CN107681829B - 一种直驱式海浪发电机结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种直驱式海浪发电机结构，属于电机技术领域。该结构由定子、转子、叶轮组成。其中转子为中空结构，通过外轴固定的方式连接到定子上并旋转，中空部分装有通过轴向液压装置变桨的叶轮。本发明采用叶轮内置于转子的机泵一体化结构，使得能量传递环节减少，能有效降低能量传递损失和设备故障率，并且可变桨距的叶轮设计使海浪能的利用率最大化。当海浪冲击叶轮带动转子旋转发电时，海水可以带走因损耗产生的热量，有效降低电机温升，相比于传统海浪发电机，有效延长了使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种海浪发电机结构，特别是一种直驱式海浪发电机结构。属于海浪发电技术领域。
背景技术
随着环境恶化和化石能源紧张的趋势日益显著，开发和利用清洁能源已逐渐被人们所重视。海浪发电便是一种有效利用清洁能源的手段。目前，所研究和使用的传统海浪发电系统均是通过某种动力转换装置，将海浪中蕴藏的能量吸收起来，再传递给齿轮传动装置，进而带动传统意义上的发电机旋转，从而发电。然而由于海底环境恶劣，传动装置长期工作在海洋环境中易出现各种故障，并且海水浸泡等造成的传动装置摩擦损耗的增大，会导致能量存在一部分损耗。
中国发明专利“双向叶轮直驱海浪发电机组 ”（申请号：106014846A）提出了一种直驱式海浪发电机结构，该结构采用双向传统螺旋桨式叶轮结构，虽然在一定程度上提高了海浪的往返动能利用率，但由于采用轴向双电机设计，不但对转子轴承的机械强度要求高，还增加发电成本。并且在发电机轴向方向加设“子弹头”型导流罩，使得水流在流过发电机时，产生扰流体，对电机振动产生影响。这就对发电机固定就提出了更高的要求。扰流体严重时还可能与发电机振动产生共振，进而影响发电效率。此外，导流罩的设置加大了叶轮叶片在海浪涌动时受到的冲击，易使叶轮叶片海水在涨潮落潮等涌动猛烈的时刻发生断折等事故。因此，设计一种结构简单，运行稳定，效率高的海浪发电机势在必行。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种直驱式海浪发电机结构，设计为机泵一体化的直接驱动方式，减少了能量传递的环节，使得采用该结构的发电机不需要变速箱，有效减小设备发生故障的概率、降低能量传递损失、提高能源的利用率；提高一体化程度，便于集中控制，节约设备成本并减小所占用的空间。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的直驱式海浪发电机结构，包括定子铁芯（1）、定子绕组（2）、定子端环（3）、转子铁芯（4）、永磁体（5）、转子固定端环（6）、转子固定轴承（7）、气隙（8）、叶轮（9）；
定子绕组（2）嵌于定子铁芯（1）内侧的定子槽中，永磁体（5）嵌于转子铁芯（4）外表面，定子铁芯（1）与转子铁芯（4）之间为气隙（8）；
定子铁芯（1）两侧端部装有定子端环（3）、转子铁芯（4）两侧端部装有转子固定端环（6），定子端环（3）和转子固定端环（6）之间为转子固定轴承（7），使得转子通过转子固定轴承（7）以外轴固定方式连接到定子铁芯（4）上并旋转。
转子铁芯（4）内部为中空结构，叶轮（9）固定于转子铁芯（4）内侧，海水推动叶轮（9）旋转时，带动转子铁芯（4）同步旋转。采用定子固定端环（6），有效防止了转子固定轴承（7）对定子铁芯的磨损，并在一定程度上保护了定子绕组（2）。
所述的发电机结构中，发电机轴向尺寸小于径向尺寸。采用该种结构，减小了发电机的转动惯量，使海浪易于推动叶轮（9）带动转子铁芯（4）同步旋转。并且有效降低了对海洋生物的影响。
所述的发电机结构中，叶轮（9）包括多个叶片，呈对称分布，叶片之间在周向上有5-10°的缝隙。采用该种结构可以保证当桨距较小时，海浪可以从转子内部正常流出。
所述的发电机结构中，叶轮（9）的前后轮缘通过固定在外轮缘上的轴向液压装置连接。发电机采用大尺寸的设计方案，所以采用该种结构可以有效降低液压装置所受到的切向力，保护变桨系统。液压装置位于叶片与叶片之间；通过控制系统调节液压装置的伸缩，改变桨距。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1）采用直驱式海浪发电机结构，具有可由海浪直接驱动转子旋转的特点，不需要变速箱等传动装置，减少能量传递环节，在有效降低能量损耗的同时也降低了设备发生故障的概率；并且缩小了发电机系统的体积、降低了设备成本。
2）采用可变桨距的叶轮设计，不但可以使叶轮叶片随海浪方向变化做出自适应调整，而且还具有电机调速的功能，并且机泵一体化设计能够提高能量转化效率，使能源得到最大化利用。
3）采用中空转子结构，叶轮安装在中空转子内部，方便了海浪从转子内部轴向流出，同时在海水流出转子时还可以带走因摩擦及涡流等原因而产生的热量，有效减小发电机温升。并且内嵌式叶轮和中空转子的使用大大提高了机泵一体化程度，在设备安装及维修时，便于机械化整体作业。
附图说明
图1：发电机轴向剖面图。
图2：发电机结构主视图。
图3：叶轮结构示意图。
图4：叶片示意图。
图中：1—定子铁芯、2—定子绕组、3—定子端环、4—转子铁芯、5—永磁体、6—转子固定端环、7—转子固定轴承、8—气隙、9—叶轮、10—直线轴承、11—固定螺栓、12—前轮缘、13—后轮缘、14—固定杆、15—叶片、16—液压装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
如图1、图2所示，所述的直驱式海浪发电机结构，包括定子铁芯（1）、定子绕组（2）、定子端环（3）、转子铁芯（4）、永磁体（5）、转子固定端环（6）、转子固定轴承（7）、气隙（8）、叶轮（9）、固定直线轴承（10）、固定螺栓（11）、前轮缘（12）、后轮缘（13）、固定杆（14）、叶片（15）、液压装置（16）。
定子铁芯（1）的定子槽中装有定子绕组（2），永磁体（5）表贴于转子铁芯（4）外表面，定子铁芯（1）与转子铁芯（4）之间为气隙（8）。
定子铁芯（1）两侧端部装有定子端环（3），转子铁芯（4）两侧端部装有转子固定端环（6），定子端环（3）和转子固定端环（6）之间为转子固定轴承（7），使得转子通过转子固定轴承（7）以外轴固定方式连接到定子铁芯（4）上并旋转。
在转子铁芯（4）内壁对应叶轮固定螺栓（11）的位置上开有槽孔，用于安装固定直线轴承（10）。叶轮（9）的后轮缘（13）通过固定螺栓（11）固定在直线轴承（10）上；前轮缘（12）通过沿轮缘周向均匀分布的螺栓固定在转子固定端环（6）上，或者通过沿轮缘周向均匀分布的螺栓固定在转子铁芯（4）上，使得前轮缘（12）相对于转子固定，而后轮缘（13）相对于转子能够做轴向的直线运动。
如图3、图4所示，叶片（15）的两条直线边为中空结构，分别通过贯穿其中的固定杆（14）和固定螺栓（11）固定在轮缘上。叶轮（9）有两个轮缘，每个叶片（15）的一条直线边固定在前轮缘（12）上，另一条直线边固定在后轮缘（13）上。在后轮缘（13）的圆周上沿径向开有长方形的变桨槽，随着液压装置的变化，后轮缘上的固定杆（14）可在变桨槽内沿周向移动。
具体实施例1：
以图3所示叶轮结构和最佳桨距角45°为例，具体说明海浪方向变化与桨距变化的关系。
当海浪沿轴向水平冲击叶轮（9）时，液压装置保持不动作状态，维持前后轮缘的距离不变，维持桨距角。
当海浪沿轴向以俯角冲击叶轮（9）时，此时冲击角较最佳桨距角时的冲击角变小。液压装置动作收缩，缩小前后轮缘间距，减小桨距，增大冲击角。
当海浪沿轴向以仰角冲击叶轮（9）时，此时冲击角较最佳桨距角时的冲击角变大。液压装置动作伸张，增大前后轮缘间距，增加桨距，减小冲击角。
具体实施例2：
以图3所示叶轮结构和初始桨距角60°为例，具体说明电机调速与桨距变化的关系。
海浪水平冲击叶轮时，当发电机转子转速过高时，液压装置动作伸张，增大前后轮缘间距，增加桨距，减小冲击角，实现降速。
海浪水平冲击叶轮时，当发电机转子转速过低时，液压装置动作收缩，减小前后轮缘间距，减小桨距，增大冲击角，实现增速。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种直驱式海浪发电机结构，其特征在于：包括定子铁芯(1)、定子绕组(2)、定子端环(3)、转子铁芯(4)、永磁体(5)、转子固定端环(6)、转子固定轴承(7)、气隙(8)、叶轮(9)；
定子绕组(2)嵌于定子铁芯(1)内侧的定子槽中，永磁体(5)嵌于转子铁芯(4)外表面，定子铁芯(1)与转子铁芯(4)之间为气隙(8)；
定子铁芯(1)两侧端部装有定子端环(3)、转子铁芯(4)两侧端部装有转子固定端环(6)，定子端环(3)和转子固定端环(6)之间为转子固定轴承(7)，使得转子通过转子固定轴承(7)以外轴固定方式连接到定子铁芯(4)上并旋转；
转子铁芯(4)内部为中空结构，叶轮(9)固定于转子铁芯(4)内侧，海水推动叶轮(9)旋转时，带动转子铁芯(4)同步旋转；叶轮(9)的前后轮缘通过固定在轮缘上的轴向液压装置连接，液压装置位于叶片与叶片之间，通过控制系统调节液压装置的伸缩，改变桨距；前轮缘(12)相对于转子固定，而后轮缘(13)相对于转子能够做轴向的直线运动；叶片(15)的两条直线边为中空结构，分别通过贯穿其中的固定杆(14)和固定螺栓(11)固定在轮缘上，每个叶片(15)的一条直线边固定在前轮缘上，另一条直线边固定在后轮缘(13)上，在后轮缘(13)的周向沿径向开有长方形的变桨槽，随着液压装置的变化，后轮缘上的固定杆可在变桨槽内沿周向移动。
2.根据权利要求1所述的一种海浪发电机结构，其特征在于：发电机轴向尺寸小于径向尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种海浪发电机结构，其特征在于：叶轮(9)包括多个叶片，呈对称分布，叶片之间在周向上有5-10°的缝隙。
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