水電渦輪機(jī)線圈配置的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于通過從通過渦輪機(jī)的潮汐水流提取動(dòng)力來發(fā)電的水電渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)包括造成轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子偏心旋轉(zhuǎn)的無軸轉(zhuǎn)子，這可能由于形成所述渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的邊緣式磁鐵與線圈之間的間隔差而造成不均勻發(fā)電，所述渦輪機(jī)因此采用間隔相等且串聯(lián)連接線圈的分組。
【專利說明】水電渦輪機(jī)線圈配置
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種水電渦輪機(jī)線圈配置，且特別地涉及一種形成水電渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的部分的線圈配置，所述配置改善了發(fā)電機(jī)的性能。
[0002]發(fā)明背景
[0003]本發(fā)明一般涉及通過使用水流產(chǎn)生電力的水電渦輪機(jī)的領(lǐng)域，且更特別地涉及這些裝置，其中潮汐水流造成大型環(huán)形外殼內(nèi)布置環(huán)形外緣的大型葉輪類型的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0004]雖然大部分渦輪機(jī)被構(gòu)造以具有上面安裝葉片或轉(zhuǎn)輪的中心旋轉(zhuǎn)軸，但是其也被視為產(chǎn)生中心敞開式渦輪機(jī)(也被視為邊緣式渦輪機(jī))。具有中心敞開式轉(zhuǎn)子的渦輪機(jī)(其中葉片安裝在內(nèi)環(huán)或內(nèi)緣與外環(huán)或外緣之間且其中能量通過外緣傳送到固定轉(zhuǎn)子的環(huán)形外殼)在低揚(yáng)程條件(即較緩慢電流)下可能特別成功。
[0005]可在下列專利中找到中心敞開邊緣式渦輪機(jī)的實(shí)例:1997年I月14日發(fā)布且在2003年12月2日再次發(fā)布為RE38，336的美國(guó)專利第5，592，816號(hào)；2003年11月18日發(fā)布的美國(guó)專利第6，648，589號(hào)；2004年5月4日發(fā)布的美國(guó)專利第6，729，840號(hào)；和2005年2月10日出版的美國(guó)專利申請(qǐng)公開案US2005/0031442 (序列號(hào)第10/633，865號(hào))?？稍谙铝袑＠姓业皆诘蛽P(yáng)程(潮汐流)條件下使用的水電渦輪機(jī)的實(shí)例=Heuss等人發(fā)布的美國(guó)專利第4，421，990號(hào)；Vauthier發(fā)布的美國(guó)專利第6，168，373號(hào)和6，406，251號(hào)；Susman等人發(fā)布的英國(guó)專利申請(qǐng)案第GB2，408，294號(hào)；和Davis等人發(fā)布的WIPO國(guó)際公開案 W003/025385。
[0006]潮汐動(dòng)力渦輪機(jī)被視為使用礦物燃料或原子能的電力發(fā)電廠的環(huán)保替代品。在使用水以產(chǎn)生能夠大規(guī)模給工業(yè)園區(qū)、城鎮(zhèn)、城市等供電的電力時(shí)，必須提供大量渦輪機(jī)且渦輪機(jī)必須與實(shí)際一樣大以最大化由每個(gè)渦輪機(jī)產(chǎn)生的電量。這些渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片的長(zhǎng)度是幾米，其中一些試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有長(zhǎng)度超過50米的葉片。
[0007]隨著轉(zhuǎn)子葉片的長(zhǎng)度增加，存在較小渦輪機(jī)或發(fā)電機(jī)不會(huì)面臨的結(jié)構(gòu)和制造挑戰(zhàn)。對(duì)于軸式渦輪機(jī)，難以提供堅(jiān)固且重量輕的長(zhǎng)葉片。在一種解決方法中，軸式渦輪機(jī)的葉片具有外部環(huán)形邊緣(其包括在環(huán)形外殼內(nèi))，從而通過軸和邊緣對(duì)葉片提供支撐。替代地，不具有中心軸的邊緣式渦輪機(jī)通過使用固定在具有環(huán)形狹槽或通道的外殼內(nèi)的外部支撐邊緣對(duì)葉片的內(nèi)端和外端提供環(huán)形支撐來提供這個(gè)問題的解決方法。在用于發(fā)電的典型方法中，大量磁鐵沿環(huán)形支撐邊緣分開且大量線圈沿定子外殼中的接收通道分開。由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)系統(tǒng)建立的磁場(chǎng)橫跨分離轉(zhuǎn)子和定子的間隙。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)造成線圈的磁鏈變化，從而在線圈中引起電磁力。
[0008]為了減小這些中心敞開式渦輪機(jī)的啟動(dòng)扭矩且通常由于制造公差，通常產(chǎn)生定子中的環(huán)形狹槽或通道直徑大于轉(zhuǎn)子的這樣的渦輪機(jī)。這造成轉(zhuǎn)子實(shí)際上具有浮動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，意味著轉(zhuǎn)子的中心并未固定在定子內(nèi)且可能在定子內(nèi)經(jīng)歷一定程度的移動(dòng)、浮動(dòng)和/或偏心旋轉(zhuǎn)。此外，軸向推力軸承具有允許轉(zhuǎn)子軸向移動(dòng)且使其旋轉(zhuǎn)平面與定子平面不平行使得轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)可以包括旋進(jìn)分量和其它復(fù)雜方式的間隙。然而，由于轉(zhuǎn)子的偏心率，這樣的偏心旋轉(zhuǎn)可能造成線圈中產(chǎn)生的電壓不平衡(其中定子上的線圈更緊靠轉(zhuǎn)子上的磁鐵)，從而產(chǎn)生不成比例的EMF量。
[0009]當(dāng)大量這樣的線圈并聯(lián)連接在一起時(shí)，其引發(fā)的不同EMF造成線圈攜帶不同電流且線圈不相等地共享電負(fù)載。轉(zhuǎn)子相距中心位置的小移位可能造成負(fù)載分布極其不相等。這可能使線圈容易過熱并減小電力轉(zhuǎn)換的效率。
[0010]因此本發(fā)明的目標(biāo)是不訴諸于使用高公差、緊密配合軸承以將轉(zhuǎn)子支撐在定子內(nèi)的中心共面位置中的困難又昂貴的解決方法來克服上文提及的問題。
[0011]發(fā)明概述
[0012]根據(jù)本發(fā)明，提供了 一種水電渦輪機(jī)，其包括定子；無軸轉(zhuǎn)子，其被容納在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，定子界定其中約束轉(zhuǎn)子的開口，開口相對(duì)于轉(zhuǎn)子塑形并調(diào)整尺寸以給轉(zhuǎn)子提供浮動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸；轉(zhuǎn)子上的磁鐵陣列；和定子上的對(duì)應(yīng)線圈陣列；其中線圈配置成組，在組內(nèi)線圈之間的周向間隔相等且電串聯(lián)連接在一起。
[0013]優(yōu)選地，電串聯(lián)連接在一起的線圈在定子上并未相互物理相鄰。
[0014]優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子包括敞開中心。
[0015]優(yōu)選地，開口被塑形且調(diào)整尺寸以允許轉(zhuǎn)子經(jīng)歷大體上偏心或圓內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)。
[0016]優(yōu)選地，水電渦輪機(jī)包括將轉(zhuǎn)子支撐在定子內(nèi)的一組軸承，軸承包括定子和轉(zhuǎn)子中的一個(gè)或另一個(gè)上的軸承單元陣列以及定子和轉(zhuǎn)子中的另一個(gè)上的對(duì)應(yīng)軸頸。
[0017]優(yōu)選地，定子包括界定開口且其中使轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)的環(huán)形通道。
[0018]如本文中使用，術(shù)語“浮動(dòng)軸”旨在意指主體的旋轉(zhuǎn)軸(諸如水電渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子)，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)子正經(jīng)歷繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸的位置并不固定且在大體上正交于旋轉(zhuǎn)軸的方向上自由地經(jīng)歷一定程度的移動(dòng)或平移。因此，轉(zhuǎn)子可以描述為繞其軸的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)方式結(jié)合軸在規(guī)定空間內(nèi)的隨機(jī)或軌道運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子的軌跡可以被分類成圓內(nèi)擺線或隨機(jī)且還可以在軸向方向上具有分量和軸旋進(jìn)。
[0019]附圖簡(jiǎn)述
[0020]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的水電渦輪機(jī)的透視圖。
[0021]圖2示出了圖1中示出的渦輪機(jī)的示意表示，其示出了形成渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的部分的組件。
[0022]圖3示出了圖2中示出的發(fā)電機(jī)線圈的電路圖表示。
[0023]圖4不出了表不圖1和圖2中不出的線圈之一的等效電路的電路圖；且
[0024]圖5示出了圖1中示出的潤(rùn)輪機(jī)的另一示意表示。
【具體實(shí)施方式】
[0025]現(xiàn)參考附圖，示出了水電渦輪機(jī)(一般被指示成10)，其被調(diào)整以優(yōu)選地經(jīng)由可以固定在海床上的適當(dāng)位置的合適底部安裝在海床等上。
[0026]渦輪機(jī)10包括其中被安裝以使轉(zhuǎn)子14旋轉(zhuǎn)的外部定子12。轉(zhuǎn)子14包括固定在外緣18與內(nèi)緣20之間的徑向延伸葉片16的圓形陣列。在示出的實(shí)施方案中，外緣18被約束在形成于定子12的內(nèi)表面上的環(huán)形通道(未示出)內(nèi)?？芍?，渦輪機(jī)10不包括上面將在常規(guī)渦輪機(jī)中安裝轉(zhuǎn)子14以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的中心軸，且因此渦輪機(jī)10是中心敞開式或無軸渦輪機(jī)10。例如，呈軸頸和軸承板的形式的合適的軸承(未示出)位于外緣18和定子12上。此外，渦輪機(jī)10的電組件的位置關(guān)于外緣18和定子12相互相對(duì)，因此統(tǒng)稱為“邊緣式發(fā)電機(jī)”。
[0027]這些電組件包括繞外緣18安裝的磁鐵22的陣列和繞定子12的相對(duì)面安裝的線圈24的對(duì)應(yīng)陣列，磁鐵22和線圈24通過定子12與轉(zhuǎn)子14之間的小間隙26而相互分離。當(dāng)然應(yīng)了解，磁鐵22和線圈24的位置可顛倒。然而，定子上的磁鐵和轉(zhuǎn)子上的線圈的配置具有以下缺點(diǎn):從轉(zhuǎn)子中收集電流必需某種配置，且因此轉(zhuǎn)子上的磁鐵和定子上的線圈的配置通常將是優(yōu)選地。
[0028]由于渦輪機(jī)10的無軸本質(zhì)且如上詳述，轉(zhuǎn)子14能夠在由定子12界定的環(huán)形通道內(nèi)進(jìn)行一定程度的移動(dòng)且因此能夠經(jīng)歷相對(duì)于定子12中心進(jìn)行偏心旋轉(zhuǎn)。因此且如圖2中放大示出，轉(zhuǎn)子14通常將位于定子12內(nèi)使得轉(zhuǎn)子14的部分且因此磁鐵22的截面將比轉(zhuǎn)子14的相對(duì)部分更緊靠定子12。這將因此造成在線圈24之間不均勻地產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其中更緊靠磁鐵22的線圈24引發(fā)極高的EMF。這可能造成所述線圈24過熱，從而可能造成線圈24損壞，且這在設(shè)計(jì)渦輪機(jī)10尤其是線圈24時(shí)通常一定要加以考慮。
[0029]如圖4中示出，每個(gè)線圈24可以由AC電壓源與表示所引發(fā)的EMF、電樞反應(yīng)和線圈電阻的電感器元件和電阻器串聯(lián)而表示成等效電路。線圈之間的電感和電阻并無顯著不同，但是如果轉(zhuǎn)子并不同心，那么電壓源將會(huì)不同。
[0030]每個(gè)線圈24中所引發(fā)的EMF是交流電壓，其可由其振幅、頻率和其關(guān)于被選擇作為參考的一個(gè)特定線圈中引發(fā)的EMF的相位描述。如果兩個(gè)或更多個(gè)線圈并聯(lián)連接以將電流傳遞到共同輸出，那么所述兩個(gè)線圈應(yīng)具有相等振幅、頻率和相位的電壓源。機(jī)器構(gòu)造確保頻率的相等性。出于所描述的原因，振幅可以不相等。如果線圈由整數(shù)個(gè)磁鐵極距分離，那么電壓源將會(huì)同相。
[0031]線圈24中流動(dòng)的電流等于線圈24的電壓源與連接到線圈24的電路的電壓之間的差除以線圈的阻抗。因此例如，如果具有Iiv電壓和IOhm阻抗的兩個(gè)線圈并聯(lián)連接到IOV電壓下的負(fù)載電路，那么每個(gè)線圈將IA傳遞到負(fù)載。然而，如果電壓由于轉(zhuǎn)子的偏心旋轉(zhuǎn)只稍微修改0.5V而變成10.5V和11.5V，那么所述線圈分別攜帶0.5A和1.5A。每個(gè)線圈中的熱效應(yīng)與電流的平方成比例，且因此理論上每個(gè)線圈中是IW的熱效應(yīng)變成2.25W和
0.25W (9:1的比例)，因此對(duì)于偏離電壓相等性的小偏差來說，電流結(jié)果中的不相等性極大且損耗和其附屬熱效應(yīng)更加不相等。總損耗也隨之增加。
[0032]如果所述兩個(gè)線圈24的相位不同，那么可能產(chǎn)生類似電流差。轉(zhuǎn)子的偏心旋轉(zhuǎn)可在如圖5示出般準(zhǔn)確分開的線圈之間產(chǎn)生相位差。
[0033]如果轉(zhuǎn)子位置與其在一個(gè)方向上永久移位的軸偏心，那么一些定子線圈將永久地具有較高EMF且其它定子線圈具有較低EMF。結(jié)果可能似乎是定子一般在覆蓋周長(zhǎng)的弧線的一個(gè)區(qū)域中過熱。如果轉(zhuǎn)子描述更復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，那么攜帶較高電流的線圈的區(qū)域可以隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，且沒有一個(gè)區(qū)域?qū)⒈绕渌鼌^(qū)域更熱，但是總損耗將高于轉(zhuǎn)子完全同心轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。
[0034]然而，在本發(fā)明的渦輪機(jī)10中，線圈24配置成組，圖2中只示出了其中之一，在所述組中線圈24電串聯(lián)連接以將電流均勻地分布在機(jī)器的周長(zhǎng)周圍且防止線圈24中的任何一個(gè)過熱。圖3示出了這樣的線圈組24之一的電路圖表示。雖然未示出，但是渦輪機(jī)10優(yōu)選地包括大量這樣的線圈組24。
[0035]參考圖5，四個(gè)線圈24串聯(lián)連接。所示出的形式的轉(zhuǎn)子的偏心旋轉(zhuǎn)造成線圈24(I)的電壓低于平均振幅，線圈24 (3)高于平均振幅，線圈24 (4)具有平均振幅但是其相位領(lǐng)先于平均值，且線圈24 (2)具有平均振幅但是相位落后于平均值。當(dāng)所有四個(gè)電壓通過線圈24的串聯(lián)連接而相加時(shí)，幾乎完全消除偏離平均值的偏差。
[0036]具有36個(gè)線圈和48個(gè)轉(zhuǎn)子磁極的機(jī)器可以包括每個(gè)具有串聯(lián)連接的4個(gè)線圈的9個(gè)線圈組。包括第1、第10、第19和第28個(gè)線圈的第一組具有如圖4中示出的電壓。第二組具有類似但是相位偏移120電角度的電壓。第三組又類似且進(jìn)一步相移120度。包括第4、第13、第22和第32個(gè)線圈的第四組具有類似于第一組的EMF。個(gè)別EMF由于轉(zhuǎn)子偏心的影響而稍微不同，但是總EMF保持幾乎完全不受偏心影響。類似地，組7具有總計(jì)為相同總和的EMF，但是個(gè)別EMF又稍微不同于組I。組1、4和7可以并聯(lián)連接且其總電流將被均勻分開在所述兩個(gè)線圈之間。同樣，組2、5和8可以并聯(lián)連接且組3、6和9可以并聯(lián)連接。36個(gè)線圈因此被連接以形成平衡三相輸出，且由于三相負(fù)載平衡，功耗和熱量均勻地分布在發(fā)電機(jī)的周長(zhǎng)周圍。在每個(gè)組內(nèi)，線圈24優(yōu)選地關(guān)于定子12的圓周相互等間隔分開。這將保證電流最均勻分布。因此例如在所示出的實(shí)施方案中，所示出的線圈組24包括關(guān)于定子12相互均勻分開90°的4個(gè)線圈，但是應(yīng)明白可以采用任何其它合適數(shù)量的線圈。
[0037]為有效地操作本發(fā)明，每個(gè)線圈組必須存在串聯(lián)連接的至少兩個(gè)線圈24，且這些線圈應(yīng)被布置在大體上直徑相對(duì)位置處且被連接使得當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)加總其EMF。然而，所有并聯(lián)線圈組在直徑相對(duì)位置處具有兩個(gè)串聯(lián)線圈意指:由于連接串聯(lián)線圈的電纜被平鋪橫跨定子的一半圓周，所述電纜極長(zhǎng)，且對(duì)于具有大量并聯(lián)線圈組的渦輪機(jī)，電纜的成本可能高且電纜內(nèi)的額外電損耗將不利地影響發(fā)電機(jī)的效率。
[0038]優(yōu)選地，串聯(lián)連接兩個(gè)以上線圈以縮短電纜長(zhǎng)度。例如，每個(gè)線圈組可以串聯(lián)3個(gè)線圈且其等間距(120度)展開在定子的內(nèi)圓周周圍，可以串聯(lián)4個(gè)線圈使得橫跨相鄰線圈之間的角度是90度，或可以每組串聯(lián)5個(gè)線圈且橫跨相鄰線圈之間的角度是72度。
[0039]雖然優(yōu)選實(shí)施方案提供了 3相電機(jī)器，但是將連接擴(kuò)展到諸如2相、4相、5相、6相、12相或更高數(shù)量相的其它多相機(jī)器相對(duì)簡(jiǎn)單直接。
[0040]如果特定相位內(nèi)的特定線圈組的線圈由于任何原因而出現(xiàn)故障，那么這個(gè)線圈組和其它相位中的對(duì)應(yīng)線圈組將會(huì)與機(jī)器斷開或電隔離以使相位的阻抗保持相同且平衡。
[0041]上述配置因而減小或消除使用無軸渦輪機(jī)10時(shí)的不均勻發(fā)電的問題。其從而緩解機(jī)器設(shè)計(jì)者對(duì)將轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)約束成嚴(yán)格定義的同心且同軸旋轉(zhuǎn)的需要，且允許轉(zhuǎn)子以偏心或圓內(nèi)擺線方式移動(dòng)并允許轉(zhuǎn)子軸以復(fù)雜或隨機(jī)方式移動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種水電渦輪機(jī)，其包括定子；無軸轉(zhuǎn)子，其被容納在所述定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所述定子界定其中約束所述轉(zhuǎn)子的開口，所述開口相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子塑形并調(diào)整尺寸以給所述轉(zhuǎn)子提供浮動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸；所述轉(zhuǎn)子上的磁鐵陣列；和所述定子上的對(duì)應(yīng)線圈陣列；其中所述線圈配置成組，在所述組內(nèi)所述線圈之間的周向間隔相等且電串聯(lián)連接在一起。
2.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的水電渦輪機(jī)，其中電串聯(lián)連接在一起的線圈在所述定子上并未相互物理相鄰。
3.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的水電渦輪機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子包括敞開中心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的水電渦輪機(jī)，其中所述開口被塑形且調(diào)整尺寸以允許所述轉(zhuǎn)子經(jīng)歷大體上偏心或圓內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的水電渦輪機(jī)，其包括將所述轉(zhuǎn)子支撐在所述定子內(nèi)的一組軸承，所述軸承包括所述定子和轉(zhuǎn)子中的一個(gè)或另一個(gè)上的軸承單元陣列和所述定子和轉(zhuǎn)子中的另一個(gè)上的對(duì)應(yīng)軸頸。
6.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的水電渦輪機(jī)，其中所述定子包括界定所述開口且其中使所述轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)的環(huán)形通道。
【文檔編號(hào)】H02K3/28GK103918161SQ201280040296
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月10日
【發(fā)明者】E·斯普納 申請(qǐng)人:開放水知識(shí)產(chǎn)權(quán)有限公司