CN104756364A - 用于水力涡轮机的电力发电机 - Google Patents

Abstract

一种用于水力涡轮机的电力发电机轴向耦合到所述水力涡轮机。所述发电机包括转子，所述转子被布置成响应于流体流过所述涡轮机而绕轴线旋转。第一定子结构包括至少一个第一绕组，所述至少一个第一绕组围绕所述轴线周向设置并在第一内侧方向上从所述转子轴向位移。第二定子结构包括至少一个第二绕组，所述至少一个第二绕组围绕所述轴线周向设置并在第二外侧方向上从所述转子轴向位移，所述转子被布置成与所述绕组电耦合。

Description

用于水力涡轮机的电力发电机

发明领域

本发明涉及一种用于水力涡轮机的电力发电机。

发明背景

在许多类型的电机中，定子中的电流形成行波磁场，所述行波磁场与机器的移动部分上的一组电流、一组永久磁体、或一组铁磁特征相互作用，所述移动部分即，转子(在旋转机器的情况下)或变换器(在线性机器的情况下)。形成行波磁场的普通方法是使用三个分量绕组(component winding)，所述三个分量绕组一起容纳在层合铁质定子中的均匀狭槽阵列中，并被馈送有来自三相电源的三个交流电。每个分量绕组具有环形线圈分布，并且三个分量绕组被放置成使得它们的磁轴沿定子以等于波长的1/3的间距间隔开来。馈送到绕组的交流电具有120度的相对相差。因此，组合的磁通量近似在交流电的一个循环期间以与环形分布的一个波长相等的速度来行进的恒定幅度的正弦波。其它多相绕组是可能的，但是很少使用，因为电源的普遍形式是三相类型。

最常见类型的电驱动器、即许多工业应用中使用的类型的三相感应马达采用这种方法来产生旋转场。参考图1(a)，转子12携有其中感生电流并与旋转场相互作用以在输出轴上产生扭矩的一组导电条(未示出)。

在家用和轻工业应用中，在三相电源不可用的情况下，使用其中两个分量绕组是用相位不同的交流电供电的替代布置。第一电流是由可用单相电源直接提供，并且第二电流通常通过引起相移的电容器来从相同电源获得。相移仅在一个负载条件下才具有正确角度，因此在大多数条件下，此类马达的操作不理想。此类机器称为单向马达，因为它们是从单相电源进行操作，而绕组则更准确地被描述为两相绕组。如果提供相位以90度位移的两个电流的平衡两相电源可用，那么带有以波长的1/4位移的分量绕组的此类型的电机将会形成恒定幅度的旋转场并且可与标准三相机器同样有效。

近年，线性电动马达对包括导引地面运输在内的若干应用和航空载体上的电磁发射系统而言是有吸引力的。另外，线性发电机已用于依赖于往复移动的某些波力装置中。线性电机可被视为已切割且展开的标准旋转机器，如图1(a)..(c)所示。但出现这种情况时，定子10与变换器14之间的力线16所指示的磁吸引力不再由相等且相反的力(如在定子10和转子12的情况下)平衡。

一种克服此问题的常见方法是使用放置在单个变换器14的相对侧上的两个定子10’、10”，如图2所示。在大多数情况下，磁通量18从第一定子10’通过、穿过变换器14、穿过第二定子10”并且再次穿过所述变换器来完成它的回路。

双定子式线性机器可绕原始轴线(如图1(b)中示为A)卷起以便形成旋转机器，其中两个共轴定子包围中空圆柱形转子并且磁通量从内部定子径向通过、穿过内部间隙、圆柱形转子以及外部间隙到达外部定子。具有此配置的机器可应用于其中要求极低惯性的驱动的伺服控制系统中。

或者，线性机器可绕正交于原始轴线的轴线(如图2中示为B)卷起以便形成旋转机器，其中通量轴向通过两个平面气隙而非径向穿过圆柱形气隙。此类型的轴向通量旋转机器尤其已被用作用于再生能量应用的永磁发电机、尤其是小型风力涡轮机。在这种情况下，两个定子中的每个通常携有包括如上所述的三个分量绕组的三相绕组。

本发明的目标在于提供水力涡轮机内的改进的发电。

发明概述

根据本发明，提供一种如权利要求1所述的用于水力涡轮机的电力发电机。

在本发明的实施例中，两个定子中的每个具有单相绕组，其中一个分量绕组容纳在每个定子中，并且两个分量绕组与它们的以约90电角度位移的磁轴对齐。

两个绕组的磁轴之间的位移理想地是90°，并且理想地用相位相差90°的交流电来向所述绕组供电。每个定子携有单个绕组，并且这消除了不得不共享共同狭槽阵列的每个绕组所造成的限制。因此：

1.绕组分布可布置成接近地近似正弦图案，因为狭槽不再需要均匀分布并可根据容纳在所述狭槽中的仅仅一个绕组的要求进行分布。

2.绕组布局简化，因为绕组无需重叠其它绕组，并且因此在线性机器或轴向通量旋转机器的情况下，它可为平面线圈的简单集合

3.绝缘更为简单，因为绕组仅需要与地面隔离而无需与其它绕组隔离。

4.作为2和3的结果，从连续长度的绝缘线缆形成每个绕组变成为可行的。对于海底应用，这是尤其有益的，因为由于所有绕组连接可在单个密封单元内容易地形成而使得其简化了定子电子器件的防水。

在电机内，转子可为环形导体片使得机器正如感应马达或发电机那样操作。这样的感应发电机承受图3-5所示类型的涡轮机内的无轴转子的移动所产生的内圆滚线运动。另外，环形片还可包括用于帮助磁通量在两个定子结构之间的通行的铁磁部分。或者，转子可包括永久磁体阵列以使得机器正如永磁同步马达或发电机那样操作。

两个绕组可从两相电源来馈电，或在发电机情况下，它们可馈电至两相负载之中。两相电源可由以下各项提供：

专用两相交流发电机；

带有两相输出的功率电子转换器，例如可使用两个H桥布置的功率电子转换器，其中所述两个H桥使用IGBT并连接到共同dc链路；

带有一组变压器的三相电源，所述变压器被连接以在三相系统与两相系统之间进行转换，如斯科特-T型(Scott-T)连接变压器；或者

如在单相马达中使用的、带有相移阻抗的单相电源。

用于发电机的两相负载可采用以逆功率流来操作的以上布置之一，或其可仅包括电阻负载区组(bank)。

在大直径旋转机器的情况下，优选地将定子分成多个可管理的区段。所述区段可为设置在机器周围的一组弧部，或替代地，如果使用大量区段，那么在轴向通量机器的情况下，使得区段是笔直的并切向地设置可能是方便且更具有成本效益的。如果区段被间隔开，那么它们绕组中的电动势的相位是不同的。如果区段之间距离是波长的1/3，那么相差则为120度，并且如果定子已以三的倍数进行划分，那么就可使用三相电源向一个定子的区段供电。如果距离是波长的1/6，那么就可使用三相电源，其中交替块的绕组逆变。在任一情况下，可使用其中三个输出与第一三相电源的那些输出成转像相差的第二三相电源向第二定子的区段供电。如果第一定子的区段的绕组以星形形式来连接，那么所要求的第二三相电源可通过以三角形式将第二定子的绕组连接起来并连接到相同三相电源来提供。以此方式，就可使用标准三相电源。应当注意，施加到以三角形式连接的绕组上的电压高于施加到以星形形式连接的绕组上的电压，并且电流更小。因此，优选地将两个定子的绕组布置成通过指定具有不同横截面的导体的成比例地不同的匝数来以不同的电压和电流操作。

附图简述

现将参考附图借助实例来描述本发明的实施例，附图中：

图1(a)至(c)示意性地示出旋转电机和线性电机的部件；

图2示出双定子式线性机器；

图3以正视图示出根据本发明的实施例的用于包括电力发电机的开放中心水力涡轮机(open centered hydro-turbine)的外壳；

图4示出图3的外壳的透视图；

图5是穿过图3和4中指示的线V-V和平面V-V的横截面图；

图6示出用于图3-5的涡轮机的定子上的绕组的示例性布局；

图7(a)和(b)详细示出用于图6的定子的极的绕组的布局；

图8示出用于容纳图6和7的绕组的示例性层合件的横截面；

图9示出用于容纳用于定子的绕组的替代层合件的横截面；

图10示出用于布置成与标准三相电气系统一起操作的两个定子的绕组的电连接；

图11示出用于与图10的系统一起使用的双桥式转换器；以及

图12示出提供二相输出以在本发明的替代实施方式中使用的转换器。

具体实施方式

用于本发明的一个特定应用是用于开放中心、无轴潮流涡轮机中的轴向通量、低速、直接耦合的旋转发电机。现在参考图3和4，示出根据本发明的实施例的这样的涡轮机30，所述涡轮机包括电动马达/发电机。涡轮机包括转轮，所述转轮包括固定在内环34与外环36之间、容纳在护罩38中的一组叶片32。通常，涡轮机外壳还包括底座，所述底座允许涡轮机固定到海下结构，例如重力基座——但此细节未在本案例中示出。

现在转至图5，该图以横截面示出涡轮机的一部分。外环36在由前部环形支架40、外部圆柱形支架42和后部环形支架44限定的通道内延伸——前部和后部相对于流体通过涡轮机的移动(由箭头F指示)来限定的。不过，应当理解，涡轮机可为双向的，并且因此响应于在任一方向上的流体流动。每个支架40、42、44通过相应轴承40’、42’、44’与环36分开。在实施例中，这些部件都不需要是磁性的，并可纯粹地从机械传输效率角度进行设计。

在此实施例中，马达/发电机组合件轴向远离涡轮机组合件设置。马达/发电机组合件同样包括前部环形支架46、圆柱形外部支架48以及后部环形支架50。前部环形支架46可固定到后部环形支架44或实际上这些可生产为一体部件。第一圆形定子包括缠绕在圆形层合件53上的一组线圈52，如下文中更详细描述，并且层合件53固定到前部支架46。第二圆形定子包括缠绕在圆形层合件55上的一组线圈54，如下文中更详细描述，并且层合件55固定到后部支架50。环形转子56设置在两个定子52、54之间，并且这个马达/发电机转子56通过传输环60直接耦合到转轮的外环36。因此，当驱动马达/发电机52、54、56以启动涡轮机时，旋转通过环60而传输到转轮，并且一旦运行，转轮就通过环60驱动马达/发电机。不过，应当了解，在合理潮汐状况下，可用潮流启动涡轮机而无需电启动涡轮机。然而，启动涡轮机的可能性则表明，其可在比这个选项不可用时更大的条件范围内(包括低流条件)操作。

图6更详细地示出图5的定子52、54的构造。在一些应用中，定子可以具有9m的平均直径，并且在这种情况下，极数目为48，即，每个定子52、54上的绕组53、55是单相48极布置。应当了解，第二定子54与第一定子52是相同的并且面向所述第一定子，但是在48极布置中，所述第二定子从第一定子以3.75°的角度周向位移，该位移是极距的一半。

在一个实施例中，每个定子的绕组由铺设到864个狭槽中的12段绝缘线缆形成。图7(a)示出用于一个极60的线缆布局的第一级60(1)，其中为了简化图示，每个极的狭槽数目已经从18减少至10。线缆铺设是从外侧到内侧以螺旋的方式进行，从而形成单层9匝平面线圈。随后，线缆铺设如图7(a)中的点来进行，并且第二层60(2)以如图7(b)中示出的图案形成在相同狭槽中，其在外侧完成。在第二层完成之后，线缆铺设可行进至在相同狭槽中形成另外两个层。或者，线缆铺设可行进以在相邻的极上形成两层。在当前实例中，12段线缆中的每个用于形成总共16对层，并且这些可在16个极中的每个上布置成2层、在8个极中的每个上布置成4层，或在4个极中的每个上布置成8层。将会看到，每段线缆两端位于绕组外侧，并且，因此提供充足多余长度来到达电气设备外壳(未示出)是方便的，在这种情况下，电缆端部可以通过水密通管。这种布置支持海下用途，因为它避免了形成起来成本昂贵且为可能发生电气故障的易受损点的任何线缆接缝或拼接处。12段线缆可并联地耦合至共同单相ac电源，或它们可隔离或连接至分离的独立单相电源，以使在线缆故障或电源故障的情况下，系统可以继续操作。

每个定子核芯53、55理想地是连续层合的环，其可由电钢片的连续螺旋形成。然而，具有所要求尺寸的连续环可能较为笨重，并且在一些应用中，优选地将核芯分成能够组装形成多边形的多个弧部或短直段。在当前实例中，优选布置具有12个弧部或笔直段，并且线缆绕组在各自上形成为八个层的四个极。因此，可在核芯区段组装形成完整的定子环(或多边形)之前形成绕组。

在一个实施例中，狭槽80如图8所示那样分布，其中位置被选择为随着更远离极轴而给出逐渐更高密度的匝，从而给出对正线电流分布的良好近似。图8示出来自面向彼此并以半个极距位移的两个定子的截面。

在替代布置中，狭槽可布置成均匀狭槽阵列，但是其中每个狭槽包含不同数目的匝。这可通过省略前几个层的每个极周围的线缆的一些内部环路来实现。在这种情况下，狭槽深度可根据所分配的匝数而有所不同，或狭槽可全部具有相同深度，并且包含更少匝的那些狭槽可包含有惰性填料。图9中的图示示出具有最远离极轴的较深狭槽90的层合件，其可包含8层线缆。每个极的前两层的绕组将会具有2个环路。在更靠近极轴的位置处，较浅狭槽允许接下来两个层具有3个环路，并且最后四个层包含有4个环路。

还可使用图8和9中示出的用于实现正弦分布的方法的组合。实现对正弦波的接近近似的益处在于，与电流分布的空间谐波分量相关联的损失减少。谐波分量产生以不同于基本速度的速度旋转并在转子内感生非想要电流而引起额外损失的通量分量。

图10是示出用于发电机的示例性电气系统的电路图。在一个实施方式中，三个绕组a、b和c以星形形式连接到电源/电网100并容纳有一个定子；而第二组绕组A、B和C以三角形式连接到电源/电网并容纳有另一定子。每个定子结构分成多个区段，其中所述区段被布置成使得机器内的行波磁场在区段内感生相位以120电角度位移的单相交变电动势。因此，每个绕组a、b、c、A、B、C连接到每个定子的相应区段。三角连接绕组A、B、C应当具有多达星形连接中的匝约√3倍的匝，因为它们可以相同的磁通量但以高√3倍的电压操作。然而，它们仅仅携有1/√3那样多的电流来递送相同的电力，并且它们的绕组可具有相应更小的横截面。

包括电压源逆变器的示例性功率转换电路100在PCT/EP2012/065701(代理人参考号：P101404pc00/OHG41-PCT)中进行描述。图11尤其示出两桥式转换器，其中第一级转换器110和第二级转换器120都包括通过DC链路140连接的3相电压源逆变器。第一级110的相位端口连接到电源/电网，而第二级120的相位端口P1、P2、P3连接到定子块，如图10所示。

现在参考图12，在其它实施方式中，每个定子的单相绕组可连接到包括相应H桥的功率转换器110、140、125，所述功率转换器将dc源140转换成单相ac源，即相位A和相位B，两个H桥125的dc端口连接到共同dc源140，并且它们的ac端口被布置成提供相位不同的电压相位A和相位B。

转子56是在两个定子之间的间隙中旋转的环形导电体片或板，如图5所示。环带可由若干弧形或梯形片制造而成。最佳情况是避免使用数目与定子区段的数目相等的片以使得接缝所形成的任何扭矩脉动趋于相互抵消。

Claims (14)

1.一种用于水力涡轮机的电力发电机，所述电力发电机轴向耦合到所述水力涡轮机并且包括转子、第一定子结构和第二定子结构，所述转子被布置成响应于流体流过所述涡轮机而绕轴线旋转，所述第一定子结构包括至少一个第一绕组，所述至少一个第一绕组围绕所述轴线周向设置并在第一内侧方向上从所述转子轴向位移，并且所述第二定子结构包括至少一个第二绕组，所述至少一个第二绕组围绕所述轴线周向设置并在第二外侧方向上从所述转子轴向位移，所述转子被布置成与所述绕组电耦合。

2.如权利要求1所述的电力发电机，其中所述电力发电机是直驱式发电机。

3.如权利要求2所述的电力发电机，其中所述电力发电机连接到二级转换器，所述二级转换器包括：第一级，所述第一级具有被布置成连接到电网的一个端口和被布置成连接到DC链路的第二端口；以及第二级，所述第二级具有被布置成连接到所述DC链路的一个端口和被布置成连接到所述定子的所述绕组的第二端口。

4.如权利要求3所述的电力发电机，其中所述第一级转换器是3相电压源逆变器，并且所述第二级是3相电压源逆变器。

5.如权利要求4所述的电力发电机，其中所述第二级转换器连接到呈三角配置的三个外侧定子块和呈星形配置的三个内侧定子块。

6.如权利要求4所述的电力发电机，其中所述第二级转换器连接到呈星形配置的三个外侧定子块和呈三角配置的三个内侧定子块。

7.如权利要求3所述的电力发电机，其中所述第一级转换器是3相电压源逆变器，并且所述第二级是提供2相输出的双H桥。

8.如权利要求3、5、6或7所述的电力发电机，其中每个定子包括用于提供到所述转换器的单相连接的相应单相绕组。

9.如权利要求8所述的电力发电机，其中所述单相绕组是缆线绕组。

10.如权利要求8或9所述的电力发电机，其中每个定子包括多个层合件，每个层合件具有不均匀的开槽布置，所述不均匀的开槽布置被布置成容纳所述绕组，从而产生近似正弦分布。

11.如权利要求1至10中任一项所述的电力发电机，其中所述第一定子结构的所述至少一个第一绕组切向地从所述第二定子的所述至少一个第一绕组位移。

12.如权利要求1至11中任一项所述的电力发电机，其中所述发电机是感应发电机。

13.如权利要求1至11中任一项所述的电力发电机，其中所述发电机是永磁发电机。

14.如权利要求1至13中任一项所述的电力发电机，其中所述水力涡轮机是开放中心、无轴潮流涡轮机。