[发明专利]水电涡轮机线圈配置

说明书

发明领域

本发明涉及一种水电涡轮机线圈配置，且特别地涉及一种形成水电涡轮机的发电机的部分的线圈配置，所述配置改善了发电机的性能。

发明背景

本发明一般涉及通过使用水流产生电力的水电涡轮机的领域，且更特别地涉及这些装置，其中潮汐水流造成大型环形外壳内布置环形外缘的大型叶轮类型的转子旋转。

虽然大部分涡轮机被构造以具有上面安装叶片或转轮的中心旋转轴，但是其也被视为产生中心敞开式涡轮机（也被视为边缘式涡轮机）。具有中心敞开式转子的涡轮机（其中叶片安装在内环或内缘与外环或外缘之间且其中能量通过外缘传送到固定转子的环形外壳）在低扬程条件（即较缓慢电流）下可能特别成功。

可在下列专利中找到中心敞开边缘式涡轮机的实例：1997年1月14日发布且在2003年12月2日再次发布为RE38,336的美国专利第5,592,816号；2003年11月18日发布的美国专利第6,648,589号；2004年5月4日发布的美国专利第6,729,840号；和2005年2月10日出版的美国专利申请公开案US2005/0031442（序列号第10/633,865号）。可在下列专利中找到在低扬程（潮汐流）条件下使用的水电涡轮机的实例：Heuss等人发布的美国专利第4,421,990号；Vauthier发布的美国专利第6,168,373号和6,406,251号；Susman等人发布的英国专利申请案第GB2,408,294号；和Davis等人发布的WIPO国际公开案WO03/025385。

潮汐动力涡轮机被视为使用矿物燃料或原子能的电力发电厂的环保替代品。在使用水以产生能够大规模给工业园区、城镇、城市等供电的电力时，必须提供大量涡轮机且涡轮机必须与实际一样大以最大化由每个涡轮机产生的电量。这些涡轮机的转子叶片的长度是几米，其中一些试验设计具有长度超过50米的叶片。

随着转子叶片的长度增加，存在较小涡轮机或发电机不会面临的结构和制造挑战。对于轴式涡轮机，难以提供坚固且重量轻的长叶片。在一种解决方法中，轴式涡轮机的叶片具有外部环形边缘（其包括在环形外壳内），从而通过轴和边缘对叶片提供支撑。替代地，不具有中心轴的边缘式涡轮机通过使用固定在具有环形狭槽或通道的外壳内的外部支撑边缘对叶片的内端和外端提供环形支撑来提供这个问题的解决方法。在用于发电的典型方法中，大量磁铁沿环形支撑边缘分开且大量线圈沿定子外壳中的接收通道分开。由转子磁场系统建立的磁场横跨分离转子和定子的间隙。转子旋转造成线圈的磁链变化，从而在线圈中引起电磁力。

为了减小这些中心敞开式涡轮机的启动扭矩且通常由于制造公差，通常产生定子中的环形狭槽或通道直径大于转子的这样的涡轮机。这造成转子实际上具有浮动旋转轴，意味着转子的中心并未固定在定子内且可能在定子内经历一定程度的移动、浮动和/或偏心旋转。此外，轴向推力轴承具有允许转子轴向移动且使其旋转平面与定子平面不平行使得转子运动可以包括旋进分量和其它复杂方式的间隙。然而，由于转子的偏心率，这样的偏心旋转可能造成线圈中产生的电压不平衡（其中定子上的线圈更紧靠转子上的磁铁），从而产生不成比例的EMF量。

当大量这样的线圈并联连接在一起时，其引发的不同EMF造成线圈携带不同电流且线圈不相等地共享电负载。转子相距中心位置的小移位可能造成负载分布极其不相等。这可能使线圈容易过热并减小电力转换的效率。

因此本发明的目标是不诉诸于使用高公差、紧密配合轴承以将转子支撑在定子内的中心共面位置中的困难又昂贵的解决方法来克服上文提及的问题。

发明概述

根据本发明，提供了一种水电涡轮机，其包括定子；无轴转子，其被容纳在定子内旋转，定子界定其中约束转子的开口，开口相对于转子塑形并调整尺寸以给转子提供浮动旋转轴；转子上的磁铁阵列；和定子上的对应线圈阵列；其中线圈配置成组，在组内线圈之间的周向间隔相等且电串联连接在一起。

优选地，电串联连接在一起的线圈在定子上并未相互物理相邻。

优选地，转子包括敞开中心。

优选地，开口被塑形且调整尺寸以允许转子经历大体上偏心或圆内摆线运动。

优选地，水电涡轮机包括将转子支撑在定子内的一组轴承，轴承包括定子和转子中的一个或另一个上的轴承单元阵列以及定子和转子中的另一个上的对应轴颈。

优选地，定子包括界定开口且其中使转子保持旋转的环形通道。