CN111946533A - 无轴式传动的水力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无轴式传动的水力发电机，无轴水力发电机包括从外到内同轴设置的发电机外壳、内定子、转动连接机构、转子和轮毂体；发电机外壳为环状结构；内定子固定安装于发电机外壳的内侧，内定子上缠绕有线圈；内定子与转动连接机构之间设置第一垫圈，转动连接机构通过第一垫圈固定于内定子的内侧；转子由环形磁铁和叶片构成，转动连接机构与环形磁铁之间设置第二垫圈，环形磁铁通过第二垫圈固定于转动连接机构的内侧；环形磁铁内侧设有第三垫圈，叶片的外缘固定安装在第三垫圈内侧，叶片的内缘固定安装于轮毂体上。本发明的无轴水力发电机结构简单、便于安装和拆除，并能有效节约空间、减少整体重量和噪声。

Description

无轴式传动的水力发电机

技术领域

本发明涉及水轮机发电技术领域，具体涉及一种采用无轴传动的水力发电机。

背景技术

把天然水流蕴藏的力学能转换成电能的发电方式，是水能利用的主要形式。天然水流所蕴藏的力学能称为水力资源，是人类可以利用的重要能源之一。水力发电主要是通过水头的冲力来带动环形磁铁的转动，再将机械能变为电能，因此水轮机是水力发电最重要的设备，在水工设计中占据很高的地位。与目前主力发电方式火力发电相比，水力发电更加的环保，水力资源也更加丰富。

现行的水力发电机大多数采用传动轴与发电机环形磁铁直连的方式，所以发电机内部需要制造出能够承载传动轴的径向空间，从而导致发电机内部结构复杂，体积较大，对水域的要求较高，对水力资源的利用率不高；同时发电机内部由于结构复杂而造成的摩擦耗损较大，会造成水力发电机结构安装不合理、检修成本增加等问题。

随着世界能源问题的长期存在以及对水力发电的环保要求不断提高，效率及节能等是目前水力发电研究的重要课题，这些研究包括提高传统水力发电的效率，也包括开发新式水力发电装置。鉴于以上需求，本发明推出一种无轴水力发电机。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对传动轴式发电机存在的体积过大、噪音大和结构较复杂的缺点，提供一种无轴式传动的水力发电机，它通过对叶片结构、发电方式、导流罩方案和总体结构的改进，提高水力发电机的能量利用率，为新型发电机的发展提供一种可行的思路。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种无轴式传动的水力发电机，包括无轴水力发电机，所述无轴水力发电机包括从外到内同轴设置的发电机外壳、内定子、转动连接机构、转子和轮毂体；所述发电机外壳为环状结构；所述内定子固定安装于发电机外壳的内侧，内定子上缠绕有线圈；所述内定子与转动连接机构之间设置第一垫圈，转动连接机构通过第一垫圈固定于内定子的内侧；所述转子由环形磁铁和叶片构成，转动连接机构与环形磁铁之间设置第二垫圈，环形磁铁通过第二垫圈固定于转动连接机构的内侧；所述环形磁铁内侧设有第三垫圈，叶片的外缘固定安装在第三垫圈内侧，叶片的内缘固定安装于轮毂体上。

上述方案中，所述转动连接机构为轴承，轴承外圈通过第一垫圈与内定子固定连接，轴承内圈通过第二垫圈与环形磁铁固定连接。

上述方案中，所述轴承的前后两侧分别设有两个弹性挡圈，其中，大直径挡圈与内定子相连，小直径挡圈套于环形磁铁上。

上述方案中，所述转动连接机构为滑道，所述滑道包括固定部和转动部，所述固定部与内定子固定连接，所述转动部与环形磁铁固定连接，所述固定部的内侧面设置环形滑槽，所述转动部的外侧面设置与环形滑槽适配的凸块，凸块位于环形滑槽内，环形磁铁转动时凸块在滑槽内同步滑动。

上述方案中，所述轮毂体外伸轴端部有泄水锥，泄水锥与导叶轮毂体同轴安装，对轮毂体起到固定压紧作用，对水流起到导流作用。

上述方案中，所述叶片为开放式叶片，采用螺旋均匀排列方式，叶片攻角7°，叶片数量4-5片。

上述方案中，所述发电机外壳的横截面为梯形。

上述方案中，所述无轴式传动的水力发电机还包括调节装置，无轴水力发电机安装于调节装置上；所述调节装置包括由底座、两根立柱、两根斜撑组成的支架，其中，底座上设有两条平行的滑道，两根立柱的底端分别安装于滑道内，两条滑道内分别安装一个可移动的滑块，斜撑的一端与立柱固定连接，另一端与滑块固定连接，移动滑块可以带动立柱同步移动，从而调节支架和无轴水力发电机的位置；无轴水力发电机的发电机外壳的两侧分别通过传动轴转动安装于两根立柱的上端，传动轴上安装有角度记录器，用于记录旋转过程中叶面的朝向，传动轴的端部设置驱动电机，用于驱动传动轴转动以调节叶面的朝向，无轴水力发电机的线路上安装有电流记录器，用于记录各个叶面朝向发电电流的大小，支架上还安装有控制器，控制器接收角度记录器与电流记录器的信号，并控制驱动电机的转速和方向。

上述方案中，所述无轴水力发电机外围安装有导流罩，使无轴水力发电机前方流场均匀。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的无轴水力发电机结构解决了传统水力发电机因采用传动轴与发电机转子直连而造成的水力发电机内部结构复杂、占据空间大、转动摩擦大的问题，本发明的无轴水力发电机结构简单、便于安装和拆除，并能有效节约空间、减少整体重量和噪声。

本发明的叶片和发电机磁铁作为整体一起旋转，将定子以及线圈等质量较大、结构较复杂的结构置于发电机外圈，而不是像普通水力发电机那样将复杂且质量较大的发电结构置于叶片轴内。通过这种无轴设计可以提高发电机利用水能进行发电时的稳定性，可以有效解决发电机装置散热问题。在本设计中，由于产生摩擦的结构均可以暴露在水中，运动的时候，水流能够对摩擦的结构进行冲刷，带走热量，达到对摩擦结构的降温，降低发电机的工作温度，这样，能够大大提高发电效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明无轴水力发电机第一实施例的结构主视图；

图2是本发明无轴水力发电机第一实施例的结构侧视图；

图3是本发明无轴水力发电机第二实施例的结构主视图；

图4是本发明无轴水力发电机第二实施例的结构侧视图；

图5是本发明调节装置的主视图；

图6是本发明调节装置的侧视图。

图中：100、无轴水力发电机；10、发电机外壳；20、内定子；30、轴承；31、挡圈；40、滑道；41、固定部；42、转动部；50、环形磁铁；60、叶片；70、轮毂体；200、调节装置；201、底座；202、立柱；203、斜撑；204、滑块；205、传动轴；206、角度记录器；207、电流记录器；208、驱动电机。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提出一种无轴式传动的水力发电机，该水力发电机环形磁铁间采用叶片直接带动环形磁铁转动，使环形磁铁与定子产生相对转动来进行发电，简化了水轮机的整体结构，以得到体积小、安装成本低、水动力效果好的水力发电机。以下为本发明两个典型实施例。

第一实施例：

如图1-2所示，一种无轴式传动的水力发电机，包括无轴水力发电机100，无轴水力发电机100包括从外到内同轴设置的发电机外壳10、内定子20、转动连接机构、转子和轮毂体70。发电机外壳10为环状结构，内定子20固定安装于发电机外壳10的内侧面，内定子20上缠绕有线圈。内定子20与转动连接机构之间设置第一垫圈，转动连接机构通过第一垫圈固定于内定子20的内侧。转子由环形磁铁50和叶片60构成，转动连接机构与环形磁铁50之间设置第二垫圈，环形磁铁50通过第二垫圈固定于转动连接机构的内侧。环形磁铁50内侧设有第三垫圈，叶片60的外缘固定安装在第三垫圈内侧，叶片60的内缘固定安装于轮毂体70上。

本实施例中，转动连接机构采用轴承30，适用于叶片60半径较小、功率较小的发电机；轴承30外圈通过第一垫圈与内定子20固定连接，轴承30内圈通过第二垫圈与环形磁铁50固定连接；轴承30连接方式可以减少内部摩擦阻力并且可以保证总体结构的紧凑。

本发明的定子结构使用内定子20，内定子20使叶片60和定转子可以不通过轴毂结构结合在一起，达到无轴的效果。同时内定子20结构可以解决水力发电机结构体积过大的问题。

环形磁铁50与叶片60采用塑胶垫圈连接，既能避免磁铁与叶片60直接接触(叶片60和磁铁若直接连在一起，叶片60产生的磁场会干扰磁铁的磁场，导致磁场减弱，减小发电电流)，又能加固叶片60与磁铁的连接，提高结构的稳定性。此外，叶片60与磁铁同步转动，减少了动力效果的消耗，提高机械能转化为电能的效率。

叶片60内缘固定在轮毂体70上，可以保证叶片60在旋转过程中不发生相对运动，同时保证叶片60在水流的撞击下保持稳定的结构形态，提高叶片60的水动力性能。

进一步优化，轴承30的前后两侧分别设有两个弹性挡圈31，其中，大直径挡圈31与内定子20相连，小直径挡圈31套于环形磁铁50上。弹性挡圈31用于固定轴承30，避免轴承30在发电过程中产生轴向位移，影响无轴水力发电机100发电效率。

进一步优化，无轴水力发电机100外围安装有导流罩，使无轴水力发电机100前方流场均匀，提高水流利用效率从而提高发电效率。

进一步优化，轮毂体70外伸轴端部有泄水锥，泄水锥与导叶轮毂体70同轴安装，对轮毂体70起到固定压紧作用，对水流起到导流作用。

进一步优化，叶片60设计为开放式叶片60，采用螺旋均匀排列，水流沿叶片60外径方向冲击完成后迅速离开叶轮，叶片60攻角约7°，可获得较大升阻比，同时更易于达到扭矩系数最大值。叶片60数量4-5片。

进一步优化，发电机外壳10的横截面为梯形，横截面设计成梯形，一方面，由于发电机内定子的横向长度比叶轮和环形磁铁50占有的横向长度要小很多，所以设计成梯形外壳在直径方向由内到外横向长度逐渐减少，可以有效减少发电机的空间体积。另一方面，发电机在水下工作时，设计成梯形结构，可以使发电机内部结构与外壳更加贴合，有利于散热。此外，发电机外壳10设计成有一定坡度的形式，可以减少对水下生物的碰伤程度以及减小水流长时间径向冲击对装置造成的损耗，节省检修成本。

进一步优化，无轴式传动的水力发电机还包括调节装置200，无轴水力发电机100安装于调节装置200上。可根据所需发电功率和水流速度对无轴水力发电机100的方向进行灵活调节，从而获得所需要的最佳发电方向。如图5-6所示，调节装置200包括由底座201、两根立柱202、两根斜撑203组成的支架，其中，底座201上设有两条平行的滑道，两根立柱202的底端分别安装于滑道内，两条滑道内分别安装一个可移动的滑块204，斜撑203的一端与立柱202固定连接，另一端与滑块204固定连接，移动滑块204可以带动立柱202同步移动，从而调节支架和无轴水力发电机100的位置。无轴水力发电机100的发电机外壳10的两侧分别通过传动轴205转动安装两根立柱202的上端，水流冲刷叶片60产生旋转力矩使叶片旋转，在叶片60旋转过程中叶面朝向将进行360度旋转。传动轴205上安装有角度记录器206，用于记录旋转过程中叶面的朝向。传动轴205的端部设置驱动电机208，用于驱动传动轴205转动以调节叶面的朝向。无轴水力发电机100的线路上安装有电流记录器207，用于记录各个叶面朝向发电电流的大小。支架上还安装有控制器(图未示)，控制器接收角度记录器206与电流记录器207的信号，并控制驱动电机208的转速和方向。发电机发电之前给控制器设定一个额定电流T值，若初始位置发电工作未能达到T，则控制驱动电机208运转，带动传动轴205旋转。在传动轴205旋转过程中，电流达到T值，驱动电机208停止。在进行完整的一周旋转后，控制器将对这一圈旋转中所记录的数据进行对比处理，若未能达到T值，则使叶面朝向使电流大小最大的方向。同时，还可通过滑块204改变叶面位置来改变电流产生大小。经过控制器对比处理之后，找到最佳叶面位置与角度，此时旋转力矩与阻尼力矩差值最大，发电机产生的电流最大，效率最高。

本发明的工作方式为：水流在导流罩的引导下以一定的速度撞击叶片60，并产生使叶片60转动的扭矩，叶片60带动磁铁同步旋转，磁铁产生的磁场随之旋转，内定子20上缠绕的线圈固定不动，切割运动磁场的磁感线，产生感应电流，从而产生电流。

本发明整个无轴水力发电机100为一体式设计，叶片60与环形磁铁50之间无传动轴205，简化了整个发电机的结构，有效节约空间、减少整体重量和噪声，提高了发电机的效率，也提高了水域能源的利用率。

第二实施例：

本实施例与第一实施例的区别在于：环形磁铁50与内定子20间采用滑道40连接方式，如图3-4所示，滑道40连接方式适用于叶片60半径较大、功率较大的水力发电。具体的，滑道40包括固定部41和转动部42，固定部41与内定子20固定连接，转动部42与环形磁铁50固定连接，固定部41的内侧面设置环形滑槽，转动部42的外侧面设置与环形滑槽适配的凸块，凸块位于环形滑槽内，环形磁铁50转动时凸块在滑槽内同步滑动。通过滑道40连接，利用滑动摩擦，保证总体结构的紧凑，几乎不占用任何内部空间，可以用于大型水力发电(如潮汐能发电)。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种无轴式传动的水力发电机，其特征在于，包括无轴水力发电机，所述无轴水力发电机包括从外到内同轴设置的发电机外壳、内定子、转动连接机构、转子和轮毂体；所述发电机外壳为环状结构；所述内定子固定安装于发电机外壳的内侧，内定子上缠绕有线圈；所述内定子与转动连接机构之间设置第一垫圈，转动连接机构通过第一垫圈固定于内定子的内侧；所述转子由环形磁铁和叶片构成，转动连接机构与环形磁铁之间设置第二垫圈，环形磁铁通过第二垫圈固定于转动连接机构的内侧；所述环形磁铁内侧设有第三垫圈，叶片的外缘固定安装在第三垫圈内侧，叶片的内缘固定安装于轮毂体上。

2.根据权利要求1所述的无轴式传动的水力发电机，其特征在于，所述转动连接机构为轴承，轴承外圈通过第一垫圈与内定子固定连接，轴承内圈通过第二垫圈与环形磁铁固定连接。

3.根据权利要求2所述的无轴式传动的水力发电机，其特征在于，所述轴承的前后两侧分别设有两个弹性挡圈，其中，大直径挡圈与内定子相连，小直径挡圈套于环形磁铁上。

4.根据权利要求1所述的无轴式传动的水力发电机，其特征在于，所述转动连接机构为滑道，所述滑道包括固定部和转动部，所述固定部与内定子固定连接，所述转动部与环形磁铁固定连接，所述固定部的内侧面设置环形滑槽，所述转动部的外侧面设置与环形滑槽适配的凸块，凸块位于环形滑槽内，环形磁铁转动时凸块在滑槽内同步滑动。

5.根据权利要求1所述的无轴式传动的水力发电机，其特征在于，所述轮毂体外伸轴端部有泄水锥，泄水锥与导叶轮毂体同轴安装，对轮毂体起到固定压紧作用，对水流起到导流作用。

6.根据权利要求1所述的无轴式传动的水力发电机，其特征在于，所述叶片为开放式叶片，采用螺旋均匀排列方式，叶片攻角7°，叶片数量4-5片。

7.根据权利要求1所述的无轴式传动的水力发电机，其特征在于，所述发电机外壳的横截面为梯形。

8.根据权利要求1所述的无轴式传动的水力发电机，其特征在于，所述无轴式传动的水力发电机还包括调节装置，无轴水力发电机安装于调节装置上；所述调节装置包括由底座、两根立柱、两根斜撑组成的支架，其中，底座上设有两条平行的滑道，两根立柱的底端分别安装于滑道内，两条滑道内分别安装一个可移动的滑块，斜撑的一端与立柱固定连接，另一端与滑块固定连接，移动滑块可以带动立柱同步移动，从而调节支架和无轴水力发电机的位置；无轴水力发电机的发电机外壳的两侧分别通过传动轴转动安装于两根立柱的上端，传动轴上安装有角度记录器，用于记录旋转过程中叶面的朝向，传动轴的端部设置驱动电机，用于驱动传动轴转动以调节叶面的朝向，无轴水力发电机的线路上安装有电流记录器，用于记录各个叶面朝向发电电流的大小，支架上还安装有控制器，控制器接收角度记录器与电流记录器的信号，并控制驱动电机的转速和方向。

9.根据权利要求1所述的无轴式传动的水力发电机，其特征在于，所述无轴水力发电机外围安装有导流罩，使无轴水力发电机前方流场均匀。

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