CN112302849B - 一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置 - Google Patents

一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置。主要包括内外双桨叶和双转子环形电机，内外双桨叶由内环桨叶和外环桨叶组合而成，内环桨叶和外环桨叶分别固定布置在同一环形板的内圈和外圈，在内环桨叶和外双桨叶交界处布置双转子环形电机。本发明的内环桨叶叶片采用大扭角的设计方式，增加了装置在低流速时的启动性能；外环桨叶叶片则采用相对扭角较小的设计，保证了运行状态相对较高的捕能效率，且高实度阻力型的内外环桨叶减少了产能波动，采用双转子环形电机，简化了传动系统使该电机系统设计更加简单可靠，同时便于密封。

Description

一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置
技术领域
本发明涉及潮流能发电装置，具体涉及一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置，主要可在深海微流环境下进行工作并为海洋设备提供原位供能。
背景技术
随着近些年的发展，潮流能开发技术已经逐渐走向成熟，国内外已有多台该类装置进行了研发和测试。目前，该项技术主要表现为两个发展趋势：一是机组大型化、阵列化，用于商业化的电网供电或海岛供电；二是小型化、简易化，用于低功耗水下设施的原位供电。本发明所设计的小型潮流能发电装置主要考虑用于第二种工作情况。
小型化装置起步于目前已经较为成熟的大型化装置研制初期，其发展较早，研究往往都是作为大型化机组的缩尺模型来进行研制的，而对于真正服务与工程应用的小型化机组研究目前仍然较少。在此方面，主要存在两个问题：一方面，小型化装置结构简单，难以像大型装置一样配合上复杂的传动、变桨、启停等控制系统；另一方面，小型化机组由于尺寸较小，实际运行中转子水动力性能受到尺度效应影响较大，其水动力特性方面与大型化的机组存在较大的差别，极大的限制了装置的发电效率和工作环境。因此，对于小型化机组，必须进行针对性的全局设计才可以保证其在实际工程应用中达到预想的效果。
发明内容
基于目前潮流能技术方面小型化机组的不足，本发明目的在于设计一种可以用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置，并用于未来为水下设备进行原位供电。
本发明的技术方案是：
本发明主要包括内外双桨叶和双转子环形电机，内外双桨叶由内环桨叶和外环桨叶组合而成，内环桨叶和外环桨叶分别固定布置在同一环形板的内圈和外圈，在内环桨叶和外双桨叶交界处布置双转子环形电机。
所述的双转子环形电机的结构包括三相绕组定子和双环磁组转子，双环磁组转子包括内环磁钢和外环磁钢，环形板的内圈周围布置内环磁钢，内环磁钢通过导磁铁圈紧贴内环桨叶的叶片，内环桨叶的叶片内端均连接到轴套上；环形板的外圈周围布置外环磁钢，外环磁钢通过导磁铁圈紧贴外环桨叶的叶片。
三相绕组定子包括环形外壳，环形外壳是由圆形的内圈壳体和外圈壳体同心布置而成，且内圈壳体和外圈壳体之间通过沿圆周间隔布置的多个径向隔板固定连接，内圈壳体和外圈壳体之间设置绕组绕线槽；定子中线圈通过绕线骨架三相绕组式绕线镶嵌在定子绕线槽中：相邻三个绕线骨架分别为ABC三相，每间隔两个为同一相位绕线骨架，每相线圈绕在九个骨架上。最后线圈通过环氧树脂灌封在定子中。内圈壳体通过带镂空的支杆连接转轴固定处，转轴固定处位于内圈壳体和外圈壳体的圆心，转轴和转轴固定处相固定连接，转轴通过轴承活动套装在轴套内。
所述的三相绕组定子朝向圆心的内圈壳体上沿内圈壳体圆周间隔布置有凸块，凸块上开有圆通孔作为电流导线输出孔。
所述的外环桨叶的叶片数量根据需求在3-12片直接灵活布置，外环桨叶的翼型采用对称直叶片。
所述的内环桨叶和外环桨叶与双环磁组转子同步转动，内环桨叶和外环桨叶具备捕获双向潮流的能力。
所述的内环桨叶和外环桨叶的转轴与电机直接相连。
所述的双转子环形电机的密封采用环氧树脂进行密封，内外环磁钢通过环氧树脂灌封在双环磁组转子中，线圈通过环氧树脂灌封在三相绕组定子中。
本发明的有益效果是：
高实度阻力型桨叶保证了装置在水底湍流大和来流梯度较大的工况下的平稳能量输出，减少了产能波动；采用对称直叶片翼型确保装置可以在，正反向来流时装置捕能效率的均衡，提升了装置的运行时间和运行可靠性。内外双桨叶的设计方式，其中内环桨叶叶片采用大扭角的设计方式，增加了装置在低流速时的启动性能；外环桨叶叶片则采用相对扭角较小的设计，保证了运行状态相对较高的捕能效率。
本发明采用双转子环形电机，简化了传动系统，使该电机系统设计更加简单可靠，同时便于密封。
附图说明
图1是本发明整体设计示意图；
图2是本发明转子整体设计图(正向视角)；
图3是本发明转子整体设计图(反向视角)；
图4是本发明定子设计图；
图5是绕线骨架图；
图6是线圈绕制在绕组绕线槽中的设计图；
图7是转子和定子装配后的安装图。
图中，1内环桨叶、2外双桨叶、3内环磁钢、4外环磁钢、5转轴固定处、6电流导线输出孔、7绕组绕线槽、8环形板、9绕线骨架、10线圈、11安装支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明主要包括内外双桨叶和双转子环形电机，内外双桨叶由内环桨叶1和外环桨叶2组合而成，内环桨叶1和外环桨叶2分别固定布置在同一环形板8的内圈和外圈，内环桨叶1和外双桨叶2采用同步转动的方式固定在同一个旋转轴上，在内环桨叶1和外双桨叶2交界处布置双转子环形电机。具体实施的外环桨叶2采用可调实度(15-60％)，扭角相对较小(≈30°)、多叶片的形式布置；外环桨叶2的叶片数量根据需求在3-12片直接灵活布置，外环桨叶2的翼型采用对称直叶片；内环桨叶1采用高实度(60％)、高扭角(>35°)、三叶片的形式布置，内环桨叶1的单个叶片采用单个面积较大的三叶片。当前电机在流速超过0.1m/s的条件下可实现启动，并可在微流条件下达到超过30％的理论的获能效率。
具体实施中，内环桨叶1和外环桨叶2通过环形嵌套方式固定组成装置双环磁组转子，内环桨叶1和外环桨叶2与双环磁组转子同步转动，内环桨叶1和外环桨叶2具备捕获双向潮流的能力。内环桨叶1和外环桨叶2的主轴与电机直接相连以实现直驱。
如图2和图3所示，双转子环形电机采用环形绕组无刷直流电机，双转子环形电机的结构包括三相绕组定子和双环磁组转子，双环磁组转子包括内环磁钢3和外环磁钢4，具体实施的内外磁钢分别各二十七块，环形板8的内圈周围布置内环磁钢3，内环磁钢3通过导磁铁圈紧贴内环桨叶1的叶片，内环桨叶1的叶片内端均连接到轴套上；环形板8的外圈周围布置外环磁钢4，外环磁钢4通过导磁铁圈紧贴外环桨叶2的叶片。
具体实施中，双转子环形电机的密封采用环氧树脂进行密封，内外环磁钢通过环氧树脂灌封在双环磁组转子中，线圈通过环氧树脂灌封在三相绕组定子中。
如图4-图6所示，三相绕组定子包括了环形外壳，环形外壳是由圆形的内圈壳体和外圈壳体同心布置而成，且内圈壳体和外圈壳体之间通过沿圆周间隔布置的多个径向隔板固定连接，内圈壳体和外圈壳体之间设置绕组绕线槽7；绕线骨架9呈工字型，定子中线圈10通过绕线骨架9三相绕组式绕线镶嵌在定子绕线槽中：相邻三个绕线骨架分别为ABC三相，每间隔两个为同一相位绕线骨架，每相线圈绕在九个骨架上，最后线圈通过环氧树脂灌封在定子中。具体实施的三相绕组定子共二十七个绕组，并分成三相，三相绕组定子朝向圆心的内圈壳体上沿内圈壳体圆周间隔布置有凸块，凸块上开有圆通孔作为电流导线输出孔6。
内圈壳体通过带镂空的支杆连接转轴固定处5，转轴固定处5位于内圈壳体和外圈壳体的圆心，转轴和转轴固定处5相固定连接，转轴通过轴承活动套装在轴套内，潮流驱动双环磁组转子通过轴承绕固定在三相绕组定子圆心位置的转轴转动，环形绕组切割内环磁钢3和外环磁钢4之间的磁场产生电流来发电。
如图7所示，通过三相绕组定子尾部固定孔将整个装置固定在安装支架11上，迎流发电。
采用直径为0.5m的装置在实验室大断面波流水槽中进行测试。根据实验结果显示，在超过0.1m/s的流速下，装置可以实现无负载启动；在0.3m/s的流速下，装置的转子效率超过35％，发电功率超过0.6W；在0.5m/s的流速，装置的转子效率超过38％，发电功率超过3.2W。
本发明的特点在于：
首先，在桨叶叶片选型方面，在当前装置采用高实度的阻力型叶片，相对于传统的升力型叶片，在小尺度微流的环境条件下捕能效率明显较高。
其次，在桨叶设计方面，其中分别采用内、外环桨叶组合方式，其中内环桨叶采用高扭角(>35°)的叶片，提升了装置的启动特性；外环桨叶采用相对扭角较小(≈30°)的叶片，保证了装置在启动后的高效捕能。当前电机在流速超过0.1m/s的条件下可实现启动，并可在微流条件下达到超过30％的理论的获能效率。其中，外环桨叶采用多叶片，保证了装置在深海较大湍流和流速梯度的运行条件下可获得相对较小的转矩波动；内环桨叶则采用传统的三叶片形式，简化设计结构，增加了装置的整体可靠性。
最后，配合永磁环形电机，简化了传动系统，省略了中间的齿轮箱增速系统以使发电机转速和叶片转速匹配，降低了传动损失和增加了发电效率，使该电机系统设计更加简单可靠。

Claims (5)

1.一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置，其特征在于：主要包括内外双桨叶和双转子环形电机，内外双桨叶由内环桨叶（1）和外环桨叶（2）组合而成，内环桨叶（1）和外环桨叶（2）分别固定布置在同一环形板（8）的内圈和外圈，在内环桨叶（1）和外环桨叶（2）交界处布置双转子环形电机；
所述的外环桨叶（2）的叶片数量根据需求在3-20片直接灵活布置，外环桨叶（2）的翼型采用对称直叶片；
所述的双转子环形电机的结构包括三相绕组定子和双环磁组转子，双环磁组转子包括内环磁钢（3）和外环磁钢（4），环形板（8）的内圈周围布置内环磁钢（3），内环磁钢（3）通过导磁铁圈紧贴内环桨叶（1）的叶片，内环桨叶（1）的叶片内端均连接到轴套上；环形板（8）的外圈周围布置外环磁钢（4），外环磁钢（4）通过导磁铁圈紧贴外环桨叶（2）的叶片；
三相绕组定子包括环形外壳，环形外壳是由圆形的内圈壳体和外圈壳体同心布置而成，且内圈壳体和外圈壳体之间通过沿圆周间隔布置的多个径向隔板固定连接，内圈壳体和外圈壳体之间设置绕组绕线槽（7）；内圈壳体通过带镂空的支杆连接转轴固定处（5），转轴固定处（5）位于内圈壳体和外圈壳体的圆心，转轴和转轴固定处（5）相固定连接，转轴通过轴承活动套装在轴套内。
2.根据权利要求1所述的一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置，其特征在于：所述的三相绕组定子朝向圆心的内圈壳体上沿内圈壳体圆周间隔布置有凸块，凸块上开有圆通孔作为电流导线输出孔（6）。
3.根据权利要求1所述的一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置，其特征在于：所述的内环桨叶（1）和外环桨叶（2）与双环磁组转子同步转动，内环桨叶（1）和外环桨叶（2）具备捕获双向潮流的能力。
4.根据权利要求1所述的一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置，其特征在于：所述的内环桨叶（1）和外环桨叶（2）的转轴与电机直接相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于深海微流条件下的小型潮流能发电装置，其特征在于：所述的双转子环形电机的密封采用环氧树脂进行密封，内外环磁钢通过环氧树脂灌封在双环磁组转子中。
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