（S1，S2，30，65，66）进行配合，以产生电流（I），第一线圈接近第二线圈。

2.根据权利要求1所述的涡轮机（20，60），其特征在于，第一线圈和第二线圈（S1，S2，30，65，66）具有非磁性材料制的铁芯。

3.根据权利要求2所述的涡轮机（20，60），其特征在于，第一线圈和第二线圈（S1，S2，65，66）分别地形成唯一的圆盘状线圈（30）的两卷绕部分，这两卷绕部分的卷绕轴（A1，A2）基本上是正交的。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的涡轮机（20，60），其特征在于，永磁体是平行于叶片（210）的主转轴（X0）定向的双极永磁体（213）。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的涡轮机（20，60），其特征在于，永磁体包括根据海尔贝克阵列（40）构形的单元磁体（41，42，43，44，45）。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的涡轮机（20，60），其特征在于，永磁体（213，40）通过垫片（63）在叶片（210）上安装。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的涡轮机（20，60），其特征在于，叶片（210）组成围绕主转轴（X0）转动安装的螺旋桨（211）的元件。

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