高傳動效率的螺旋型永磁軸承容錯結(jié)構(gòu)洋流發(fā)電機本申請是申請?zhí)枺?01410169377.X、申請日：2014.4.24、名稱“螺旋型永磁軸承容錯結(jié)構(gòu)洋流發(fā)電機組”的分案申請。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種螺旋型永磁軸承容錯結(jié)構(gòu)洋流發(fā)電機組。

背景技術(shù)：
洋流能是指流動的海水所具有的動能，其與流速的平方和流量成正比，具有能量密度大、可預(yù)測性強、載荷(流向)穩(wěn)定和儲量豐富等優(yōu)點。全世界洋流能的理論估算值約為108kW量級，而中國沿海洋流能的年均功率理論值約為1.4×107kW，屬于世界上功率密度最大的地區(qū)之一，具有良好的開發(fā)價值。已有多位學(xué)者就洋流發(fā)電提出一些新的方法，如何玉林等人在專利CN201010286167.0中提出的“海上風(fēng)力及洋流發(fā)電系統(tǒng)”，李勇強等人在專利CN201310083144.3中提出的“集聚風(fēng)發(fā)電和洋流發(fā)電于一體的發(fā)電系統(tǒng)”，葉凡在專利CN201210075937.6中提出的“一種全密封緊湊型漂浮式洋流發(fā)電系統(tǒng)”，以及楊科等人在專利CN201210564751.7中提出的“一種深海能源綜合利用系統(tǒng)”等，這些方法均對洋流發(fā)電系統(tǒng)提出了新的結(jié)構(gòu)或新的裝置，以使洋流利用率達到更高、更好的效果。洋流的流速較低，因此，洋流發(fā)電機組渦輪機的額定啟動流速需要設(shè)計得較低。此外，較小的傳動主軸機械磨損損耗、較強的發(fā)電機電氣可靠性、較高的整機機組模塊化程度、較簡單牢固的機械結(jié)構(gòu)等，均是洋流發(fā)電機組設(shè)計中需要考慮達到的性能指標。戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機最早由波士頓東北大學(xué)的亞歷山大.M.戈爾洛夫教授于1995年提出，其螺旋式結(jié)構(gòu)可使葉片曲線在軸向上的幾何分布和載荷分布聯(lián)系均勻，每個葉片的升力和阻力的力量之和不隨旋轉(zhuǎn)角度而突然改變，所以葉片結(jié)構(gòu)和材料的峰值壓力小，額定啟動速度低、自啟動能力強，運行振動和噪聲小。目前該渦輪機主要應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，但從工作原理上，將其應(yīng)用于低流速的洋流流體發(fā)電中也具有一致的良好特性。全永磁懸浮軸承具有無機械摩擦、無接觸磨損、無需潤滑等優(yōu)點，較電磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)更簡單，穩(wěn)定性更好，可以有效降低旋轉(zhuǎn)主軸的粘滯阻力、消除機械磨損損耗、提高傳動機械效率。而對于流速低、流向穩(wěn)定、流量變化平緩、載荷較為穩(wěn)定的洋流發(fā)電應(yīng)用環(huán)境，全永磁懸浮軸承部件可以通過較為簡化的電磁參數(shù)設(shè)計即達到較好的支撐效果。低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機，各相發(fā)電相繞組獨立控制，較傳統(tǒng)的三相發(fā)電機，其相繞組的短/斷路故障抑制能力強，通過在線切除故障相繞組，可實現(xiàn)不對稱情況下的缺相連續(xù)運行，并有著高功率密度、強電氣可靠性、高模塊化特點和良好的轉(zhuǎn)矩平滑特性。為此，將其應(yīng)用于洋流發(fā)電領(lǐng)域可以提高整機電氣帶故障運行能力，降低發(fā)電設(shè)備整機失效的幾率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，傳動效率高、帶故障運行能力強的螺旋型永磁軸承容錯結(jié)構(gòu)洋流發(fā)電機組。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種螺旋型永磁軸承容錯結(jié)構(gòu)洋流發(fā)電機組，其特征是：包括戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機、低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機、全永磁懸浮軸承、密封軸承、聯(lián)軸器、剎車副、功能部件艙和樁基；所述戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機的主軸依次通過聯(lián)軸器、密封軸承、全永磁懸浮軸承與低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸相連；低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機、全永磁懸浮軸承和剎車副安裝于功能部件艙內(nèi)，密封軸承安裝于功能部件艙的轉(zhuǎn)軸出口處；樁基與功能部件艙相連；所述戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機、低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機、全永磁懸浮軸承和樁基的數(shù)量比為k:(k+1):2(k+1):(k+1)；所述(k+1)個低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機之間的安裝“錯相”角度為2π/(mk)，式中m為發(fā)電機相數(shù)。所述全永磁懸浮軸承采用被動型斥力懸浮結(jié)構(gòu)，包括外固定套筒、內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒，在外固定套筒內(nèi)側(cè)設(shè)置外固定隔磁環(huán)，在內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒外周設(shè)置內(nèi)旋轉(zhuǎn)隔磁環(huán)，在外固定隔磁環(huán)、內(nèi)旋轉(zhuǎn)隔磁環(huán)之間設(shè)置外固定永磁環(huán)、內(nèi)旋轉(zhuǎn)永磁環(huán)，在外固定永磁環(huán)、內(nèi)旋轉(zhuǎn)永磁環(huán)之間設(shè)置徑向懸浮氣隙，內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)設(shè)置內(nèi)轉(zhuǎn)軸，在外固定套筒上設(shè)置輔助機械軸承；所述外固定永磁環(huán)的永磁磁場強度根據(jù)洋流流向、戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機浮力和整機軸重而非均勻充磁。所述戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機水平安裝，其主軸兩端各拖動一臺低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機。所述低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸為雙伸軸結(jié)構(gòu)。所述樁基固定在海床上或固定于可操縱的水平橫梁上。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)在水輪機特性方面，采用戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機部件，具有額定啟動流速低、葉片轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、無需洋流迎向裝置、無水流渦穴現(xiàn)象等特點，而且中空的渦輪結(jié)構(gòu)和低速的葉片旋轉(zhuǎn)特點不會對附近水生物造成較大的威脅。(2)在軸承特性方面，采用全永磁懸浮軸承部件和機械軸承相結(jié)合的傳動方式，在較強的機械支撐穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，有效降低了機械軸承的載荷，減小了摩擦粘滯阻力，提高了傳動效率；而且平穩(wěn)的洋流流速及其較單一的流動方向，簡化了此類全永磁懸浮軸承的磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計；另因海水水溫的冷卻作用，永磁體不易發(fā)生高溫退磁故障。(3)在發(fā)電特性方面，采用低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機部件，各相發(fā)電相繞組獨立控制，較傳統(tǒng)的三相發(fā)電機，其相繞組的短/斷路故障抑制能力強，通過在線切除故障相繞組，可實現(xiàn)不對稱情況下的缺相連續(xù)運行，并有著高功率密度、強電氣可靠性、高模塊化特點和良好的轉(zhuǎn)矩平滑特性。(4)機械安裝特性方面，戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機采用水平放置方式，其兩端通過樁基固定，機械方面受力均勻、結(jié)構(gòu)牢固，電氣方面可連接雙臺發(fā)電機，提高了發(fā)電的可靠性；低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機均勻“錯相”安裝，有效降低了整機的齒槽效應(yīng)和磁阻效應(yīng)，使得應(yīng)用“相數(shù)較小的簡單結(jié)構(gòu)發(fā)電機”即可得到整機轉(zhuǎn)矩脈動小、平滑性好、啟動力矩小的良好特性。(5)在模塊化特性方面，機組的發(fā)電形式采用模塊化并聯(lián)結(jié)構(gòu)，各水輪機之間和各發(fā)電機之間機械連接結(jié)構(gòu)簡單，可獨立拆卸、組裝和維修；電氣關(guān)聯(lián)性弱，故障容錯運行能力強，增減容量調(diào)整方便。(6)在制造成本方面，模塊化的總體結(jié)構(gòu)，減少了機組擴容和維護的成本；無需洋流迎向裝置，降低了裝置制造成本；應(yīng)用“相數(shù)較小的簡單結(jié)構(gòu)發(fā)電機”，降低了發(fā)電機制造成本，提高了機組的性價比。附圖說明下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1為本發(fā)明一個實施例的總體結(jié)構(gòu)圖。圖2為功能部件艙的內(nèi)部連接圖。圖3為戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機結(jié)構(gòu)圖。圖4為全永磁懸浮軸承剖面圖。圖5為低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機原理圖。圖6為多個低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機“錯相”安裝示意圖。具體實施方式以一種k＝2，m＝4結(jié)構(gòu)的固定安裝于海床上的螺旋型永磁軸承容錯結(jié)構(gòu)洋流發(fā)電機組為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。所述的一種螺旋型永磁軸承容錯結(jié)構(gòu)洋流發(fā)電機組由戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機1、低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機2、全永磁懸浮軸承3、密封軸承4、聯(lián)軸器5、剎車副6、功能部件艙7、樁基8組成。參見附圖1，戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機1的主軸通過聯(lián)軸器5和密封軸承4與功能部件艙7相連，功能部件艙7的轉(zhuǎn)軸出口安裝密封軸承4，功能部件艙7安裝于樁基8上，樁基8固定于海床9上或固定于可操縱的水平橫梁上。由于本例中k＝2，因此，戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機1的總數(shù)量為2，樁基8和功能部件艙7的總數(shù)量均為3。本例中，三個功能部件艙7可依此編號為#1、#2和#3。參見附圖2，三個功能部件艙中均安裝有低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機2和全永磁懸浮軸承3，這兩類部件通過基座10固定在各自的功能部件艙7中，通過聯(lián)軸器5同軸相連。其中，編號為#2的功能部件艙中，因為其左右兩端均要與一個戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機1的主軸連接，為此，安裝了剎車副6，以供機組切機檢修或是洋流流速過高時的停機保護操作。根據(jù)附圖1和附圖2可知，本例中k＝2，戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機1、低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機2、全永磁懸浮軸承3和樁基4的數(shù)量比為2:3:6:3。參見附圖3，戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機1由旋翼葉轂301、葉片302和主軸303組成。安裝時，戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機1水平放置，其主軸303兩端分別通過聯(lián)軸器等部件與兩個功能部件艙內(nèi)的兩個低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸相連。參見附圖4，全永磁懸浮軸承3由外固定套筒401、內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒402、外固定永磁環(huán)403、內(nèi)旋轉(zhuǎn)永磁環(huán)404、外固定隔磁環(huán)405、內(nèi)旋轉(zhuǎn)隔磁環(huán)406、輔助機械軸承407和內(nèi)轉(zhuǎn)軸408組成。所述全永磁懸浮軸承采用被動型斥力懸浮結(jié)構(gòu)，包括外固定套筒、內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒，在外固定套筒內(nèi)側(cè)設(shè)置外固定隔磁環(huán)，在內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒外周設(shè)置內(nèi)旋轉(zhuǎn)隔磁環(huán)，在外固定隔磁環(huán)、內(nèi)旋轉(zhuǎn)隔磁環(huán)之間設(shè)置外固定永磁環(huán)、內(nèi)旋轉(zhuǎn)永磁環(huán)，在外固定永磁環(huán)、內(nèi)旋轉(zhuǎn)永磁環(huán)之間設(shè)置徑向懸浮氣隙，內(nèi)旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)設(shè)置內(nèi)轉(zhuǎn)軸，在外固定套筒上設(shè)置輔助機械軸承；外固定永磁環(huán)403和內(nèi)旋轉(zhuǎn)永磁環(huán)404內(nèi)的箭頭方向代表充磁方向。外固定隔磁環(huán)405和內(nèi)旋轉(zhuǎn)隔磁環(huán)406起到隔磁屏蔽作用。正常工作時，外固定套筒401通過基座10固定在功能部件艙7內(nèi)，靜止不動，內(nèi)轉(zhuǎn)軸408與重力方向G垂直，外固定永磁環(huán)403和內(nèi)旋轉(zhuǎn)永磁環(huán)404之間具有懸浮氣隙409。由“同極相斥”原理可知，該全永磁懸浮軸承3可以保證在無外力擾動條件下，徑向懸浮氣隙409保持恒定，內(nèi)轉(zhuǎn)軸408可以相對于外固定套筒401無摩擦地旋轉(zhuǎn)。輔助機械軸承407作為保護裝置，可以保證懸浮功能發(fā)生意外故障時，整機轉(zhuǎn)軸支撐的可靠性。為了克服整機軸重和渦輪機浮力的影響，外固定永磁環(huán)403在重力方向上的永磁磁場強度需要適當增強，以使得其與內(nèi)旋轉(zhuǎn)永磁環(huán)404之間的永磁懸浮力，在重力方向上較其他方向上更大。該永磁懸浮力差值大小與整機軸重和渦輪機浮力之差相關(guān)。特別地，為了抑制在洋流流動方向上，通過渦輪機對全永磁懸浮軸承3產(chǎn)生的不平衡力載荷，可加強外固定永磁環(huán)403在洋流流動方向上的永磁磁場強度，以克服該不平衡力載荷。因此，外固定永磁環(huán)403的永磁磁場強度根據(jù)洋流流向、戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機浮力和整機軸重而非均勻充磁。為了易于非均勻充磁，可以采用多個永磁體拼裝結(jié)構(gòu)的海爾貝克陣列(HalbachArray)形式的制造工藝來形成外固定永磁環(huán)403。參見附圖5，低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機2由定子軛501、定子齒502、發(fā)電相繞組503、定子槽504、轉(zhuǎn)子永磁體505、轉(zhuǎn)子軛506、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸507組成。根據(jù)永磁容錯電機原理，發(fā)電相繞組503在定子齒502上間隔排列，轉(zhuǎn)子永磁體505可按海爾貝克陣列方式進行充磁，其轉(zhuǎn)子上的箭頭方向即為永磁體充磁方向。由于本例中，相數(shù)m＝4，因此，附圖5所示低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機2有4個發(fā)電相繞組503(圖中所示A、B、C、D)，轉(zhuǎn)子永磁體505為6極結(jié)構(gòu)。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸507由戈爾洛夫螺旋型垂直軸渦輪機1的主軸帶動旋轉(zhuǎn)時，4個發(fā)電相繞組503即發(fā)出4組正弦波電能，4個發(fā)電相繞組可以分別獨立控制以進行最大洋流功率跟蹤。而且各發(fā)電相繞組之間均由定子齒進行電、磁、熱的隔離，因此，任意1個發(fā)電相繞組發(fā)生短路或斷路故障時，控制器可將該故障發(fā)電相繞組通過電力電子電路快速隔離，其他非故障發(fā)電相繞組不受影響。進一步地，控制器可以通過調(diào)節(jié)非故障發(fā)電相繞組的發(fā)電功率及其發(fā)電相角的辦法，來彌補因切除故障發(fā)電相繞組而造成的整機發(fā)電功率損失和發(fā)電轉(zhuǎn)矩不平衡。所述低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸為雙伸軸結(jié)構(gòu)。參見附圖6，本例中，當k＝2，m＝4時，3個低速永磁直驅(qū)多相容錯發(fā)電機之間的“錯相”安裝角度為2π/(mk)＝π/4。以附圖1中，三個功能部件艙7編號#1、#2和#3為序，若#1功能部件艙內(nèi)發(fā)電機的A相安裝位置角度為0弧度，則#2功能部件艙內(nèi)發(fā)電機的A相安裝位置角度為π/4弧度，#3功能部件艙內(nèi)發(fā)電機的A相安裝位置角度為π/2弧度。這種發(fā)電機“錯相”安裝方法可以使得，機組軸上因發(fā)電機齒槽效應(yīng)和磁阻效應(yīng)而固有的轉(zhuǎn)矩脈動最小化，即應(yīng)用“相數(shù)較小的簡單結(jié)構(gòu)發(fā)電機”得到了整機轉(zhuǎn)矩脈動小、平滑性好、啟動力矩小的良好特性。