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CN106907288A - 大长径比对称直驱式海流发电机组 - Google Patents

大长径比对称直驱式海流发电机组 Download PDF

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李伟
刘宏伟
顾亚京
林勇刚
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Abstract

本发明公开了一种大长径比对称直驱式海流发电机组。内定子绕组固定绕制在内定子中空支撑轴上，所述外转子磁钢包在外转子旋转支架的外侧壁，外转子旋转支架通过水润滑轴承套在内定子中空支撑轴外，叶轮固定安装在所述外转子磁钢外表面；输出电缆置于内定子中空支撑轴中空内部，输出电缆一端与内定子绕组的输出端连接，输出电缆另一端从中空支撑轴穿出后与外部电接收端连接，外转子旋转支架端部设有用于过滤水流的滤网。本发明改善了装置的受力状况，提高了可靠性；有效地减小了同等功率下的径向尺寸，从而减小挡流作用，优化流场特性，提高效率；长径比变大，散热性能更佳，有利于机组功率等级的大型化。

Description

大长径比对称直驱式海流发电机组
技术领域
本发明属于新能源发电领域的一种海流发电机组，具体是涉及了一种大长径比对称直驱式海流发电机组。
背景技术
海流能作为一种海洋可再生能源，具有资源丰富、能量密度大、规律性强等优点，因而成为科学家重视的学科前沿和研究热点。但迄今为止，国内外研究多聚焦在高、中流速下海流(或潮流或洋流)能的商业应用上。而事实上，我国广大海域，如东海外海、南海大部、胶东半岛沿海的海流年平均流速仅在1m/s左右，一些时段甚至小于0.5m/s。另外，这些高、中流速下的海流能利用发电装置一般都存在着高转速、高惯量及高冗余度密封等特征，很难满足特用仪器设备运用的“三低”要求，即低流速、低功耗、低噪声。因此针对更广阔的低流速海域的能量提取利用，研究开发海水流体动能的高效提取与转换技术，揭示低流速工况的提效机理与方法途径，形成低速高效型机组，对于海流能发电装备充分实现“就地取能”、“海能海用”、军民两用、节能环保的效果，对于岛礁保护开发、海洋仪器供电、远洋渔业养殖和海域国防建设都具有重要的意义。
目前国内外对低流速海流能发电机组的研究整体上处于起步阶段。国外鲜有直接涉及中低流速下装备的研究与报道。其实，在低流速工况下，能量密度低，主要难题在机组的启动与能量捕获效率上，传统的机械传动中传动阻力与摩擦损耗的存在，使得低流速启动难度大，运行效率低。
现有技术中随着发电功率等级的提高，现有发电机组结构存在着一定的缺陷。海水的密度是空气的一千多倍，可压缩性小，要提高能源捕获效率，则不仅要求海流发电装置整机具有良好的流线型外形设计和流场设计，还要尽可能减小机身的径向尺寸以减小无效而有害的挡水面积。现有技术有的是采用典型的直驱电机，一方面其极对数多，径向尺寸势必大，产生的挡流和流场特性问题趋于严重。低流速流场不稳定，能量密度相对低，极易遭受破坏，径向尺寸大，挡流面积大导致的径向流增加，势必破坏流场特性。另一方面，径向尺寸大，在百十瓦级小功率机组上，散热可能没有问题，但机组功率上升到一定程度，其内部定子由于径向尺寸大，散热问题势必突显。总之，现有的直驱发电装置不利于功率等级的大型化发展。
发明内容
为解决上述典型直驱式海流发电机组存在的问题，本发明提供了一种大长径比对称直驱式海流发电机组，采用单叶轮对称型结构，整体装置采用“大长径比约束”优化设计概念，直驱电机为外转子内定子结构或常规电机结构，同时实现了单叶轮对称型结构和直接接触海流的直驱结构的综合，能实现大长径比布置的发电机组结构。
本发明采用如下的技术方案：
本发明包括由若干片桨叶组成的叶轮、外转子磁钢、内定子绕组、外转子旋转支架、水润滑轴承、内定子中空支撑轴、输出电缆和滤网，叶轮以单叶轮面对称型结构布置，叶轮放置在主轴对称面的中央位置处，整体结构采用“大长径比约束”优化设计概念，内定子绕组固定绕制在内定子中空支撑轴上，所述外转子磁钢包在外转子旋转支架的外侧壁，外转子旋转支架通过水润滑轴承套在内定子中空支撑轴外，叶轮固定安装在所述外转子磁钢外表面；输出电缆置于内定子中空支撑轴中空内部，输出电缆一端与内定子绕组的输出端连接，输出电缆另一端从中空支撑轴穿出后与外部电接收端连接，外转子旋转支架端部设有用于过滤水流的滤网。
水流推动所述叶轮带动外转子旋转支架旋转，使得外转子磁钢绕所述内定子绕组旋转，外转子磁钢与内定子绕组发生相对旋转产生电能，形成电磁感应通过输出电缆输出电能。
所述外转子磁钢与所述内定子绕组均不是置于密封壳体中，而是直接置于水中，水流贯穿流经所述发电机组内部。
由于本发明结构内部是通过海流的，所述外转子磁钢与内定子绕组采用离心密封防水工艺，即对外转子磁钢与内定子绕组外表面离心浇注有防水树脂材料，使得外转子磁钢与内定子绕组不与水直接接触。同时通过防水树脂材料也能使得机组内部可通过海水冷却，既无需考虑机组密封问题，也解决了散热问题。
所述的外转子旋转支架的外侧壁均包覆有外转子磁钢，叶轮固定安装在外转子磁钢沿内定子中空支撑轴轴向方向的中间。
所述叶轮包含多个桨叶，组成一个叶轮捕能面。所述叶轮面布置在机组的外转子磁钢和外转子旋转支架的中央位置，叶轮面周向安装若干个所述桨叶，组成叶轮的若干片桨叶沿周向间隔均布，每片桨叶径向布置。
所述发电机组作为主体的外转子旋转支架沿轴向长度与径向直径之比大于传统同类发电机组的“长径比”参数，同等功率情况下，最大可将这一参数提高1倍。本发明发电机组设计的长径比范围为2:1～20:1，甚至最大能达到20:1及以上。
采用本发明具有如下的有益效果：
1、采用直驱式方案，省略了现有叶轮两端输出的齿轮传动系统，大大减小了启动摩擦阻力与摩擦损耗，降低启动流速提高效率，使其适应了低流速工况，同时减小了运行噪声。
采用外转子发电机结构形式，磁场相对旋转速度更快，电能产生更多，提高了能量效率。其结构简单，零件少，降低了硬件成本和运行故障率。
2、达到了大长径比，减小了机身的横断面积，从而减小挡流作用，提高了整机效率和同一地点资源利用率，优化了发电装置流场设计及其流体力学特性。考虑其开放式结构，同等功率下，其长径比变大，散热性能更佳，使该结构机组具有大型化的潜力。
3、内外转子采用离心密封防水工艺，并使用水润滑轴承，从根本上去除主轴机械密封阻尼和渗水忧患，既无需考虑密封，还减低了运行阻力，更加适合低速启动。另外，内部可通过海水冷却，解决了散热问题。
4、采用单叶轮对称型结构，改变了传统悬臂结构，使机组受力更加均衡，减少了冲击，增加发电装置运行的平稳性，从整体上提升了可靠性与运行寿命。
附图说明
图1为本发明海流发电机组的结构示意图；
图2为图1结构的侧视图。
图中：桨叶1、外转子磁钢2、内定子绕组3、外转子旋转支架4、水润滑轴承5、内定子中空支撑轴6、输出电缆7、滤网8。
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。
参照图1和图2，本发明具体实施包括由三片桨叶1组成的叶轮、外转子磁钢2、内定子绕组3、外转子旋转支架4、水润滑轴承5、内定子中空支撑轴6、输出电缆7和滤网8。内定子绕组3固定绕制在内定子中空支撑轴6上，外转子磁钢2包在外转子旋转支架4的外侧壁，外转子旋转支架4通过水润滑轴承5套在内定子中空支撑轴6外，外转子旋转支架4的外侧壁均包覆有外转子磁钢2，叶轮固定安装在外转子磁钢2沿内定子中空支撑轴6轴向方向的中间，组成叶轮的三片桨叶1沿周向间隔均布，每片桨叶1径向布置。叶轮捕获海流动能，带动外转子磁钢旋转。
外转子磁钢2与内定子绕组3采用离心密封防水工艺，即对外转子磁钢2与内定子绕组3外表面离心浇注有防水树脂材料，使得外转子磁钢2与内定子绕组3不与水直接接触。
参照图2，滤网8固定在外转子旋转支架4上，可阻挡海流中的垃圾进入机组，防止其卡死损坏。而叶轮面，可周向安装若干个所述桨叶1。
发电机组工作时，水流推动叶轮带动外转子旋转支架4旋转，使得外转子磁钢2绕内定子绕组3旋转，形成电磁感应产生电流从内定子绕组3输出供电。输出电缆7置于内定子中空支撑轴6中空内部，输出电缆7一端与内定子绕组3的输出端连接，输出电缆7另一端输出电能从中空支撑轴6穿出后可与储电装置连接。
外转子旋转支架4两端的端面设有用于过滤水流的滤网8，可阻挡海流中的垃圾进入机组，防止其卡死损坏。
本发明中作为内外转子的外转子磁钢2与内定子绕组3采用离心密封防水工艺，并使用所述水润滑轴承5，从根本上去除主轴机械密封阻尼和渗水忧患，既无需考虑密封，还减低了运行阻力，更加适合低速启动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，任何基于本发明原理的扩展或者改进均视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大长径比对称直驱式海流发电机组，其特征在于：包括由若干片桨叶(1)组成的叶轮、外转子磁钢(2)、内定子绕组(3)、外转子旋转支架(4)、水润滑轴承(5)、内定子中空支撑轴(6)、输出电缆(7)和滤网(8)，叶轮放置在主轴对称面的中央位置处，内定子绕组(3)固定绕制在内定子中空支撑轴(6)上，所述外转子磁钢(2)包在外转子旋转支架(4)的外侧壁，外转子旋转支架(4)通过水润滑轴承(5)套在内定子中空支撑轴(6)外，叶轮固定安装在所述外转子磁钢(2)外表面；输出电缆(7)置于内定子中空支撑轴(6)中空内部，输出电缆(7)一端与内定子绕组(3)的输出端连接，输出电缆(7)另一端从中空支撑轴(6)穿出后与外部电接收端连接，外转子旋转支架(4)端部设有用于过滤水流的滤网(8)。
2.如权利要求1所述的一种大长径比对称直驱式海流发电机组，其特征在于：水流推动所述叶轮带动外转子旋转支架(4)旋转，使得外转子磁钢(2)绕所述内定子绕组(3)旋转，形成电磁感应产生电流输出供电。
3.如权利要求1所述的一种大长径比对称直驱式海流发电机组，其特征在于：所述外转子磁钢(2)与所述内定子绕组(3)均不是置于密封壳体中，而是直接置于水中，水流贯穿流经所述发电机组内部。
4.如权利要求1所述的一种大长径比对称直驱式海流发电机组，其特征在于：所述外转子磁钢(2)与内定子绕组(3)采用离心密封防水工艺，即对外转子磁钢(2)与内定子绕组(3)外表面离心浇注有防水树脂材料，使得外转子磁钢(2)与内定子绕组(3)不与水直接接触。
5.如权利要求1所述的一种大长径比对称直驱式海流发电机组，其特征在于：所述的外转子旋转支架(4)的外侧壁均包覆有外转子磁钢(2)，叶轮固定安装在外转子磁钢(2)沿内定子中空支撑轴(6)轴向方向的中间。
6.如权利要求1所述的一种大长径比对称直驱式海流发电机组，其特征在于：所述叶轮面布置在机组中央位置，周向安装若干个所述桨叶(1)，组成叶轮的若干片桨叶(1)沿周向间隔均布，每片桨叶(1)径向布置。
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