CN105927454B - 轴流磁悬浮永磁水轮发电机 - Google Patents

轴流磁悬浮永磁水轮发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴流磁悬浮永磁水轮发电机，包括具有进水口的蜗壳、设于蜗壳内并与其同轴心的转子轴、设于蜗壳内且与其同轴心的左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承、分别设于蜗壳的两端且用于对转子轴进行轴向限位的左限位组件及右限位组件、设于转子轴上的水轮发电机组以及设于蜗壳内且用于将进入水导流至水轮发电机组件处的第一导流组件以及用于将腔内水从蜗壳的两端引出的第二导流组件；所述转子轴的两端分别穿设于左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承中并在左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承的径向排斥力作用下始终悬浮于蜗壳的轴心上而不偏心；所述转子轴的两端分别抵于左限位组件和右限位组件上。上述轴流磁悬浮永磁水轮发电机的结构简单、发电效率高。

Description

轴流磁悬浮永磁水轮发电机
技术领域
本发明涉及水力发电领域，特别涉及一种轴流磁悬浮永磁水轮发电机。
背景技术
微水电利用电力负荷附近的低水头小流量的微小水资源发电，无需变电、直接供用户使用的水力发电系统。微水电是解决环境与资源矛盾的重要途径，对推动我国和其它国家特别是发展中国家农村电气化、可持续发展和社会的全面进步具有重要的战略意义。
但当前的微水发电效率普遍较低，如欧美，利用调速的方式，使微水电的效率达到70-80%，而中国为了降低开发成本，使用不调速配合假负载的方式发电，转化效率极低，大约20-40%。为了提高换能效率，特别是微水发电效率，人们开发了几种磁悬浮的水力发电机。
专利201220544617.6给出了一种磁悬浮水力发电机，转轮通过皮带轮电机连接发电。由于皮带轮有摩擦，效率不高；而且转子着陆不方便。
专利201310358998.8公开的磁悬浮水轮发电机，由于采用的是轴流式水轮机，轴向具有较大推力，必须使用包含电磁的混合磁悬浮才能保证转轮完全悬浮，所以结构复杂成本高，有额外电能消耗。因此，对于平流微水开发 ，有必要开发一种低成本，能实际应用的高效磁悬浮水力发电机。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单、成本低廉、发电效率高的微水资源发电的轴流磁悬浮永磁水轮发电机。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种轴流磁悬浮永磁水轮发电机，包括具有进水口的蜗壳、设于蜗壳内并与其同轴心的转子轴、设于蜗壳内且与其同轴心的左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承、分别设于蜗壳的两端且用于对转子轴进行轴向限位的左限位组件及右限位组件、设于转子轴上的水轮发电机组以及设于蜗壳内且用于将进入水导流至水轮发电机组件处的第一导流组件以及用于将腔内水从蜗壳的两端引出的第二导流组件；所述转子轴的两端分别穿设于左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承中并在左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承的径向排斥力作用下始终悬浮于蜗壳的轴心上而不偏心；所述转子轴的两端分别抵于左限位组件和右限位组件上；
所述水轮发电机组包括设于所述转子轴中段的无铁心永磁发电机、设于转子轴上并位于所述无铁心永磁发电机左侧的左水轮转子以及设于转子轴上并位于所述无铁心永磁发电机右侧的右水轮转子，所述第一导流组件用于将进入水导流至左水轮转子和右水轮转子处以冲击左水轮转子和右水轮转子向同一个方向转动。
进一步的，所述进水口位于所述蜗壳的中段，在所述进水口处还设置有与其连通且与蜗壳的轴线垂直的进水管。
进一步的，在所述进水管上设置有用于除铁的除铁装置。
进一步的，在所述进水管的进水端设有过滤网。
其中，所述第一导流组件包括对称设于所述蜗壳内的第一左引流罩及第一右引流罩，所述第一左引流罩及第一右引流罩的对称轴过所述过水孔的中心；第一左引流罩及第一右引流罩相对的大开口端均固定于蜗壳的内壁上，相互远离的小开口端分别位于对应的水轮转子处。
其中，所述第二导流组件包括对称设于所述蜗壳内的第二左引流罩及第二右引流罩，所述第二左引流罩及第二右引流罩相对的小开口端分别与对应的第一左引流罩和第一右引流罩的小开口端连通，所述第二左引流罩及第二右引流罩的大开口端分别固定于蜗壳两端的内壁上。
其中，所述左限位组件及右限位组件均包括一限位块以及用于将限位块固定于蜗壳对应端头的限位块支架。
其中，所述转子轴两端为尖端。
其中，所述左水转转子、右水轮转子对称位于所述无铁心永磁发电机的左右两侧；所述左悬浮磁轴承、右悬浮磁轴承对称位于所述无铁心永磁发电机的左右两侧，并且所述左悬浮磁轴承、右悬浮磁轴承分别靠近蜗壳的左、右两端。
其中，所述转子轴及位于其上的附件的密度为1。
本发明轴流磁悬浮永磁水轮发电机，本发明轴流磁悬浮永磁水轮发电机，进水从进水管进入蜗壳，除去含铁成分物质，由第一导流组件将进水引入水轮转子处，通过第一导流组件将进水变成稳流层流，向两端冲击左水轮转子和右水轮转子，推动两个水轮转子向同一个方向旋转，水轮转子带动转子轴转动，从而使得发电机发电，腔内水从左水轮转子和右水轮转子向蜗壳两端流出，排出成尾水。本发明实施例，通过压力管将水引向水轮机叶片转子驱动转子轴及电机转子转动实现发电，其圆盘式电机转子关于圆盘定子左右对称，使得转子在旋转过程中定子绕组能最大限度切割磁力线，发电效率高；磁悬浮轴承使转子轴旋转无机械摩擦，提高了能量转化效率、延长发电机的使用寿命悬浮，同时免日常维护，电机成本和运行成本低，特别适合水质量好的微水资源发电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 是本发明轴流磁悬浮永磁水轮发电机一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，图1 是本发明轴流磁悬浮永磁水轮发电机一实施例的结构示意图。本实施例的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，包括具有进水口的蜗壳1、设于蜗壳1内并与其同轴心的转子轴2、设于蜗壳1内且与其同轴心的左悬浮磁轴承31及右悬浮磁轴承32、分别设于蜗壳1的两端且用于对转子轴2进行轴向限位的左限位组件41及右限位组件42、设于转子轴2上的水轮发电机组5以及设于蜗壳1内且用于将进入水导流至水轮发电机组5件处的第一导流组件以及用于将腔内水从蜗壳1的两端引出的第二导流组件；所述转子轴2的两端分别穿设于左悬浮磁轴承31及右悬浮磁轴承32中并在左悬浮磁轴承31及右悬浮磁轴承32的径向排斥力作用下始终悬浮于蜗壳1的轴心上而不偏心；所述转子轴2的两端分别抵于左限位组件41和右限位组件42上；所述水轮发电机组5包括设于所述转子轴2中段的无铁心永磁发电机51、设于转子轴2上并位于所述无铁心永磁发电机51左侧的左水轮转子52以及设于转子轴2上并位于所述无铁心永磁发电机51右侧的右水轮转子53，所述第一导流组件用于将进入水导流至左水轮转子52和右水轮转子53处以冲击左水轮转子52和右水轮转子53向同一个方向转动。具体地：
蜗壳、进水管等采用硬塑料，不导磁，进一步减少涡流损耗，所述蜗壳1呈圆筒状，也即呈具有两端开口的空心圆柱体状，蜗壳1采用卧式水平安装，一般安装于水面下，进水管对准上游来水或者连接压力管道，蜗壳1的两端为尾水出水口，本实施例中的左限位组件41及右限位组件42则分别安装在相应的出水口处。所述进水口位于所述蜗壳1的中段，在所述进水口处还设置有与其连通且与蜗壳1的轴线垂直的进水管11，在所述进水管11上设置有用于除铁的除铁装置，本实施例中，所述除铁装置为呈环形的永磁铁12，其环设于进水管11上。可理解的，在其他的实施例中，所述进水管11的设置方式并不限于上述垂直于蜗壳1轴线的方式，例如它可以与轴线平行或者呈一定夹角等等，除铁装置也并不限于永磁铁12，现有技术中能够除去流进进水管11的物质中的铁磁物质的材料或装置均可用于本方案中，永磁铁12的结构形状及安装方式也不应当受上述限制。设置除铁装置的作用是将去除进水的铁磁材料，以防止其影响无铁心永磁发电机51的正常工作。为了过滤水中杂物（例如杂草、树枝等），在所述进水管11的进水端设有过滤网13，本实施例中的过滤网13为尖端向外的锥形过滤网，以便杂物不会堆积在网前，堵塞进水管和缠绕上水轮转子53。过滤网13可以用不锈钢薄板焊接而成，也可用硬塑料注塑而成，在锥形表面打尽量多的小通孔，保证其具有过滤功能，但同时不显著增加影响水力损失。
所述第一导流组件包括对称设于所述蜗壳1内的第一左引流罩61及第一右引流罩62，所述第一左引流罩61及第一右引流罩62的对称轴过所述过水孔的中心；第一左引流罩61及第一右引流罩62相对的大开口端均固定于蜗壳1的内壁上，相互远离的小开口端分别位于对应的水轮转子52、53处，同时左、右水轮转子52、53与对应的小开口端之间的环形空隙具有约2mm的松配合量，保证左、右水轮转子52、53与蜗壳1内壁不碰撞而且水量损失较小。第一导流组件相应于进水口的位置处具有与其匹配的过水孔，进水流经进水口、过孔后，分别沿第一左引流罩61和第一右引流罩62的罩壁流向左水轮转子52及右水轮转子。所述左水轮转子52及右水轮转子均为水轮叶片式转子，叶片的均朝向同一个方向，所述左水轮转子52及右水轮转子均用耐水高强度轻型材料制作，叶片外形与蜗壳整流罩配合，可参考水资源特点用计算流体力学方法设计，该左水轮转子52及右水轮转子54关于无铁心永磁发电机51左右对称，安装在悬浮磁轴承与无铁心永磁发电机51之间的转子轴2上。使第一左引流罩61和第一右引流罩62与对应的水轮转子配合并相对安装，使整流罩在过水时两水轮转子获得相同方向的转矩，左右顶尖最多只有一个与421或者411呈点接触、摩擦力极小，转子基本磁悬浮；低了摩擦损耗，提高换能效率。
所述第二导流组件包括对称设于所述蜗壳1内的第二左引流罩71及第二右引流罩72，所述第二左引流罩71及第二右引流罩72相对的小开口端分别与对应的第一左引流罩61和第一右引流罩62的小开口端连通，所述第二左引流罩71及第二右引流罩72的大开口端分别固定于蜗壳1两端的内壁上。第二左引流罩71及第二右引流罩72同样关于上述对称轴对称设计，第二左引流罩71及第二右引流罩72的小开口端形状大小与对应的第一左引流罩61和第一右引流罩62的小开口端形状大小相匹配。
本实施例中，所述第一左引流罩61、第一右引流罩62、第二左引流罩71、第二右引流罩72与蜗壳1是一整体，它们可与蜗壳1一体成形。
所述无铁心永磁发电机51包括一电机定子511、一电机左转子512以及一电机右转子513。所述电机定子511为无铁心圆盘，穿设于转子轴2上并位于其中间段，即电机定子511均位于蜗壳1轴向的同一段位置处，均位于中间段。在电机左转子512及电机右转子513上沿圆周方向均匀布置有转子永磁铁，所述电机左转子512及电机右转子513穿设于转子轴2上并以对称的方式位于电机定子511的左右两侧。所述左水轮转子52及右水轮转子54穿设于所述转子轴2上并以对称的方式位于电机定子511的左右两侧。由于电机转子与电机定子511都为圆盘形并且电机转子关于电机定子511对称分布，有利于电机转子产生的磁场最大程度地切割电机定子511上的线圈。
所述左悬浮磁轴承31及右悬浮磁轴承32分别靠近蜗壳1的左右两端，它们均包括一悬浮磁轴承定子311、321以及位于悬浮磁轴承定子311、321内的同心悬浮磁轴承转子312、322，所述悬浮磁轴承定子311、321通过一支架固定于所述蜗壳1的内壁上。所述主轴分别穿设于左悬浮磁轴承31定子和右悬浮磁轴承32转子上以悬浮于悬浮磁轴承转子312、322内。所述左悬浮磁轴承31与右悬浮磁轴承32以对称的方式位于电机定子511的左右两侧，所述左水轮转子52位于左悬浮磁轴承31与电机左转子512之间，所述右水轮转子54位于右悬浮磁轴承32与电机右转子513之间。
磁悬浮轴承使转子轴2轴向在磁场力的作用下处于基本平衡位置；保证转子轴2水平安装时，转子轴2及其上的水轮转子52、53和磁轴承转子总重量与总浮力相等，而在磁悬浮轴承产生的径向排斥力作用下，转子轴2静止或运动时始终能位于蜗壳1圆柱体的中心轴线上而不发生偏心现象；限位板为玻璃块，光滑摩擦小，并使其与两顶尖之间距离极小，用于平衡磁悬浮转子轴向极小的不平衡力，实现转子轴2径向永磁悬浮，轴向顶尖极小点接触力，进一步提高发电机的发电效率。
本实施例中，所述转子轴2及位于其上的附件的平均密度为1，对称安装。即转子轴2和固定在其上的左右附件，例如水轮转子、磁悬浮轴承转子、电机转子，它们的总重力等于总浮力，如此则可使得水轮机能浮于水中。
所述左限位组件41及右限位组件42均包括一限位块411、421以及用于将限位块411、421固定于蜗壳1对应端头的限位块支架412、422，所述转子轴2两端为尖端（圆锥顶尖），可使用软质耐磨材料制成。
本实施例中，所有磁铁表面用耐水油漆进行防水防锈处理，定子绕组固封于高强度绝缘耐水材料内，蜗壳采用高强度绝缘耐水材料。
本发明轴流磁悬浮永磁水轮发电机，进水从进水管11进入蜗壳1，除去含铁成分物质，由第一导流组件将进水引入水轮转子处，通过第一导流组件将进水变成稳流层流，向两端冲击左水轮转子52和右水轮转子54，推动两个水轮转子向同一个方向旋转，水轮转子带动转子轴2转动，从而使得发电机发电，腔内水从左水轮转子52和右水轮转子54向蜗壳1两端流出（通过第二导流组件流出），排出成尾水。本发明实施例，通过压力管将水引向水轮机叶片转子驱动转子轴2及电机转子转动实现发电，其圆盘式电机转子关于圆盘定子左右对称，使得转子在旋转过程中定子绕组能最大限度切割磁力线，发电效率高；磁悬浮轴承使转子轴2旋转无机械摩擦，提高了能量转化效率、延长发电机的使用寿命悬浮，同时免日常维护，电机成本和运行成本低，特别适合水质量好的微水资源发电。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种轴流磁悬浮永磁水轮发电机，包括具有进水口的蜗壳、设于蜗壳内并与其同轴心的转子轴、设于蜗壳内且与其同轴心的左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承、分别设于蜗壳的两端且用于对转子轴进行轴向限位的左限位组件及右限位组件、设于转子轴上的水轮发电机组以及设于蜗壳内且用于将进入水导流至水轮发电机组件处的第一导流组件以及用于将腔内水从蜗壳的两端引出的第二导流组件；其特征在于，所述转子轴的两端分别穿设于左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承中并在左悬浮磁轴承及右悬浮磁轴承的径向排斥力作用下始终悬浮于蜗壳的轴心上而不偏心；所述转子轴的两端分别抵于左限位组件和右限位组件上；
所述水轮发电机组包括设于所述转子轴中段的无铁心永磁发电机、设于转子轴上并位于所述无铁心永磁发电机左侧的左水轮转子以及设于转子轴上并位于所述无铁心永磁发电机右侧的右水轮转子，所述第一导流组件用于将进入水导流至左水轮转子和右水轮转子处以冲击左水轮转子和右水轮转子向同一个方向转动。
2.如权利要求1所述的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，其特征在于：所述进水口位于所述蜗壳的中段，在所述进水口处还设置有与其连通且与蜗壳的轴线垂直的进水管。
3.如权利要求2所述的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，其特征在于：在所述进水管上设置有用于除铁的除铁装置。
4.如权利要求2所述的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，其特征在于：在所述进水管的进水端设有过滤网。
5.如权利要求1所述的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，其特征在于：第一导流组件相应于进水口的位置处具有与其匹配的过水孔，所述第一导流组件包括对称设于所述蜗壳内的第一左引流罩及第一右引流罩，所述第一左引流罩及第一右引流罩的对称轴过所述过水孔的中心；第一左引流罩及第一右引流罩相对的大开口端均固定于蜗壳的内壁上，相互远离的小开口端分别位于对应的水轮转子处。
6.如权利要求5所述的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，其特征在于：所述第二导流组件包括对称设于所述蜗壳内的第二左引流罩及第二右引流罩，所述第二左引流罩及第二右引流罩相对的小开口端分别与对应的第一左引流罩和第一右引流罩的小开口端连通，所述第二左引流罩及第二右引流罩的大开口端分别固定于蜗壳两端的内壁上。
7.如权利要求1所述的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，其特征在于：所述左限位组件及右限位组件均包括一限位块以及用于将限位块固定于蜗壳对应端头的限位块支架。
8.如权利要求1所述的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，其特征在于：所述转子轴两端为尖端。
9.如权利要求1所述的轴流磁悬浮永磁水轮发电机，其特征在于：所述左水轮转子、右水轮转子对称位于所述无铁心永磁发电机的左右两侧；所述左悬浮磁轴承、右悬浮磁轴承对称位于所述无铁心永磁发电机的左右两侧，并且所述左悬浮磁轴承、右悬浮磁轴承分别靠近蜗壳的左、右两端。
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