[发明专利]用于水下应用的电机和能量转化系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于水下应用的电机。

本发明还涉及一种根据权利要求15的前序部分的将单向或往复直线或转动运动的机械能转换为电能并且反之亦然的能量转化系统。所述电能可以是DC或AC电流和电压的形式。该系统和电机尤其与水下应用有关，即浸入纯水或盐水中。

背景技术

水下能量转化系统可以在波浪、潮汐和水力能量转化厂，辅助海底发电机，水下叶片俯仰系统，海底绞车，推进系统，推进器，管内发电机等中进行应用。这些应用的特征在于不同类型的主运动。

基于运动中的差别和现存技术方案，下面对现有技术的回顾以两个阶段给出：首先是关于潮汐和水力设备的公开文本，然后是关于波浪能量转化和海底绞车的公开文本。其他应用可以归于其中一个命名的应用组。

潮汐和水力设备特征在于转动运动。通常存在以慢慢变化的速度在一个方向上转动的涡轮。转动方向可以在潮汐设备中改变，但是这一天仅发生两次，因此可以认为该系统在一个方向上具有连续转动。

对于潮汐和水力设备，目前已经提出了许多技术方案，其中电机结合在涡轮中并且利用在单独封装的定子与转子之间的间隙中的水操作。下面给出了对这些技术方案的回顾。

作为WO2004/113717（Royrvik，2004）中呈现的水轮机和液泵的一部分披露的电机具有仅由线圈和封装材料构成的定子。既没使用铁齿也没有使用背铁。

在OpenHydro的US2010/0026002（Spooner，2010）中的电机也利用定子与转子之间的间隙中的水操作。其是无槽的，但是不像WO2004/113717中的电机，其使用由铁磁绕组制成的元件来传导磁通。该电极每个线圈还具有二极管整流器，它们连接在一起来提供来自于电机的DC电压输出。

两个清洁电力系统的公开文本——CA2615808A1和GB2442622B披露了轴向磁通电机。CA2615808A1（Allison，2003）提出了一种具有两个反转转子盘的电机，具有在叶片根部上的磁铁和在定子上的封装线圈，没有任何铁芯。

GB244622B（Platon，2009）提出了一种由E形铁段排构成的定子，每段中具有线圈。这些段单独封装。在相邻的段之间存在间隙。每个线圈装备有单个电子单元，这些单元连接在一起形成网络以构成共用的DC电压输出。

为了增加执行机械到电能转化所需的转速，有时存在各种机械传动系统。例如，在公开文本US7,530,224B2（Fraenkel，2009）中，为潮汐涡轮机使用液压速度增加传动装置。

上面回顾的相比于本发明提出的技术方案具有具体缺点的技术方案的特征可以总结如下：

-该电机在定子中没有完整的铁芯或者根本没有铁芯，

-存在属于单个段的电子单元，这些单元连接成网络，导致来自于作为发电机操作的电机的DC输出，

-使用速度增加传动装置。

具有不完整定子铁芯的技术方案将导致高的漏磁场，因为没有适合于磁通的封闭铁路径，因此具有较低功率密度、较低效率和功率因数。此外，具有不完整的铁芯（E芯）将导致较低的结构刚性，这对于具有大直径的电机是重要的。在磁铁与铁E芯之间具有强的吸引力，确保在定子与转子之间的恒定间隙将需要显著承载的结构，这是相当昂贵的。

在每个段处具有电子单元的技术方案将导致可以导致较低可靠性的许多电连接。此外，在所述段处的AC电压整流将在线圈中导致非正弦电压和电流，导致额外的损失和较低效率。

因此，从现有技术中获知的潮汐和水力能量转化单元的电机技术方案具有低效率或高成本或者这二者兼有。

海底绞车可能具有循环载荷并且随着电动和发电模式中转动方向的改变而操作。

波浪能量转换通常特征在于往复的直线运动。存在许多用于功率提取的应用直线电机的思想。但是通过使用绞车式布置（滑轮系统）可以将直线运动转化成转动运动。由于浮子的上升导致的在一个方向上的转动伴随着线（绳索）从滑轮的展开以及轴的转动。然后沿相反方向的转动伴随着绳索在可以由机械弹簧推动的滑轮上的绕回。在公开文本US2006273594A1（Gehring，2006）和US4,208,877（Davis，1980）中描述了实例。这种布置仅在浮子升起时可以提供功率提取，因此时仅在一个方向上转动时。