一种高效率双转子电机结构的潮流能发电装置
阅读说明：本技术 一种高效率双转子电机结构的潮流能发电装置 (Tidal current energy power generation device with high-efficiency double-rotor motor structure ) 是由 钱鹏 冯博 刘小栋 司玉林 张大海 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高效率双转子电机结构的潮流能发电装置。包括转盘轴承内圈转动部分、转盘轴承外圈转动部分和中心固定轴,转盘轴承内圈转动部分和转盘轴承外圈转动部分分别布置在转盘轴承内圈和转盘轴承外圈,中心固定轴从转盘轴承内圈转动部分中穿出。在潮流冲击下,本发明的转盘轴承内圈转动部分和转盘轴承外圈转动部分反向转动,提升了低流速启动性能,使电机磁体和绕组槽的相对转动速度近一倍,极大提高电机发电效率；内环桨叶采用玫瑰状螺旋迎流设计,增加了内环面积的捕能效率,外环桨叶采用升力型叶片且加外环环圈,减小了因外环桨叶振荡带来的效率损失,提高了捕能效率。(The invention discloses a tidal current energy power generation device with a high-efficiency double-rotor motor structure. The turntable bearing comprises a turntable bearing inner ring rotating part, a turntable bearing outer ring rotating part and a central fixing shaft, wherein the turntable bearing inner ring rotating part and the turntable bearing outer ring rotating part are respectively arranged on a turntable bearing inner ring and a turntable bearing outer ring, and the central fixing shaft penetrates out of the turntable bearing inner ring rotating part. Under tidal current impact, the rotating part of the inner ring of the turntable bearing and the rotating part of the outer ring of the turntable bearing rotate reversely, so that the low-flow-rate starting performance is improved, the relative rotating speed of a motor magnet and a winding groove is nearly doubled, and the power generation efficiency of a motor is greatly improved; the inner ring paddle adopts a rose-shaped spiral incident flow design, the energy capturing efficiency of the inner ring area is increased, the outer ring paddle adopts lift force type blades and an outer ring is added, the efficiency loss caused by the oscillation of the outer ring paddle is reduced, and the energy capturing efficiency is improved.)
技术领域
本发明涉及潮流能发电装置，具体设计了一种高效率双转子电机结构的潮流能发电装置，可在较为广泛的潮流流速下进行工作并为海洋设备供能。
背景技术
我国海岸线狭长，河湖纵横，拥有相当可观的海洋及水力资源。与其他海洋可再生能源相比，潮流能具有能量密度高、流转稳定、可预测性强等优点，若能有效利用，可以解决目前化石能源枯竭的难题。因此，对潮流能发电装置形式的探索和研究，一直都是从事海洋能源开发人员重中之重的课题。
随着近年来我国潮流能技术的发展，我国研制的多台潮流能机组已经成功并网或为海岛供电。但是我国潮流能开发还有两个方面不足：我国现有的潮流能装置多为传统的水平轴装置，其启动性能差，大多仅适用于最大流速大于2.5m/s的海域，而我国海域潮流能最大流速1.7m/s以上海域潮流资源占潮流能总资源的60％以上，潮流资源开发不充分；我国潮流能技术主要向着更大功率机组发展，小型潮流能发电技术缺乏重视，不同于大功率发电用于主网并网，稳定的小型潮流能开发可用于海洋用电装备的原位供能。本发明提出的内外嵌套的双转子电机桨叶结构潮流能装置设计，当装置以中小尺寸研制时，在相对较低流速潮流下可以稳定输出电能并用于海洋装备仪器原位供能；该技术应用于大型潮流能装置也能促进对低流速海域潮流能开发。
发明内容
基于目前潮流能装置高启动性能和高效率不能兼得的问题，本发明设计了一种高效率双转子电机结构的潮流能发电装置，在较为广泛的潮流流速下进行工作并为海洋设备供能。
本发明的技术方案是：
本发明包括转盘轴承内圈转动部分、转盘轴承外圈转动部分和中心固定轴，转盘轴承内圈转动部分和转盘轴承外圈转动部分分别布置在转盘轴承内圈和转盘轴承外圈，中心固定轴从转盘轴承内圈转动部分中穿出。
转盘轴承内圈转动部分包括内环叶片结构和电机磁体，内环叶片结构固定在转盘轴承内圈上，内环叶片结构分为内环、外环和中心轴，中心轴位于内环的中心，中心轴开设有圆通孔，内环桨叶的叶尖布置在内环的内侧圆周面上，内环桨叶的叶根设置在中心轴的外圆周面上，内环叶片结构的内环和外环之间形成内环形腔，内环形腔内部在外环表面上沿圆周间隔布置设有多个磁体槽，电机磁体嵌套装配于各自的磁体槽中，在未布置有磁体槽的内环形腔内部与内环叶片结构的内环之间的间隙插入环形的内环导磁铁圈。
转盘轴承外圈转动部分包括外环叶片结构和电机线圈，外环叶片结构固定在转盘轴承外圈上，外环叶片结构包括内环和外环，外环叶片结构的内环和外环之间形成外环形腔，外环形腔的内部沿圆周间隔布置设有多个绕组槽，电机线圈通过绕线骨架三相绕组式绕线镶嵌在每个绕组槽中，沿外环叶片结构的外环的外周面间隔均匀地固定有外环桨叶，外环桨叶的叶根固定在外环叶片结构的外环上，外环桨叶的叶尖朝外，外环桨叶上设计了外环环圈，外环桨叶的叶尖和外环环圈固定为一体。
所述的中心固定轴从内环叶片结构的内环中心的圆通孔中穿出，穿出的中心固定轴的顶端安装顶部连接头，内外环桨叶绕中心固定轴朝相反方向旋转，中心固定轴的圆盘通过螺栓和外部的安装支架固定。
所述的中心固定轴的圆盘与中心固定轴一体打印。
所述的电机磁体和内环导磁铁圈通过环氧树脂灌封在内环叶片结构中。
所述的外环桨叶的数量根据需求在6-12片直接灵活布置，外环桨叶采用升力型叶片。
所述的内环桨叶采用玫瑰状螺旋迎流设计，内环桨叶的叶片数量采用3-5叶片形式，内环桨叶的顶端凸出，桨叶螺纹圈数0.5，螺纹起始角度为170°。
所述的内环桨叶的扇面面积比外环桨叶的扇叶面积大。
本发明的有益效果：
(1)受潮流冲击时，转盘轴承内圈转动部分和转盘轴承外圈转动部分反向转动，提升了低流速启动性能，可以使电机磁体和绕组槽的相对转动速度提高近一倍，极大提高电机发电效率。
(2)内环叶片采用玫瑰状螺旋迎流设计，增加了内环面积的捕能效率。
(3)外环叶片采用升力型叶片设计最大化外环潮流捕能效率，而外环环圈设计有效的固定了外环桨叶，减小了因外环桨叶振荡带来的效率损失。
附图说明
图1是本发明整体设计图；
图2是本发明轴承内圈转动部分设计图；
图3是本发明轴承外圈转动部分设计图；
图4是绕线骨架图；
图5是线圈绕制在绕组线圈槽中的设计图；
图6是中心固定轴设计图；
图7是顶部连接头设计图；
图8是中心轴、顶部连接头和支架的安装示意图；
图9是装置装配后的安装图。
图中，1内环桨叶、2电机磁体、3内环导磁铁圈、4绕线骨架、5线圈、6外环桨叶、7外环环圈、8转盘轴承内圈、9转盘轴承外圈、10中心固定轴、11安装支架、12顶部连接头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图9所示，本发明包括转盘轴承内圈转动部分、转盘轴承外圈转动部分和中心固定轴10，转盘轴承内圈转动部分和转盘轴承外圈转动部分分别布置在转盘轴承内圈8和转盘轴承外圈9，中心固定轴10从转盘轴承内圈转动部分中穿出；受潮流冲击时，转盘轴承内圈转动部分和转盘轴承外圈转动部分同时以转子形式绕着中心固定轴10相对反向转动。
如图2所示，转盘轴承内圈转动部分包括内环叶片结构和电机磁体2，内环叶片结构固定在转盘轴承内圈8上，内环叶片结构分为内环、外环和中心轴，中心轴位于内环的中心，中心轴开设有圆通孔，内环桨叶1的叶尖布置在内环的内侧圆周面上，内环桨叶1的叶根设置在中心轴的外圆周面上，内环桨叶1和内环叶片结构一体打印，内环叶片结构的内环和外环之间形成内环形腔，内环形腔内部在外环表面上沿圆周间隔布置设有多个磁体槽，电机磁体2嵌套装配于各自的磁体槽中，在未布置磁体槽的内环形腔内部与内环叶片结构的内环之间的间隙插入环形的内环导磁铁圈3，电机磁体2和内环导磁铁圈3通过环氧树脂灌封在内环叶片结构中。
如图4和图5所示，转盘轴承外圈转动部分包括外环叶片结构和电机线圈5，外环叶片结构固定在转盘轴承外圈9上，外环叶片结构包括内环和外环，外环叶片结构的内环和外环之间形成外环形腔，外环形腔的内部沿圆周间隔布置设有多个绕组槽，电机线圈5通过绕线骨架4三相绕组式绕线镶嵌在每个绕组槽中，具体实施中，相邻三个绕线骨架分别为ABC三相，每间隔两个为同一相位绕线骨架，每相线圈绕在九个骨架上，最后线圈通过环氧树脂灌封在外环叶片结构中。
如图3和图5所示，沿外环叶片结构的外环的外周面间隔均匀地固定有外环桨叶6，外环桨叶6的数量根据需求在6-12片直接灵活布置，外环桨叶2采用升力型叶片，外环桨叶6的叶根固定在外环叶片结构的外环上，外环桨叶6的叶尖朝外，外环桨叶6上设计了外环环圈7，外环桨叶6的叶尖和外环环圈7固定为一体，保证了外环桨叶6迎流时不会发生外环桨叶6振荡带来能量损失。
如图6-图9所示，中心固定轴10从内环叶片结构的内环中心的圆通孔中穿出，穿出的中心固定轴10的顶端安装顶部连接头12，内外环桨叶绕中心固定轴朝相反方向旋转，顶部连接头12用于限制转盘轴承内圈部分轴向窜动，中心固定轴10的圆盘通过螺栓和外部的安装支架11固定。具体实施的中心固定轴10的圆盘与中心固定轴10一体打印。
具体实施中，内环桨叶1采用玫瑰状螺旋迎流设计，内环桨叶1的叶片数量采用3-5叶片形式，内环桨叶1的顶端凸出，桨叶螺纹圈数0.5，螺纹起始角度为170°，内环桨叶1的扇面面积比外环桨叶6的扇叶面积大。内环桨叶1的新型结构能极大提升内环潮流迎流效率。
采用直径为0.5m的装置在实验室大断面波流水槽中进行测试。根据实验结果显示，在超过0.15m/s的流速下，装置可以实现带负载启动；在0.3m/s的流速下，装置的转子效率超过25％，发电功率接近0.5W；在0.5m/s的流速，装置的转子效率超过30％，发电功率超过2.5W。
本发明的特点在于：
电机采用环形电机，且电机磁体和绕组可以同时绕固定轴相对反向转动，环形电机加工、水密封较普通电机更容易，成本更低；在潮流冲击下，转盘轴承内圈转动部分和转盘轴承外圈转动部分反向转动，提升了低流速启动性能，使电机磁体和绕组槽的相对转动速度近一倍，极大提高电机发电效率；内环桨叶采用玫瑰状螺旋迎流设计，叶片数量采用3-5叶片形式，顶端凸出，桨叶螺纹圈数0.5，螺纹起始角度为170°，扇叶面积较大，增加了内环面积的捕能效率，外环桨叶采用升力型叶片且加外环环圈，减小了因外环桨叶振荡带来的效率损失，提高了捕能效率。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。