一种高效平装水斗式水轮发电机的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效平装水斗式水轮发电机，包括转子机构、定子机构、转轮机构、固定主轴和喷管,转轮机构包括水斗和轮盘，轮盘中空，水斗分布在轮盘外圆周，轮盘的内圆周前侧边固定密封连接转子机构外圆周，轮盘的内圆周后侧边通过密封轴承连接定子机构外圆周，转子机构与定子机构同轴前后平行，转子机构内径通过密封轴承安装在固定主轴上，定子机构内径密封固定安装在固定主轴上，喷管安装在水斗径向外侧；本发明所述高效平装水斗式水轮发电机无需通风系统或冷却水系统，且所需耗材少，通用性好，体积小，材料要求低，使用寿命长。
【专利说明】
一种高效平装水斗式水轮发电机
技术领域
[0001]本发明涉及水电设备领域，尤其涉及一种高效平装水斗式水轮发电机。
【背景技术】
[0002]水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，用于带动发电机发电。水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。
[0003]冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；
反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。
[0004]冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。
[0005]反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式;在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮;在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮;在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮;在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。
[0006]目前冲击式水轮机中应用最广泛是切击式水轮机(也称水斗式水轮机);理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。
[0007]然而，现有的水轮发电机均是由分离的水轮机和发电机组成，水轮机需通过主轴、转动轴等部件连接发电机，水轮机和发电机的结构至少需要三个轴承，个别型号还需要用到结构复杂、造价昂贵的接力器;且由于发电机在工作过程中会产生大量的废热，需要设计通风或冷却系统给发电机散热；另外，由于现有的发电机的定子、转子、凸极所需的耐热性较大，其定子、转子、凸极材料强度要求高;此外，现有的水轮发电机采用水轮、发电机、励磁机串联式连接结构，造成体积巨大，需要材料多，成本、造价高。
【发明内容】
[0008]本发明旨在提供一种无需通风系统或冷却水系统的水斗式水轮发电机；同时，该水斗式水轮发电机所需轴承少，其定子、转子可采用常规制造，能实时测量转子温度，原材料能够通用，能够批量生产，体积较小，造价较低。
[0009]本发明提供的技术方案是:一种高效平装水斗式水轮发电机，包括转子机构1、定子机构2、转轮机构3、固定主轴4和喷管5;
其特征在于:转轮机构3包括水斗31和轮盘32，轮盘32中空，水斗31分布在轮盘32外圆周，轮盘32的内圆周前侧边固定密封连接转子机构I外圆周，轮盘32的内圆周后侧边通过密封轴承6a连接定子机构2外圆周，转子机构I与定子机构2同轴前后平行； 转子机构I内径通过密封轴承6b安装在固定主轴4上；
定子机构2内径密封固定安装在固定主轴4上；
喷管5安装在水斗31径向外侧；
转子机构I包括转子铁芯11、转子内环柱12、转子外环柱13、第一电枢绕组14和第二电枢绕组15，转子铁芯11呈圆饼形，转子内环柱12环形分布在转子铁芯11后侧圆面内环区，转子外环柱13环形分布在转子铁芯11后侧圆外环区，转子内环柱12和转子外环柱13的侧边分别缠绕有第一电枢绕组14和第二电枢绕组15;
定子机构2包括定子铁芯21、定子内环柱22、定子外环柱23、第一励磁绕组24和第二励磁绕组25，定子铁芯21呈圆饼形，定子内环柱22环形分布在定子铁芯21前侧圆面内环区，定子外环柱23环形分布在定子铁芯21前侧圆外环区，定子内环柱22和定子外环柱23的侧边分别缠绕有第一励磁绕组24和第二励磁绕组25;
转子铁芯11外圆周固定密封连接轮盘32前侧内圆周，转子铁芯11内圆周通过密封轴承6b连接在固定主轴4上；
定子铁芯21外圆周通过密封轴承6a连接连接轮盘32后侧内圆周，定子铁芯21内圆周固定密封连接在固定主轴4上；
转子机构I的转子内环柱12和转子外环柱13分别平对定子机构2的定子内环柱22和定子外环柱23，转子内环柱12和转子外环柱13围绕其中心轴线转动。
[0010]作为进一步优化，为了简化励磁供电，减少外接电导线，所述定子内环柱与第一励磁绕组可通过永磁凸子替代。
[0011]作为进一步优化，为了便于监测转子机构的温度，转子机构的转子内环柱或转子外环柱的内芯安装有温度感应管。
[0012]作为进一步优化，为了减小转子机构中转子铁芯、转子内环柱和转子外环柱的磁感涡流产热，以及减小定子机构中定子铁芯、定子内环柱和定子外环柱的磁感涡流产热，所述转子机构中转子铁芯、转子内环柱和转子外环柱均由冲压的硅钢片叠成，所述定子机构中定子铁芯、定子内环柱和定子外环柱均由冲压的硅钢片叠成。
[0013]作为进一步优化，为了减少定子机构中定子铁芯与定子内环柱和定子外环柱之间励磁磁通泄漏，所述定子铁芯与定子内环柱和定子外环柱由连体的硅钢片叠成。
[0014]作为进一步优化，为了便于转子机构中第一电枢绕组和第二电枢绕组的安装或容量扩充，所述转子内环柱和转子外环柱与转子铁芯之间的连接采取活动可拆装连接;如在转子铁芯内圆周均匀设置卡槽，并将转子内环柱或转子外环柱安装在卡槽内。
[0015]作为进一步优化，所述水斗的工作面为单勺形或双勺形或多勺形。
[0016]作为进一步优化，所述喷管包含单个或多个喷射口，喷管的喷射口环形分布在水斗31径向外侧。
[0017]工作原理:本发明所述高效平装水斗式水轮发电机，工作时，水流从喷管射出，冲击到水斗，水斗受到水流冲击力获得推力，并带动轮盘转动，该过程的实质是从水流中获取动能;轮盘转动时，带动转子铁芯转动，并使转子机构中的第一电枢绕组和第二电枢绕组分别切割定子机构中的第一励磁绕组和第二励磁绕组产生的磁场，使第一电枢绕组和第二电枢绕组产生感应电压。其中，第一电枢绕组的感应电压用于输入第二励磁绕组，产生较强的励磁磁场，第二电枢绕组的感应电压用于输出到外界。
[0018]本发明所述高效平装水斗式水轮发电机，将传统的转轮装置、发电机装置与励磁装置实现了一体化，使发电机装置和励磁装置的转子机构产热可直接通过轮盘和转叶散热到水流中，可省去常规发电装置中的通风系统或冷却水系统；同时，由于其具备散热性好的突出效果，其定子、转子材料的耐热性、导热性、热形变性的要求降低，可采用常规制造。
[0019]此外，本发明所述高效平装水斗式水轮发电机，由于其转轮装置、发电机装置与励磁装置的一体化，动力传动无需通过传动轴部件传动，不仅能减少轴承使用，同时能有效的避免传动轴偏心问题和轴承摩擦耗能问题，大大简化了水轮发电装置的结构和材料，较大程度地缩小了设备体积，并提高能量转化效率;本设备在电站建设的诸多状况下均可整体使用，较大地增强了设备的通用性，减少了电站建设成本与生产管理成本。
[0020]本发明所述高效平装水斗式水轮发电机，其转子机构与定子机构分别在两个平行平面，转子机构和定子机构的废热分别可通过转子铁芯和定子铁芯散热到外界水流中，与常规的转子内装或转子外装存在较大的散热效果差异，该种平装结构方式，较大程度的提高了散热效率。
[0021 ]有益效果:本发明所述的高效平装水斗式水轮发电机具有如下优点:1.制造、安装成本低，2.省去了常规的通风、冷却系统，3.能规模化批量生产(常规水轮发电机是定制)，
4.体积节省60%以上，5.成本相对常规水电站设计节省50%，6.转轮效率提高7%以上；7.定子、转子钢材强度要求降低，能采用常规材料制造，8.节省多个轴承和传动轴。
【附图说明】
[0022]图1为本发明方案一的垂直纵向剖视结构示意图；
图2为本发明方案一中前部垂直横向剖视结构示意图；
图3为本发明方案一中后部垂直横向剖视结构示意图；
图4为本发明方案五的水斗放大结构示意图；
图5为本发明方案六的水斗放大结构示意图；
图6为本发明方案七的垂直纵向剖视结构示意图；
图中:I为转子机构、11为转子铁芯、12为转子内环柱、13为转子外环柱、14为第一电枢绕组、15为第二电枢绕组、2为定子机构、21为定子铁芯、22为定子内环柱、23为定子外环柱、24为第一励磁绕组、25为第二励磁绕组、3为转轮机构、31为水斗、32为轮盘、4为固定主轴、5为喷管、6a和6b为密封轴承、7为温度感应管。
【具体实施方式】
[0023]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述;显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]方案一:一种高效平装水斗式水轮发电机，包括转子机构1、定子机构2、转轮机构
3、固定主轴4和喷管5;
转轮机构3包括水斗31和轮盘32，轮盘32中空，水斗31分布在轮盘32外圆周，轮盘32的内圆周前侧边固定密封连接转子机构I外圆周，轮盘32的内圆周后侧边通过密封轴承6a连接定子机构2外圆周，转子机构I与定子机构2同轴前后平行；
转子机构I内径通过密封轴承6b安装在固定主轴4上；
定子机构2内径密封固定安装在固定主轴4上；
喷管5安装在水斗31径向外侧；
转子机构I包括转子铁芯11、转子内环柱12、转子外环柱13、第一电枢绕组14和第二电枢绕组15，转子铁芯11呈圆饼形，转子内环柱12环形分布在转子铁芯11后侧圆面内环区，转子外环柱13环形分布在转子铁芯11后侧圆外环区，转子内环柱12和转子外环柱13的侧边分别缠绕有第一电枢绕组14和第二电枢绕组15;
定子机构2包括定子铁芯21、定子内环柱22、定子外环柱23、第一励磁绕组24和第二励磁绕组25，定子铁芯21呈圆饼形，定子内环柱22环形分布在定子铁芯21前侧圆面内环区，定子外环柱23环形分布在定子铁芯21后侧圆外环区，定子内环柱22和定子外环柱23的侧边分别缠绕有第一励磁绕组24和第二励磁绕组25;
转子铁芯11外圆周固定密封连接轮盘32前侧内圆周，转子铁芯11内圆周通过密封轴承6b连接在固定主轴4上；
定子铁芯21外圆周通过密封轴承6a连接连接轮盘32后侧内圆周，定子铁芯21内圆周固定密封连接在固定主轴4上；
转子机构I的转子内环柱12和转子外环柱13分别平对定子机构2的定子内环柱22和定子外环柱23，转子内环柱12和转子外环柱13围绕其中心轴线转动。
[0025]作为上述实施方式的具体优化，为了能减小转子机构I中转子铁芯11、转子内环柱12和转子外环柱13的磁感涡流产热，以及减小定子机构2中定子铁芯21、定子内环柱22和定子外环柱23的磁感涡流产热，所述转子机构I中转子铁芯11、转子内环柱12和转子外环柱13均由冲压的硅钢片叠成，所述定子机构2中定子铁芯21、定子内环柱22和定子外环柱23均由冲压的硅钢片叠成;为了减少定子机构2中定子铁芯21与定子内环柱22和定子外环柱23之间励磁磁通泄漏，所述定子铁芯21与定子内环柱22和定子外环柱23由连体的硅钢片叠成。
[0026]作为上述实施方式的具体优化说明，所述水斗31的工作面为双勺形。
[0027]通过上述方案一实施方式，所述高效平装水斗式水轮发电机的稳定效率可达93%，相比常规的水斗式水轮发电机，效率提高7%左右。
[0028]方案二:与方案一不同之处在于:所述定子内环柱22与第一励磁绕组24可通过永磁凸子替代;该种结构可简化励磁供电，减少外接电导线。
[0029]方案三:与方案一不同之处在于:为了便于监测转子机构I的温度，转子机构I的转子内环柱12或转子外环柱13的内芯安装有温度感应管7。
[0030]方案四:与方案一不同之处在于:所述转子内环柱12和转子外环柱13与转子铁芯11之间的连接采取活动可拆装连接，转子铁芯11内圆周均匀设置卡槽，并将转子内环柱12或转子外环柱13安装在卡槽内，该种结构便于转子机构I中第一电枢绕组14和第二电枢绕组15的安装或容量扩充。
[0031]方案五:与方案一不同之处在于:所述水斗31的工作面为单勺形。
[0032]方案六:与方案一不同之处在于:所述水斗31的工作面为三勺形。
[0033]方案七:与方案一不同之处在于:所述喷管5包含多个喷射口，喷管5的喷射口环形分布在水斗31径向外侧。
[0034]最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高效平装水斗式水轮发电机，包括转子机构1、定子机构2、转轮机构3、固定主轴4和喷管5，其特征在于:转轮机构3包括水斗31和轮盘32，轮盘32中空，水斗31分布在轮盘32外圆周，轮盘32的内圆周前侧边固定密封连接转子机构I夕卜圆周，轮盘32的内圆周后侧边通过密封轴承6a连接定子机构2外圆周，转子机构I与定子机构2同轴前后平行，转子机构I内径通过密封轴承6b安装在固定主轴4上，定子机构2内径密封固定安装在固定主轴4上，喷管5安装在水斗31径向外侧，转子机构I包括转子铁芯11、转子内环柱12、转子外环柱13、第一电枢绕组14和第二电枢绕组15，转子铁芯11呈圆饼形，转子内环柱12环形分布在转子铁芯11后侧圆面内环区，转子外环柱13环形分布在转子铁芯11后侧圆外环区，转子内环柱12和转子外环柱13的侧边分别缠绕有第一电枢绕组14和第二电枢绕组15，定子机构2包括定子铁芯21、定子内环柱22、定子外环柱23、第一励磁绕组24和第二励磁绕组25，定子铁芯21呈圆饼形，定子内环柱22环形分布在定子铁芯21前侧圆面内环区，定子外环柱23环形分布在定子铁芯21后侧圆外环区，定子内环柱22和定子外环柱23的侧边分别缠绕有第一励磁绕组24和第二励磁绕组25，转子铁芯11外圆周固定密封连接轮盘32前侧内圆周，转子铁芯11内圆周通过密封轴承6b连接在固定主轴4上，定子铁芯21外圆周通过密封轴承6a连接连接轮盘32后侧内圆周，定子铁芯21内圆周固定密封连接在固定主轴4上，转子机构I的转子内环柱12和转子外环柱13分别平对定子机构2的定子内环柱22和定子外环柱23，转子内环柱12和转子外环柱13围绕其中心轴线转动。2.根据权利要求1所述的高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于:所述定子内环柱(22)与第一励磁绕组(24)可通过永磁凸子替代。3.根据权利要求1所述的高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于:转子机构(I)的转子内环柱(12)或转子外环柱(13)的内芯安装有温度感应管(7)。4.根据权利要求1所述的高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于:所述转子机构(I)中转子铁芯(11)、转子内环柱(12)和转子外环柱(13)均由冲压的硅钢片叠成，所述定子机构(2)中定子铁芯(21)、定子内环柱(22)和定子外环柱(23)均由冲压的硅钢片叠成。5.根据权利要求1所述的高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于:所述定子铁芯(21)与定子内环柱(22)和定子外环柱(23)由连体的硅钢片叠成。6.根据权利要求1所述的高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于:所述转子内环柱(12)和转子外环柱(13)与转子铁芯(11)之间的连接采取活动可拆装连接。7.根据权利要求1所述的高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于:所述水斗(31)的工作面为单勺形或双勺形或多勺形。8.根据权利要求1所述的高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于:所述喷管(5)包含单个或多个喷射口，喷管(5)的喷射口环形分布在水斗(31)径向外侧。
【文档编号】H02K1/12GK106014836SQ201610469079
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月25日
【发明人】郭远军
【申请人】郭远军