涡轮发电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及从流动的流体发电，在优选实施方案中涉及一个水平轴线涡轮机和发电机总成件。本发明可应用于水力涡轮机，且本发明是关于该应用被描述的。然而应理解，本发明也可应用于风力涡轮机。本发明提供了从流动的流体产生电力的涡轮发电机，包括：可转动的轮毂，具有外表面和转动轴线，在使用中该转动轴线被布置成平行于流动的方向；多个桨叶，安装在轮毂的外表面上并且从轮毂径向向外延伸；多个磁体，安装在可转动的轮毂之内的一个表面上，所述表面被配置为随着可转动的轮毂转动，从而构成发电机的转子；以及不转动的多个线圈，固定到可转动的轮毂的周缘之内的一个静止圆柱芯，所述线圈和所述芯由此构成发电机的定子。
【专利说明】
涡轮发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及用流动的流体发电，且在优选实施方案中涉及水平轴线涡轮机和发电机总成件。本发明可应用于水力涡轮机，且关于这种应用描述了本发明。然而应理解，本发明也可应用于风力涡轮机。
【背景技术】
[0002]气候变化、污染和能源安全是我们时代的重大问题，且解决这些问题需要大力改变能源基础设施。可再生能源在这方面是必不可少的，而化石燃料正在逐渐地被清洁的、非耗竭性的能源所取代。这些能源中包括在整个地球表面上的风流和水流。从这些风流和水流中提取能量的主要方法是通过使用涡轮发电机发电。
[0003]从流体流中可得的每单位面积的功率与该流体的密度成比例，且与该流体速度的立方成比例。水的能量密度是空气的大约1000倍；因此，对于典型的水速度和风速度，从水流可获得的每单位面积能量是从风中可获得能量的大约8倍。由潮汐流和河流所导致的海洋流(marine current)在欧盟具有提供12GW功率以上的潜力。在全世界,尤其是在第三世界，将此自然资源用来发电、海水淡化、水净化、灌溉和其他用途，都可在几乎对环境没有影响的同时对改善生活质量做出巨大贡献。
[0004]海洋流无论是在方向还是在流率方面都是高度可预测的，这使其作为能源很吸引人。然而，海洋流发电机必须应付恶劣的水下环境，这会使得它们的部署和运行昂贵。在所有发电机中都需要使得效率最大化，以减少发电的成本。另一个设计考虑是维护离岸水下设备的成本增加，因此可靠性是至关重要的。
[0005]风力涡轮技术是发展良好的，而海洋涡轮机的提供商一直倾向于将风力涡轮机调整用于水下使用。常规的发电机高速运行以降低转矩负荷，且通常使用变速器将涡轮机的相对慢的转动速度转化成发电机要求的高转动速度。这样一种润轮机是由Marine CurrentTurbines制造的，且在GB 2347976中得以描述。然而，变速器的机械复杂性降低了可靠性并且减小了效率。
[0006]发电机的尺寸与其最大转矩成比例。传统上，通过使用变速器将发电机加速，从而减小发电机的尺寸并且降低成本。由于功率等于转矩乘以速度，因此对于给定功率，速度的增加意味着转矩的减小。然而，如上所述，庞大的变速器降低了总体效率，这一般是通过用较长的桨叶从水中捕获更多的能量来补偿。然而，这个增加的桨叶长度，连同增加的变速器重量，可能会抵消对发电机尺寸和成本的节省。更长的桨叶不仅仅是单单增加了桨叶的重量(桨叶为了承受更高的力需要更厚)，更长的桨叶还增加了涡轮机的总体推进载荷(overall thrust loading),从而需要更笨重的桨叶根部支撑结构，以及更笨重的总体支撑结构来将涡轮机保持就位。
[0007]风流经常改变方向，而水平轴线的风力涡轮机通过允许涡轮机围绕竖直轴线摇摆能够跟踪此改变。潮汐流只在两个方向上涨落。跟踪潮汐流的涨落可以通过允许总成件围绕竖直轴线摇摆，或者通过主动地控制桨叶的间距以允许涡轮机在相反方向上转动。两个解决方案都向该系统带来了复杂度，因此降低了可靠性和效率。因此需要一种具有双向操作的改进的涡轮机。
[0008]属于Clean Current的专利申请WO 03025385公开了一种发电机和涡轮机装置，该装置具有一个直接驱动的凸缘发电机(rim generator)ο该转子具有多个桨叶，在桨叶(固定在钢轭上)的末梢具有磁体，其中导管(duct)构成了定子壳体。然而，该导管是庞大且昂贵的组件，其增加了该装置上的推进载荷，因此增加了支承结构的成本。该凸缘(rim)也增加了桨叶上的应力，如果桨叶细则会显著地弯曲。在带有凸缘的涡轮机中桨叶的折断将会比不带有凸缘的涡轮机中更严重，因为不平衡力更剧烈。
[0009]因此，需要一种有效率的、低成本的、双向的海洋流发电机，其具有低维护需求和最少数量的移动部件。
【发明内容】
[0010]本发明的一方面提供了一种从流动的流体产生电力的涡轮发电机，包括:可转动的轮毂，具有一个外表面和一个转动轴线，在使用中该转动轴线被布置成平行于流动的方向；多个桨叶，安装在所述轮毂的外表面上，并且从所述轮毂径向向外延伸；多个磁体，安装在所述可转动的轮毂之内的一个表面上，所述表面被配置为随着所述可转动的轮毂转动，从而构成发电机的转子；以及不转动的多个线圈，固定到所述可转动的轮毂的周缘之内的一个静止圆柱芯，所述线圈和所述芯由此构成发电机的定子。所述多个线圈被连接以构成分立的多组线圈从而提供m相输出。所述多个线圈还被连接以构成所述多组线圈的多个分立的、绝缘的集合，以提供相对应的多个m相输出。
[0011]这种直接驱动发电机不需要变速器，且因此该总成件可以在机械上非常简单，只具有一个主要的移动部件，即转子。该涡轮发电机可以适合于用液体流或空气流发电。可以使用永磁体来增进该发电机的效率。该涡轮发电机可用在潮汐流中；桨叶可具有对称的剖面轮廓，使得桨叶在正向和反向方向上都是可运行的，例如在潮汝来流(tidal stream)中。优选地，所述桨叶包含两个翼型区段，所述两个翼型区段背靠背地布置以构成花生状的剖面轮廓，其中每个翼型区段都将在一个特定的转动方向上产生升力，以使得它们是转动对称的，且所述涡轮发电机在正向和反向的流体流中都高效运行从而允许双向运行。涡轮发电机可被固定就位，以使得涡轮机随着反向的水流而反向，而无须使其摇摆以重新对齐反向的流动方向。可以通过一个框架支撑所述定子的两个端部，或者通过一个支撑臂支撑所述定子的一个端部。
[0012]在定子和转子之间的间隙可以被填充以液体诸如油，或者被填充以来自涡轮机所位于的环境中的水。如果该流体是水，则可将定子和转子封装在防水层之内，例如聚氨酯或其他环氧树脂材料，以密封它们免于接触在间隙中的水。
[0013]所述定子的圆柱芯可以是中空的，以在所述圆柱芯之内限定一个腔。该腔可以为在定子和转子之间的间隙中的油提供一个热膨胀室。或者，所述腔可以是空气填充的或泡沫填充的，这会使得该总成件更有浮力，因此，在该涡轮发电机被安装在水平面附近例如附接到桥墩时，减小支撑结构的尺寸和重量。该腔可以容纳控制电子器件。所述芯可以是叠层的，且所述叠层可以包括边缘卷绕的螺旋钢条带。所述芯可具有在其外表面上、沿轴向方向延续的多个槽，其中所述芯的在相邻的槽之间的每个部分构成一个突起的齿，且所述多个线圈中每一个都卷绕在一个或多个所述突起的齿上。所述槽可以是倾斜的和/或所述磁体可以是倾斜的，以减小齿槽转矩。
[0014]所述多个线圈可以被连接成分立的三组，以提供三相输出。在一个实施方案中，所述多个分立的、绝缘的线圈集合被连接到多个独立的功率电子转换器，所述功率电子转换器可以串联或并联连接。这提供了增加的故障容忍度，并且降低了输出滤波器要求。所述功率电子转换器可包括整流器。对于使用两个绝缘的线圈集合实现3相布置的情况，线圈可被配置以使得所述两个线圈集合产生相移30度的输出，且分别连接到两个6-脉冲整流器，以导致每个循环具有12脉冲的经整流的输出。
[0015]发电机控制装置可被设置成包括:线圈输出监测装置，用于监测所述线圈中至少一个的输出；以及控制单元，用于根据所述监测装置的输出来控制对线圈的反应转矩，以最大化对于给定水流速的功率输出和/或如果超过最大转动速度则使涡轮机失速。
[0016]优选地，可转动的轮毂具有一个内表面，且磁体被安装在可转动的轮毂本身的内表面上。与常规涡轮机和发电机总成件相比，此实施方案是紧凑且在机械上简单的(具有相关的成本和可靠性的好处)。然而，在某些应用中，其中例如转子可在低速但以高转矩转动(例如，具有较大桨叶的水力涡轮机，或风力涡轮机)，则有利地包括一个变速器以将发电机转子的转动速度“加速”以使得发电机高效地运行。从而，在其他实施方案中，设置了磁体齿轮组件(magnetic gear assembly),其被布置在发电机转子周围，且用来相对于转动的轮毂的转动而将发电机转子的转动加速。使得发电机转子位于涡轮机的可转动的轮毂之内，这允许将磁体齿轮组件简单地集成到涡轮发电机之内。尽管该布置与将磁体安装在可转动的轮毂自身的内表面上的实施方案相比，增加了总体机械复杂度，但该布置与常规的涡轮机和发电机布置相比仍然保持了尺寸/成本好处。由于使用了磁体变速器，而不是机械变速器，效率和可靠性也相对于常规系统有所增进。根据基于水力或风力的发电涡轮机的设计要求，磁体齿轮可被设计成增加发电机转子的速度。
[0017]在实施方案中，磁体齿轮组件包括:多个静止的铁磁极片，布置在发电机转子和外侧的轮毂之间；以及齿轮外转子，其包括多个齿轮外转子磁体，所述齿轮外转子磁体布置在可转动的轮毂的内表面上。发电机转子磁体的数量少于齿轮外转子磁体的数量。优选地，齿轮外转子磁体被布置为通过静止的铁磁极片与发电机转子磁体相互作用，以使得发电机转子以与齿轮外转子相比更高的速度和更低的转矩转动，从而相对于转动的轮毂的转动而加速发电机转子的转动。
[0018]在另一个实施方案中，磁体齿轮组件还包括一个齿轮内转子，其包括多个齿轮内转子磁体，所述多个齿轮内转子磁体布置在发电机转子和静止的铁磁极片之间。齿轮内转子磁体被布置为通过静止铁磁极片与齿轮外转子磁体相互作用，以使得齿轮内转子以比齿轮外转子更高的速度和更低的转矩转动。在此实施方案中，发电机转子被连接到齿轮内转子，以使得发电机转子随着齿轮内转子转动，从而相对于转动的轮毂的转动而加速发电机转子的转动。
[0019]在磁体齿轮组件之内的磁体的数量优选地符合如下关系:
【权利要求】
1.一种从流动的流体产生电力的涡轮发电机，包括: 可转动的轮毂，具有一个外表面和一个转动轴线，在使用中该转动轴线被布置成平行于流动的方向； 多个桨叶，安装在所述轮毂的外表面上，并且从所述轮毂径向向外延伸； 多个磁体，安装在所述可转动的轮毂之内的一个表面上，所述表面被配置为随着所述可转动的轮毂转动，从而构成发电机的转子；以及 不转动的多个线圈，固定到所述可转动的轮毂的周缘之内的一个静止圆柱芯，所述线圈和所述芯由此构成所述发电机的定子， 其中所述多个线圈被连接以构成分立的多组线圈从而提供m相输出，且其中所述多个线圈还被连接以构成所述多组线圈的多个分立的、绝缘的集合，以提供相对应的多个m相输出。
2.根据权利要求1所述的涡轮发电机，其中所述多个分立的、绝缘的集合被连接到多个独立的功率电子转换器，所述功率电子转换器可串联或并联连接。
3.根据权利要求2所述的涡轮发电机，其中所述功率电子转换器包括整流器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮发电机，其中所述多个线圈被连接以构成分立的三组线圈，以提供三相输出。
5.根据权利要求4所述的涡轮发电机，当权利要求4引用权利要求3时，其中所述多个线圈被配置以使得有两个绝缘的线圈集合，所述线圈集合产生相移30度的输出，且分别连接到两个6-脉冲整流器，以导致每个循环具有一个12脉冲的经整流的输出。
6.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，其中所述流动的流体包括水或空气。
7.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，其中所述磁体包括永磁体。
8.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，其中所述桨叶每个都包含两个翼型区段，所述两个翼型区段背靠背地布置以构成花生状的剖面轮廓，其中每个翼型区段都将在一个特定的转动方向上产生升力，以使得它们是转动对称的，且所述涡轮发电机在正向和反向的流体流中都高效运行从而允许双向运行。
9.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，其中所述定子和所述转子被布置以使得在二者之间形成一个间隙，该间隙能够被填充以流体。
10.根据权利要求9所述的涡轮发电机，其中所述流体包括油。
11.根据权利要求9所述的涡轮发电机，其中所述流体包括来自所述流体流中的流体，例如水。
12.根据权利要求8所述的涡轮发电机，还包括防水层，该防水层被布置为将所述定子和所述转子封装以密封它们免于接触在所述间隙中的流体。
13.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，还包括一个框架，其被布置为支撑所述定子的两个端部。
14.根据权利要求1到12所述的涡轮发电机，还包括一个支撑臂，其被布置为支撑所述定子的一个端部。
15.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，其中所述定子的圆柱芯是中空的，且在所述圆柱芯之内限定一个腔。
16.根据权利要求15所述的涡轮发电机，其中所述腔被布置成为在所述定子和所述转子之间的所述间隙之内的流体提供一个热膨胀室。
17.根据权利要求15所述的涡轮发电机，其中所述腔是空气填充的或泡沫填充的。
18.根据权利要求15所述的涡轮发电机，其中所述腔被配置成容纳控制电子器件。
19.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，其中所述芯是叠层的，且所述叠层包括边缘卷绕的螺旋钢条带。
20.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，其中所述芯还包括在其外表面上的、沿轴向方向延续的多个槽，其中所述芯的在相邻的槽之间的每个部分构成一个突起的齿，且所述多个线圈中每一个都卷绕在一个或多个所述突起的齿上。
21.根据权利要求20所述的涡轮发电机，其中所述槽是倾斜的。
22.根据权利要求7至20中任一项所述的涡轮发电机，其中所述磁体是倾斜的。
23.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，其中所述可转动的轮毂具有一个内表面，且所述磁体被安装在所述可转动的轮毂的所述内表面上。
24.根据权利要求1至22中任一项所述的涡轮发电机，还包括一个磁体齿轮组件，该磁体齿轮组件被布置 在所述发电机转子周围，该磁体齿轮组件用来相对于转动的所述轮毂的转动而加速所述发电机转子的转动。
25.根据权利要求24所述的涡轮发电机，其中所述磁体齿轮组件包括: 多个静止的铁磁极片，布置在所述发电机转子和外侧的所述轮毂之间；和 齿轮外转子，包括多个齿轮外转子磁体，所述齿轮外转子磁体布置在所述可转动的轮毂的内表面上； 其中发电机转子磁体的数量少于齿轮外转子磁体的数量。
26.根据权利要求25所述的涡轮发电机，其中所述齿轮外转子磁体被布置为通过所述发电机转子的所述静止的铁磁极片与所述发电机转子磁体相互作用，以使得所述发电机转子以与所述齿轮外转子相比更高的速度和更低的转矩转动，从而相对于转动的轮毂的转动而加速发电机转子的转动。
27.根据权利要求25所述的涡轮发电机，其中所述磁体齿轮组件还包括: 齿轮内转子，包括多个齿轮内转子磁体，所述多个齿轮内转子磁体布置在所述发电机转子和所述静止的铁磁极片之间；且 其中所述齿轮内转子磁体被布置为通过所述静止的铁磁极片与所述齿轮外转子磁体相互作用，以使得所述齿轮内转子与所述齿轮外转子相比以更高速度和更低转矩转动；且 所述发电机转子被连接到所述齿轮内转子，以使得所述发电机转子随着所述齿轮内转子转动，从而相对于转动的轮毂的转动而加速所述发电机转子的转动。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的涡轮发电机，其中在所述磁体齿轮组件中的磁体的数量符合如下关系:
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mP +紙
S 其中G是预定的齿轮比，P是在磁体齿轮的转子上的磁极对的数量，m=l, 2，3，……；k=0±l±2土......；ns是铁磁片的数量。
29.根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机，还包括发电机控制装置，该发电机控制装置包括: 线圈功率输出监测装置，用于监测所述线圈中至少一个的功率输出；以及控制单元，用于根据所述监测装置的输出来控制对所述线圈的反应转矩，以最大化对于给定水流速的功率输出和/或如果超过最大转动速度则将涡轮机失速。
30.一种运行根据前述任一权利要求所述的涡轮发电机的方法，包括: 测量由所述发电机的至少一个线圈所产生的输出功率中的变化，从而确定所述输出功率是否正在增加； 测量所述发电机的转子的转动速度；以及 如果确定了输出功率正在随着增加或减少的转子速度而增加，则通过从发电机线圈中提取更多功率来跟踪最大输出功率。
31.根据权利要求30所述的运行涡轮发电机的方法，还包括如果所述输出功率或所述转子速度超过了一个预 定值，则迅速增加所述输出功率以使涡轮机失速。
【文档编号】H02K49/10GK104137399SQ201280038968
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2012年8月9日 优先权日:2011年8月9日
【发明者】S·M·沙克, A·T·弗雷泽, M·A·于拉蒂克, S·R·特诺克 申请人:南安普敦大学