CN103918161B - 水电涡轮机线圈配置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于通过从通过涡轮机的潮汐水流提取动力来发电的水电涡轮机，所述涡轮机包括造成转子相对于定子偏心旋转的无轴转子，这可能由于形成所述涡轮机的发电机的边缘式磁铁与线圈之间的间隔差而造成不均匀发电，所述涡轮机因此采用间隔相等且串联连接线圈的分组。

Description

水电涡轮机线圈配置

发明领域

本发明涉及一种水电涡轮机线圈配置，且特别地涉及一种形成水电涡轮机的发电机的部分的线圈配置，所述配置改善了发电机的性能。

发明背景

本发明一般涉及通过使用水流产生电力的水电涡轮机的领域，且更特别地涉及这些装置，其中潮汐水流造成大型环形外壳内布置环形外缘的大型叶轮类型的转子旋转。

虽然大部分涡轮机被构造以具有上面安装叶片或转轮的中心旋转轴，但是其也被视为产生中心敞开式涡轮机（也被视为边缘式涡轮机）。具有中心敞开式转子的涡轮机（其中叶片安装在内环或内缘与外环或外缘之间且其中能量通过外缘传送到固定转子的环形外壳）在低扬程条件（即较缓慢电流）下可能特别成功。

可在下列专利中找到中心敞开边缘式涡轮机的实例：1997年1月14日发布且在2003年12月2日再次发布为RE38,336的美国专利第5,592,816号；2003年11月18日发布的美国专利第6,648,589号；2004年5月4日发布的美国专利第6,729,840号；和2005年2月10日出版的美国专利申请公开案US2005/0031442（序列号第10/633,865号）。可在下列专利中找到在低扬程（潮汐流）条件下使用的水电涡轮机的实例：Heuss等人发布的美国专利第4,421,990号；Vauthier发布的美国专利第6,168,373号和6,406,251号；Susman等人发布的英国专利申请案第GB2,408,294号；和Davis等人发布的WIPO国际公开案WO03/025385。

潮汐动力涡轮机被视为使用矿物燃料或原子能的电力发电厂的环保替代品。在使用水以产生能够大规模给工业园区、城镇、城市等供电的电力时，必须提供大量涡轮机且涡轮机必须与实际一样大以最大化由每个涡轮机产生的电量。这些涡轮机的转子叶片的长度是几米，其中一些试验设计具有长度超过50米的叶片。

随着转子叶片的长度增加，存在较小涡轮机或发电机不会面临的结构和制造挑战。对于轴式涡轮机，难以提供坚固且重量轻的长叶片。在一种解决方法中，轴式涡轮机的叶片具有外部环形边缘（其包括在环形外壳内），从而通过轴和边缘对叶片提供支撑。替代地，不具有中心轴的边缘式涡轮机通过使用固定在具有环形狭槽或通道的外壳内的外部支撑边缘对叶片的内端和外端提供环形支撑来提供这个问题的解决方法。在用于发电的典型方法中，大量磁铁沿环形支撑边缘分开且大量线圈沿定子外壳中的接收通道分开。由转子磁场系统建立的磁场横跨分离转子和定子的间隙。转子旋转造成线圈的磁链变化，从而在线圈中引起电磁力。

为了减小这些中心敞开式涡轮机的启动扭矩且通常由于制造公差，通常产生定子中的环形狭槽或通道直径大于转子的这样的涡轮机。这造成转子实际上具有浮动旋转轴，意味着转子的中心并未固定在定子内且可能在定子内经历一定程度的移动、浮动和/或偏心旋转。此外，轴向推力轴承具有允许转子轴向移动且使其旋转平面与定子平面不平行使得转子运动可以包括旋进分量和其它复杂方式的间隙。然而，由于转子的偏心率，这样的偏心旋转可能造成线圈中产生的电压不平衡（其中定子上的线圈更紧靠转子上的磁铁），从而产生不成比例的EMF量。

当大量这样的线圈并联连接在一起时，其引发的不同EMF造成线圈携带不同电流且线圈不相等地共享电负载。转子相距中心位置的小移位可能造成负载分布极其不相等。这可能使线圈容易过热并减小电力转换的效率。

因此本发明的目标是不诉诸于使用高公差、紧密配合轴承以将转子支撑在定子内的中心共面位置中的困难又昂贵的解决方法来克服上文提及的问题。

发明概述

根据本发明，提供了一种水电涡轮机，其包括定子；无轴转子，其被容纳在定子内旋转，定子界定其中约束转子的开口，开口相对于转子塑形并调整尺寸以给转子提供浮动旋转轴；转子上的磁铁阵列；和定子上的对应线圈阵列；其中线圈配置成组，在组内线圈之间的周向间隔相等且电串联连接在一起。

优选地，电串联连接在一起的线圈在定子上并未相互物理相邻。

优选地，转子包括敞开中心。

优选地，开口被塑形且调整尺寸以允许转子经历大体上偏心或圆内摆线运动。

优选地，水电涡轮机包括将转子支撑在定子内的一组轴承，轴承包括定子和转子中的一个或另一个上的轴承单元阵列以及定子和转子中的另一个上的对应轴颈。

优选地，定子包括界定开口且其中使转子保持旋转的环形通道。

如本文中使用，术语“浮动轴”旨在意指主体的旋转轴（诸如水电涡轮机转子），尤其当转子正经历绕轴旋转时，轴的位置并不固定且在大体上正交于旋转轴的方向上自由地经历一定程度的移动或平移。因此，转子可以描述为绕其轴的复杂旋转方式结合轴在规定空间内的随机或轨道运动。转子的轨迹可以被分类成圆内摆线或随机且还可以在轴向方向上具有分量和轴旋进。

附图简述

图1示出了根据本发明的实施方案的水电涡轮机的透视图。

图2示出了图1中示出的涡轮机的示意表示，其示出了形成涡轮机的发电机的部分的组件。

图3示出了图2中示出的发电机线圈的电路图表示。

图4示出了表示图1和图2中示出的线圈之一的等效电路的电路图；且

图5示出了图1中示出的涡轮机的另一示意表示。

具体实施方式

现参考附图，示出了水电涡轮机（一般被指示成10），其被调整以优选地经由可以固定在海床上的适当位置的合适底部安装在海床等上。

涡轮机10包括其中被安装以使转子14旋转的外部定子12。转子14包括固定在外缘18与内缘20之间的径向延伸叶片16的圆形阵列。在示出的实施方案中，外缘18被约束在形成于定子12的内表面上的环形通道（未示出）内。可知，涡轮机10不包括上面将在常规涡轮机中安装转子14以进行旋转的中心轴，且因此涡轮机10是中心敞开式或无轴涡轮机10。例如，呈轴颈和轴承板的形式的合适的轴承（未示出）位于外缘18和定子12上。此外，涡轮机10的电组件的位置关于外缘18和定子12相互相对，因此统称为“边缘式发电机”。

这些电组件包括绕外缘18安装的磁铁22的阵列和绕定子12的相对面安装的线圈24的对应阵列，磁铁22和线圈24通过定子12与转子14之间的小间隙26而相互分离。当然应了解，磁铁22和线圈24的位置可颠倒。然而，定子上的磁铁和转子上的线圈的配置具有以下缺点：从转子中收集电流必需某种配置，且因此转子上的磁铁和定子上的线圈的配置通常将是优选地。

由于涡轮机10的无轴本质且如上详述，转子14能够在由定子12界定的环形通道内进行一定程度的移动且因此能够经历相对于定子12中心进行偏心旋转。因此且如图2中放大示出，转子14通常将位于定子12内使得转子14的部分且因此磁铁22的截面将比转子14的相对部分更紧靠定子12。这将因此造成在线圈24之间不均匀地产生电动势，其中更紧靠磁铁22的线圈24引发极高的EMF。这可能造成所述线圈24过热，从而可能造成线圈24损坏，且这在设计涡轮机10尤其是线圈24时通常一定要加以考虑。

如图4中示出，每个线圈24可以由AC电压源与表示所引发的EMF、电枢反应和线圈电阻的电感器元件和电阻器串联而表示成等效电路。线圈之间的电感和电阻并无显著不同，但是如果转子并不同心，那么电压源将会不同。

每个线圈24中所引发的EMF是交流电压，其可由其振幅、频率和其关于被选择作为参考的一个特定线圈中引发的EMF的相位描述。如果两个或更多个线圈并联连接以将电流传递到共同输出，那么所述两个线圈应具有相等振幅、频率和相位的电压源。机器构造确保频率的相等性。出于所描述的原因，振幅可以不相等。如果线圈由整数个磁铁极距分离，那么电压源将会同相。

线圈24中流动的电流等于线圈24的电压源与连接到线圈24的电路的电压之间的差除以线圈的阻抗。因此例如，如果具有11V电压和1Ohm阻抗的两个线圈并联连接到10V电压下的负载电路，那么每个线圈将1A传递到负载。然而，如果电压由于转子的偏心旋转只稍微修改0.5V而变成10.5V和11.5V，那么所述线圈分别携带0.5A和1.5A。每个线圈中的热效应与电流的平方成比例，且因此理论上每个线圈中是1W的热效应变成2.25W和0.25W（9:1的比例），因此对于偏离电压相等性的小偏差来说，电流结果中的不相等性极大且损耗和其附属热效应更加不相等。总损耗也随之增加。

如果所述两个线圈24的相位不同，那么可能产生类似电流差。转子的偏心旋转可在如图5示出般准确分开的线圈之间产生相位差。

如果转子位置与其在一个方向上永久移位的轴偏心，那么一些定子线圈将永久地具有较高EMF且其它定子线圈具有较低EMF。结果可能似乎是定子一般在覆盖周长的弧线的一个区域中过热。如果转子描述更复杂运动，那么携带较高电流的线圈的区域可以随着转子旋转，且没有一个区域将比其它区域更热，但是总损耗将高于转子完全同心转动的情况。

然而，在本发明的涡轮机10中，线圈24配置成组，图2中只示出了其中之一，在所述组中线圈24电串联连接以将电流均匀地分布在机器的周长周围且防止线圈24中的任何一个过热。图3示出了这样的线圈组24之一的电路图表示。虽然未示出，但是涡轮机10优选地包括大量这样的线圈组24。

参考图5，四个线圈24串联连接。所示出的形式的转子的偏心旋转造成线圈24（1）的电压低于平均振幅，线圈24（3）高于平均振幅，线圈24（4）具有平均振幅但是其相位领先于平均值，且线圈24（2）具有平均振幅但是相位落后于平均值。当所有四个电压通过线圈24的串联连接而相加时，几乎完全消除偏离平均值的偏差。

具有36个线圈和48个转子磁极的机器可以包括每个具有串联连接的4个线圈的9个线圈组。包括第1、第10、第19和第28个线圈的第一组具有如图4中示出的电压。第二组具有类似但是相位偏移120电角度的电压。第三组又类似且进一步相移120度。包括第4、第13、第22和第32个线圈的第四组具有类似于第一组的EMF。个别EMF由于转子偏心的影响而稍微不同，但是总EMF保持几乎完全不受偏心影响。类似地，组7具有总计为相同总和的EMF，但是个别EMF又稍微不同于组1。组1、4和7可以并联连接且其总电流将被均匀分开在所述两个线圈之间。同样，组2、5和8可以并联连接且组3、6和9可以并联连接。36个线圈因此被连接以形成平衡三相输出，且由于三相负载平衡，功耗和热量均匀地分布在发电机的周长周围。在每个组内，线圈24优选地关于定子12的圆周相互等间隔分开。这将保证电流最均匀分布。因此例如在所示出的实施方案中，所示出的线圈组24包括关于定子12相互均匀分开90°的4个线圈，但是应明白可以采用任何其它合适数量的线圈。

为有效地操作本发明，每个线圈组必须存在串联连接的至少两个线圈24，且这些线圈应被布置在大体上直径相对位置处且被连接使得当转子与定子之间存在相对运动时加总其EMF。然而，所有并联线圈组在直径相对位置处具有两个串联线圈意指：由于连接串联线圈的电缆被平铺横跨定子的一半圆周，所述电缆极长，且对于具有大量并联线圈组的涡轮机，电缆的成本可能高且电缆内的额外电损耗将不利地影响发电机的效率。

优选地，串联连接两个以上线圈以缩短电缆长度。例如，每个线圈组可以串联3个线圈且其等间距（120度）展开在定子的内圆周周围，可以串联4个线圈使得横跨相邻线圈之间的角度是90度，或可以每组串联5个线圈且横跨相邻线圈之间的角度是72度。

虽然优选实施方案提供了3相电机器，但是将连接扩展到诸如2相、4相、5相、6相、12相或更高数量相的其它多相机器相对简单直接。

如果特定相位内的特定线圈组的线圈由于任何原因而出现故障，那么这个线圈组和其它相位中的对应线圈组将会与机器断开或电隔离以使相位的阻抗保持相同且平衡。

上述配置因而减小或消除使用无轴涡轮机10时的不均匀发电的问题。其从而缓解机器设计者对将转子运动约束成严格定义的同心且同轴旋转的需要，且允许转子以偏心或圆内摆线方式移动并允许转子轴以复杂或随机方式移动。

Claims (6)

1.一种水电涡轮机，包括：

定子；

无轴转子，其被容纳在所述定子内旋转，所述定子界定其中约束所述转子的开口，所述开口相对于所述转子塑形并调整尺寸以给所述转子提供由于所述转子的偏心旋转而产生的浮动旋转轴；

所述转子上的磁铁阵列；以及

所述定子上的对应线圈阵列，所述线圈阵列经历所述转子的偏心旋转造成的电压不平衡，

其中所述线圈配置成组，在所述组内所述线圈之间的周向间隔相等且电串联连接在一起，以便将电流均匀地分布在所述涡轮机的周长周围以防止所述线圈中的任一线圈的过热。

2.根据权利要求1所述的水电涡轮机，其中电串联连接在一起的线圈在所述定子上并未相互物理相邻。

3.根据权利要求1所述的水电涡轮机，其中所述转子包括敞开中心。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的水电涡轮机，其中所述开口被塑形且调整尺寸以允许所述转子经历圆内摆线运动。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的水电涡轮机，其包括将所述转子支撑在所述定子内的一组轴承，所述轴承包括所述定子和转子中的一个或另一个上的轴承单元阵列和所述定子和转子中的另一个上的对应轴颈。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的水电涡轮机，其中所述定子包括界定所述开口且其中使所述转子保持旋转的环形通道。