CN1109817C - 设备、尤其是电力设备、尤其是用于液流和气流的换能器 - Google Patents

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Abstract

一方面，本发明涉及一种设备，其包含：一环形定子环；一可在所述定子环内部或外部旋转的环形转子环，二者最好基本同轴；磁装置，其最好包含电磁体；可选择的第一装置，用于控制所述电磁体内的电流，提供所述磁装置和/或用所述第一装置进行控制，使得在所述定子环和所述转子环之间产生吸引磁力，以更好地从根本上加强所述转子环和/或定子环的静态和/或动态的稳定性。

Description

设备、尤其是电力设备、尤其是用于 液流和气流的换能器
技术领域
本发明涉及一电力设备，特别是通过用于液流和气流的换能器对本发明进行示例性的说明，该换能器的功率范围例如是在一个或几个或几十个马力到几千甚至更多马力之间。然而，本发明也可以应用于其它领域，其中，例如有两个基本上同轴的环彼此相对旋转。
背景技术
在回转式设备中，当将电能转换成机械能和相反的将机械能转换成电能时，传输机械能的轴通常以低速旋转，这是由于在很多结构中，机械传动装置或者机械负载都以低速旋转。
其中使用了低速旋转轴的系统的一个例子是用于驱动作为负载的船的螺旋桨的柴油发动机。在元件的这种组合中，使轴以低速运转是可靠的技术实践。
具有低速旋转轴的系统的另一个例子是用于驱动作为负载的磨石或水轮的风力涡轮机。
在一传统构造的旋转式电力设备中，组成部件都紧密地设置在中心轴附近。当为了将电能转化为机械能而将这种设备用作马达时，或者为了将机械能转化为电能而将这种设备用作发电机时，因为转子与定子相比其圆周速度较低，因而使用一低速旋转的轴是不利的。较低的圆周速度会导致设备的功率密度较低，因而对于一给定的功率级，就需要装配重型设备。
为了提高电力设备的功率密度，一个可行的方法是提高转子相对于定子的速度。经常使用的方法是在电力设备和一低速旋转的轴之间设置一齿轮箱，采用这样的方式，电力设备的轴的旋转速度就会比低速旋转的轴快。
提高转子相对于定子的圆周速度的另一种方法是：加大转子距轴的距离，由彼此相对旋转的两个同轴环的系统构成电力设备，包含有电力设备的转子和定子的环如图1所示，图1取自1905 Amsterdam中I.Jacobson的“De Elektriciteit en hare techniek”。
这种具有两个环的结构可以用于将液流或气流中含有的能量转化为电能，或者用于将电能转化为液流或气流中的能量。在这种情况下，图1所示的结构可以按这样的方式进行变化，即，用螺旋桨或涡轮机叶片代替转子轮的轮辐，并且气体或液体介质围绕这些叶片流动，驱动转子环旋转。尽管如此，中心轴还保留着。
转子环装置(rotorring)的中心轴的机械支承需要从轴向外引导到与定子环装置(statorring)连接的部件的机械部件。
对于在例如300米长的运油船之类的商用船或者海船上使用的船的螺旋桨，其机械支承件将引起水流的脉动干扰，在水中产生噪声，并且引起轴和船体的机械振动。
在利用例如具有几兆瓦功率的风力或水流和直径例如是20米的叶片产生电能的情况下，中心轴的机械支承件也会引起介质和结构中的脉动干扰。
对介质的平稳流动的干扰会导致能量转换的效率降低，而且在许多情况下由此产生的噪音是难以接受的。
具有机械中心轴、带有轴承、其上配合有马达或发电机的螺旋桨结构使得螺旋桨和发电机系统沿轴向的尺寸与螺旋桨的直径相比要大得多。在很多结构中，这是一个缺点。螺旋桨的轴承和马达/发电机不得不在一条直线上，这就需要对轴承和马达/发电机具有一刚性支承，或者，另一种方法是包含这样的元件，其允许螺旋桨的轴和马达/发电机的轴具有位置和角度偏差。
利用转子至少部分地支承从所述转子向内延伸且由液体或气体环流的叶片，从而使转子具有一环形的轴颈环，该轴颈环与其沿轴向的长度相比具有较大的直径，因为可以部分或者全部省略轴对所述叶片的中心支承，省略了所述轴的必要性，这样就具有很多的优点，但是，当仅仅使用机械轴承时，就会带来起阻止作用的结构问题。
通常，如果不添加另外的稳定元件，机体就不能由永磁体的磁场稳定地支承。这一点对于没有特意调整电磁体的系统也适用(例如提供一个没有特意调整的磁场，例如因为它们由恒定电源供应)。而且，设计一种有几个永磁体且没有特意调整的电磁体的系统，其将稳定地支承一个浮在磁场中的机体而且没有机械接触，这样的设计是不可能实现的。
发明内容
为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种具有高功率容量的设备，包含：一环形定子环装置；一环形转子环装置，其在所述定子环装置的内部或外部旋转；至少一个叶片，其安装在所述转子环装置上并由流体或气体驱动或者驱动流体或气体；磁装置，其在所述定子环装置和所述转子环装置之间产生磁力；用于检测至少一部分转子环装置相对于定子环装置的位置的装置；用于根据由所述检测装置所进行的检测来控制来自所述磁装置的所述磁力，用于使转子环装置相对于定子环装置而保持在稳定的位置，其特征在于，所述磁装置在所述定子环装置和所述转子环装置之间产生吸引磁力，以便使所述转子环装置相对于所述定子环装置而保持在稳定位置。
本发明提议用一个磁场至少部分地使该转子相对于定子进行轴颈连接(journalling)。一方面，发明者认识到，从磁场产生的磁力可以增加转子环装置和/或定子环装置的静态和/或动态的稳定性，例如机械地加强转子和/或定子，从而产生很多优点，例如，所述的转子和/或定子可以具有轻重量的结构。可以沿转子环装置或定子环装置的径向和/或轴向增加稳定性。从较低限度来讲，磁场对稳定性的贡献是明显或有益的。通过所述磁场的作用，转子环装置和/或定子环装置的稳定性例如弯曲刚度或形状稳定性优选的是至少增加10％，更可取的是至少增加20％，最可取的是至少增加25％。使转子环装置和/或定子环装置尽可能地有弹性是很有利的，这样，其稳定性实际上可完全由磁场限定。由于机械地固定到转子环装置上的叶片(如果使用了的话)或其它元件(如果使用了的话)可以在一个或两个方向上增加稳定性，因此，可以确信，在这些叶片不能起稳定作用的方向上，磁场可以起到最好的稳定作用。另一方面，发明者认识到，增加一控制系统，其通过改变所述磁场而对一机体相对于浮在一磁场内的机体的位置作出反应，机体就可以保持在一稳定的飘浮位置，至少部分地省略了所述转子环装置对机械支承的需要。
当马达/发电机的转子环装置和定子环装置的直径与其横截面尺寸或其轴向尺寸相比来说相当大时，就又产生了机械稳定性的问题。这样的情况发生在例如当一转子环装置至少部分地支承着从所述转子向内延伸并由液体或气体运转的叶片时。环的局部直径可以沿着环的不同的方位变化，而且还可以将环弯曲，使它们不在一个平面内。
当使用一中心机械轴时，围绕一螺旋桨的大环的机械稳定性就又成为一个问题。施加到轴上的力必须由螺旋桨的叶片传输到转子环装置，这就几乎可以确信会导致一个无法解决的稳定性问题。而且，支承着轴的机械元件必需处于便于介质流动的位置。
本发明的目的还在于：提供与环形马达/发电机的应用相关的几个问题的解决方案，该马达/发电机具有一个驱动集中的液体或气体或者由集中的液体或气体驱动的螺旋桨或者多个这样的螺旋桨。
附图说明
图1是现有技术中一种电力设备中的环的图片；
图2是本发明的优选实施例的示意图。
具体实施方式
特别地，参看图2的横断面示意图所表示的本发明的非限定性的优选实施例，其中，转子环装置和定子环装置的直径与转子环装置的横断面尺寸相比来说较大。按照图2所示，转子环装置的直径与其轴向尺寸相比看起来较小，这在尺寸和工程系数的基础上为所述转子环装置提供了较高的刚度。然而，在实际操作当中，转子环装置的直径至少是轴向尺寸的3倍，最好至少是转子轴向尺寸的10倍左右，因此产生一个相当不稳定的转子环装置，这就需要进一步的稳定性，以便于长期持久的经济使用。另一方面，如果转子环装置例如由塑性材料制成，其可能在较小的直径/轴向尺寸比率上是不稳定的。为了提供一种解决方案，把在定子12内旋转的一转子环装置(9)用机械方法连接到驱动介质或由介质驱动的螺旋桨(8)上，该螺旋桨从所述转子环装置(9)向内延伸，所述转子环装置包含一电力设备的转子7和磁装置的衔铁(ancres)10。所述定子环装置包含与控制装置(看不见)连接的磁装置的电磁体(2、3、4、5)，其与所述衔铁10配合而提供轴向力和/或围绕两个轴线的旋转力，这两个轴线是不平行的，优选是相交的，更优选是基本上与转子环装置(9)的主轴线(11)垂直而延伸的垂直轴线。而且，磁路(10)的元件可以提供径向力，以控制转子环装置相对于定子环装置(12)的径向位置。定子环装置(12)包含电力设备的定子6，磁路(5)的元件提供施加在(10)上的轴向力和旋转力。在(6)和(7)之间是具有电力设备磁场的间隙。由磁路(2)和(3)的元件提供径向力和微弱的轴向力。由磁路(4)和(5)的元件提供轴向力、围绕两个垂直于转子环装置主轴线的不重合的轴线的旋转力、以及微弱的径向力。当转子环装置没有准确地相对于定子环装置中心对齐时，或者有意地，当电力设备的定子和转子内的电流没有均匀地平经度地分布时，间隙(1)内的磁场就可以产生径向力。
这样，图中所示的设备没有轴颈中心轴，其叶片8只由在定子11内磁性地轴颈连接的转子环装置9进行轴颈连接。别的实施例也是可行的，例如，其中元件7和10没有伸入定子环装置12内，这样元件4和5就不会从环12伸出来。同样，元件2、3、4、5可以部分地或全部地与相应的元件10交换。或者磁装置只由电力设备的定子6和转子7提供。

Claims (5)

1.一种具有高功率容量的设备，包含：一环形定子环装置(12)；一环形转子环装置(9)，其在所述定子环装置的内部或外部旋转；至少一个叶片(8)，其安装在所述转子环装置上并由流体或气体驱动或者驱动流体或气体；磁装置(2，3，4，5)，其在所述定子环装置和所述转子环装置之间产生磁力；用于检测至少一部分转子环装置相对于定子环装置的位置的装置；用于根据由所述检测装置所进行的检测来控制来自所述磁装置的所述磁力，用于使转子环装置相对于定子环装置而保持在稳定的位置，其特征在于，所述磁装置在所述定子环装置和所述转子环装置之间产生吸引磁力，以便使所述转子环装置(9)相对于所述定子环装置(12)而保持在稳定位置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述吸引磁力增强了所述转子环装置和/或定子环装置的形状稳定性。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，形状稳定性以至少10％的比率增加。
4.根据前面任何一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述流体是环境中的空气或水。
5.根据前面任何一项权利要求所述的设备，其特征在于，该设备具有至少为一马力的高功率容量和/或所述转子环装置的直径是其轴向尺寸的至少三倍。
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