用于水力渦輪機(jī)的電力發(fā)電機(jī)的制作方法
【專利說明】用于水力渦輪機(jī)的電力發(fā)電機(jī)發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于水力渦輪機(jī)的電力發(fā)電機(jī)。
[0002]發(fā)明背景
[0003]在許多類型的電機(jī)中，定子中的電流形成行波磁場，所述行波磁場與機(jī)器的移動部分上的一組電流、一組永久磁體、或一組鐵磁特征相互作用，所述移動部分即，轉(zhuǎn)子(在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的情況下)或變換器(在線性機(jī)器的情況下)。形成行波磁場的普通方法是使用三個(gè)分量繞組(component winding)，所述三個(gè)分量繞組一起容納在層合鐵質(zhì)定子中的均勻狹槽陣列中，并被饋送有來自三相電源的三個(gè)交流電。每個(gè)分量繞組具有環(huán)形線圈分布，并且三個(gè)分量繞組被放置成使得它們的磁軸沿定子以等于波長的1/3的間距間隔開來。饋送到繞組的交流電具有120度的相對相差。因此，組合的磁通量近似在交流電的一個(gè)循環(huán)期間以與環(huán)形分布的一個(gè)波長相等的速度來行進(jìn)的恒定幅度的正弦波。其它多相繞組是可能的，但是很少使用，因?yàn)殡娫吹钠毡樾问绞侨囝愋汀?br>[0004]最常見類型的電驅(qū)動器、即許多工業(yè)應(yīng)用中使用的類型的三相感應(yīng)馬達(dá)采用這種方法來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場。參考圖1(a)，轉(zhuǎn)子12攜有其中感生電流并與旋轉(zhuǎn)場相互作用以在輸出軸上產(chǎn)生扭矩的一組導(dǎo)電條(未示出)。
[0005]在家用和輕工業(yè)應(yīng)用中，在三相電源不可用的情況下，使用其中兩個(gè)分量繞組是用相位不同的交流電供電的替代布置。第一電流是由可用單相電源直接提供，并且第二電流通常通過引起相移的電容器來從相同電源獲得。相移僅在一個(gè)負(fù)載條件下才具有正確角度，因此在大多數(shù)條件下，此類馬達(dá)的操作不理想。此類機(jī)器稱為單向馬達(dá)，因?yàn)樗鼈兪菑膯蜗嚯娫催M(jìn)行操作，而繞組則更準(zhǔn)確地被描述為兩相繞組。如果提供相位以90度位移的兩個(gè)電流的平衡兩相電源可用，那么帶有以波長的1/4位移的分量繞組的此類型的電機(jī)將會形成恒定幅度的旋轉(zhuǎn)場并且可與標(biāo)準(zhǔn)三相機(jī)器同樣有效。
[0006]近年，線性電動馬達(dá)對包括導(dǎo)引地面運(yùn)輸在內(nèi)的若干應(yīng)用和航空載體上的電磁發(fā)射系統(tǒng)而言是有吸引力的。另外，線性發(fā)電機(jī)已用于依賴于往復(fù)移動的某些波力裝置中。線性電機(jī)可被視為已切割且展開的標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)機(jī)器，如圖1(a)..(C)所示。但出現(xiàn)這種情況時(shí)，定子10與變換器14之間的力線16所指示的磁吸引力不再由相等且相反的力(如在定子10和轉(zhuǎn)子12的情況下)平衡。
[0007]一種克服此問題的常見方法是使用放置在單個(gè)變換器14的相對側(cè)上的兩個(gè)定子10’、10”，如圖2所示。在大多數(shù)情況下，磁通量18從第一定子10’通過、穿過變換器14、穿過第二定子10”并且再次穿過所述變換器來完成它的回路。
[0008]雙定子式線性機(jī)器可繞原始軸線(如圖1 (b)中示為A)卷起以便形成旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其中兩個(gè)共軸定子包圍中空圓柱形轉(zhuǎn)子并且磁通量從內(nèi)部定子徑向通過、穿過內(nèi)部間隙、圓柱形轉(zhuǎn)子以及外部間隙到達(dá)外部定子。具有此配置的機(jī)器可應(yīng)用于其中要求極低慣性的驅(qū)動的伺服控制系統(tǒng)中。
[0009]或者，線性機(jī)器可繞正交于原始軸線的軸線(如圖2中示為B)卷起以便形成旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其中通量軸向通過兩個(gè)平面氣隙而非徑向穿過圓柱形氣隙。此類型的軸向通量旋轉(zhuǎn)機(jī)器尤其已被用作用于再生能量應(yīng)用的永磁發(fā)電機(jī)、尤其是小型風(fēng)力渦輪機(jī)。在這種情況下，兩個(gè)定子中的每個(gè)通常攜有包括如上所述的三個(gè)分量繞組的三相繞組。
[0010]本發(fā)明的目標(biāo)在于提供水力渦輪機(jī)內(nèi)的改進(jìn)的發(fā)電。
[0011]發(fā)明概述
[0012]根據(jù)本發(fā)明，提供一種如權(quán)利要求1所述的用于水力渦輪機(jī)的電力發(fā)電機(jī)。
[0013]在本發(fā)明的實(shí)施例中，兩個(gè)定子中的每個(gè)具有單相繞組，其中一個(gè)分量繞組容納在每個(gè)定子中，并且兩個(gè)分量繞組與它們的以約90電角度位移的磁軸對齊。
[0014]兩個(gè)繞組的磁軸之間的位移理想地是90°，并且理想地用相位相差90°的交流電來向所述繞組供電。每個(gè)定子攜有單個(gè)繞組，并且這消除了不得不共享共同狹槽陣列的每個(gè)繞組所造成的限制。因此:
[0015]1.繞組分布可布置成接近地近似正弦圖案，因?yàn)楠M槽不再需要均勻分布并可根據(jù)容納在所述狹槽中的僅僅一個(gè)繞組的要求進(jìn)行分布。
[0016]2.繞組布局簡化，因?yàn)槔@組無需重疊其它繞組，并且因此在線性機(jī)器或軸向通量旋轉(zhuǎn)機(jī)器的情況下，它可為平面線圈的簡單集合
[0017]3.絕緣更為簡單，因?yàn)槔@組僅需要與地面隔離而無需與其它繞組隔離。
[0018]4.作為2和3的結(jié)果，從連續(xù)長度的絕緣線纜形成每個(gè)繞組變成為可行的。對于海底應(yīng)用，這是尤其有益的，因?yàn)橛捎谒欣@組連接可在單個(gè)密封單元內(nèi)容易地形成而使得其簡化了定子電子器件的防水。
[0019]在電機(jī)內(nèi)，轉(zhuǎn)子可為環(huán)形導(dǎo)體片使得機(jī)器正如感應(yīng)馬達(dá)或發(fā)電機(jī)那樣操作。這樣的感應(yīng)發(fā)電機(jī)承受圖3-5所示類型的渦輪機(jī)內(nèi)的無軸轉(zhuǎn)子的移動所產(chǎn)生的內(nèi)圓滾線運(yùn)動。另外，環(huán)形片還可包括用于幫助磁通量在兩個(gè)定子結(jié)構(gòu)之間的通行的鐵磁部分?；蛘撸D(zhuǎn)子可包括永久磁體陣列以使得機(jī)器正如永磁同步馬達(dá)或發(fā)電機(jī)那樣操作。
[0020]兩個(gè)繞組可從兩相電源來饋電，或在發(fā)電機(jī)情況下，它們可饋電至兩相負(fù)載之中。兩相電源可由以下各項(xiàng)提供:
[0021]專用兩相交流發(fā)電機(jī)；
[0022]帶有兩相輸出的功率電子轉(zhuǎn)換器，例如可使用兩個(gè)H橋布置的功率電子轉(zhuǎn)換器，其中所述兩個(gè)H橋使用IGBT并連接到共同dc鏈路；
[0023]帶有一組變壓器的三相電源，所述變壓器被連接以在三相系統(tǒng)與兩相系統(tǒng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如斯科特-T型(Scott-T)連接變壓器；或者
[0024]如在單相馬達(dá)中使用的、帶有相移阻抗的單相電源。
[0025]用于發(fā)電機(jī)的兩相負(fù)載可采用以逆功率流來操作的以上布置之一，或其可僅包括電阻負(fù)載區(qū)組(bank)。
[0026]在大直徑旋轉(zhuǎn)機(jī)器的情況下，優(yōu)選地將定子分成多個(gè)可管理的區(qū)段。所述區(qū)段可為設(shè)置在機(jī)器周圍的一組弧部，或替代地，如果使用大量區(qū)段，那么在軸向通量機(jī)器的情況下，使得區(qū)段是筆直的并切向地設(shè)置可能是方便且更具有成本效益的。如果區(qū)段被間隔開，那么它們繞組中的電動勢的相位是不同的。如果區(qū)段之間距離是波長的1/3，那么相差則為120度，并且如果定子已以三的倍數(shù)進(jìn)行劃分，那么就可使用三相電源向一個(gè)定子的區(qū)段供電。如果距離是波長的1/6，那么就可使用三相電源，其中交替塊的繞組逆變。在任一情況下，可使用其中三個(gè)輸出與第一三相電源的那些輸出成轉(zhuǎn)像相差的第二三相電源向第二定子的區(qū)段供電。如果第一定子的區(qū)段的繞組以星形形式來連接，那么所要求的第二三相電源可通過以三角形式將第二定子的繞組連接起來并連接到相同三相電源來提供。以此方式，就可使用標(biāo)準(zhǔn)三相電源。應(yīng)當(dāng)注意，施加到以三角形式連接的繞組上的電壓高于施加到以星形形式連接的繞組上的電壓，并且電流更小。因此，優(yōu)選地將兩個(gè)定子的繞組布置成通過指定具有不同橫截面的導(dǎo)體的成比例地不同的匝數(shù)來以不同的電壓和電流操作。
[0027]附圖簡述
[0028]現(xiàn)將參考附圖借助實(shí)例來描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中:
[0029]圖1 (a)至(C)示意性地示出旋轉(zhuǎn)電機(jī)和線性電機(jī)的部件；
[0030]圖2示出雙定子式線性機(jī)器；
[0031]圖3以正視圖示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于包括電力發(fā)電機(jī)的開放中心水力禍輪機(jī)(open centered hydro-turbine)的外殼；
[0032]圖4示出圖3的外殼的透視圖；
[0033]圖5是穿過圖3和4中指示的線V-V和平面V-V的橫截面圖；
[0034]圖6示出用于圖3-5的渦輪機(jī)的定子上的繞組的示例性布局；
[0035]圖7(a)和(b)詳細(xì)示出用于圖6的定子的極的繞組的布局；
[0036]圖8示出用于容納圖6和7的繞組的示例性層合件的橫截面；
[0037]圖9示出用于容納用于定子的繞組的替代層合件的橫截面；
[0038]圖10示出用于布置成與標(biāo)準(zhǔn)三相電氣系統(tǒng)一起操作的兩個(gè)定子的繞組的電連接；
[0039]圖11示出用于與圖10的系統(tǒng)一起使用的雙橋式轉(zhuǎn)換器；以及
[0040]圖12示出提供二相輸出以在本發(fā)明的替代實(shí)施方式中使用的轉(zhuǎn)換器。
【具體實(shí)施方式】
[0041]用于本發(fā)明的一個(gè)特定應(yīng)用是用于開放中心、無軸潮流渦輪機(jī)中的軸向通量、低速、直接耦合的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)在參考圖3和4，示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的這樣的渦輪機(jī)30，所述渦輪機(jī)包括電動馬達(dá)/發(fā)電機(jī)。渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)輪，所述轉(zhuǎn)輪包括固定在內(nèi)環(huán)34與外環(huán)36之間、容納在護(hù)罩38中的一組葉片32。通常，渦輪機(jī)外殼還包括底座，所述底座允許渦輪機(jī)固定到海下結(jié)構(gòu)，例如重力基座一一但此細(xì)節(jié)未在本案例中示出。
[0042]現(xiàn)在轉(zhuǎn)至圖5，該圖以橫截面示出渦輪機(jī)的一部分。外環(huán)36在由前部環(huán)形支架40、外部圓柱形支架42和后部環(huán)形支架44限定的通道內(nèi)延伸一一前部和后部相對于流體通過渦輪機(jī)的移動(由箭頭F指示)來限定的。不過，應(yīng)當(dāng)理解，渦輪機(jī)可為雙向的，并且因此響應(yīng)于在任一方向上的流體流動。每個(gè)支架40、42、44通過相應(yīng)軸承40’、42’、44’與環(huán)36分開。在實(shí)施例中，這些部件都不需要是磁性的，并可純粹地從機(jī)械傳輸效率角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0043]在此實(shí)施例中，馬達(dá)/發(fā)電機(jī)組合件軸向遠(yuǎn)離渦輪機(jī)組合件設(shè)置。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)組合件同樣包括前部環(huán)形支架46