一种直线水力发电机的制作方法

1.本发明型技术涉及水力发电领域，特别是公开一种直线水力发电机，相比传统水力发电机效率更高、体积更小、重量更轻、寿命更长、适应水力环境更宽 ，且安装工程少，电力输送简单，维护量更少，而且减少固定投资成本，特别是在分布式能源布局上，非常有效。


背景技术：

2.传统水力发电机技术主要是立式电机 水轮 轴系，其轴较长，电机在岸边高处，辅助建筑较多，影响整机投入成本。
3.这种立式电机 水轮 轴系技术，最大的问题在于轴系损失很大，导致水电转化效率较低，重量功率比很大，工程安装量较大，在大型水坝安装工程量巨大，也因为存在绕组和转子散热冷却，和紧急刹车一系列辅助工程，导致维护量巨大，发电成本居高不下，且哎某些小型水力发电场合无法安装。
4.传统潜水电机 叶轮水力发电技术，转换效率较高，但仅限于低水位区，而在高水位区水压强大，对轴密封冲击较大，容易造成电机轴封失效，维护周期长，年发电量少，投入产出比严重不足，特高水头区更是无法直接发电。
5.这种发电技术的轴系存在泄露，导致长期采用压缩油密封，从而带来长期补充油损耗的维护工作量。
6.另外，也都存在电力输出必须依靠外部变压器提升电压的过程，配电和维护成本增加，不宜小机组使用，导致适应范围更加有限。
7.直线流体技术，诞生最早文献见于2013年3月的专利zl201310069483.6一种无轴螺轮发电装置，从基本原理结构上公开了本技术的关键特征，但作为水力动能发电的使用场景，其产品工程化具体特征没有公开。
8.本发明型技术是基于直线流体技术（专利zl201310069483.6）为背景，主要实现高效率、小体积、高水位、免维护、长寿命、低成本、少投入的效果，特别是以自然水力势能，和人为遗失水力动能为源头发电，从产品和本体结构特征和智能化操控方法上进一步公开。


技术实现要素：

9.本发明型技术主要解决水力发电运行的效率提升、体积缩小、寿命加长、0泄露、0维护、降低辅助工程的诸多问题，和如何实现智能化管理。
10.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、
ꢀ“
厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时 针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
11.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相 连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
12.本发明描述中涉及的时间数值，可按照实际需要重新定义，并非特定不变的数值。
13.本发明描述中涉及到名词“水力”，包含所有流动的水力动能，以及人工遗失的液体动能。
14.本发明描述中涉及到名词“远程”，包括wifi覆盖范围、北斗通信、5g通信、低频中波范围。
15.具体如下：一种直线水力发电机，其特征在于，至少由定子组件、水轮、输入口、输出口、衬套、电气模块、线束组成，电气模块位于定子组件最外层，定子组件的轴向长度尺寸大于最外层直径尺寸，输入口位于定子组件前端，输出口位于定子组件后端，水轮位于定子组件的圆心中央位置，水轮呈空心圆柱形，水轮至少由一级螺旋环、二级螺旋环、三级螺旋环、感磁结构、转子结构、转子内壁、转子外壁组成自由旋转的转子，感磁结构紧固在水轮外壁，感磁结构在定子组件磁力有效切割范围内，每级螺旋环后面有与定子组件一起不动的导流环，衬套位于水轮两端的圆心，约束水轮相对定子组件做自由旋转运动，电气模块通过线束接入绕组，并通过线束向外传输电力。
16.一种直线水力发电机，其定子组件的特征在于，少由输入盖、输出盖、外壳、铁芯、绕组、填充物、隔离筒、芯杆、一级导流、二级导流环、螺母和反向螺母组成，铁芯由多层矽钢片叠铆而成圆形，铁芯外径紧固在外壳内壁，铁芯的圆周处有成对数的绕组平均分布，隔离筒紧固在铁芯内壁，输入盖紧固在外壳的前端，输出盖紧固在外壳后端，隔离筒两端分别与输入盖、输出盖紧固，芯杆两端分别与输入盖、输出盖圆心紧固，输入盖、外壳、输出盖、隔离筒组成密闭空间，填充物包裹铁芯和绕组平均分布在所述密闭空间，芯杆两端分别紧固对应的一级导流环和二级导流环。
17.一种直线水力发电机，其螺旋环的特征在于，至少由让位圆孔、切水刃、衬套台阶、螺旋面、螺旋环外壁、螺旋环内壁组成，至少有一级螺旋环、二级螺旋环、三级螺旋环，每级螺旋环直径相同而轴向长度逐级加长，让位圆孔位于螺旋环的圆心，让位圆孔直径大于芯杆直径，衬套台阶位于让位圆心一侧，衬套台阶直径大于让位圆孔直径，螺旋面位于螺旋环圆心到螺旋环内壁之间径向分布，螺旋面数量呈3、5、7奇数且平均分布圆周，每个螺旋面的起点有切水刃，每个螺旋环面与螺旋环内壁一体化成型，每个螺旋面的轴向投影重合，螺旋环外壁的直径满足与转子内壁过盈配合，所有与水接触面有耐水结构处理。
18.一种直线水力发电机，其导流环的特征在于，至少由固定圆孔、导流环外壁、导流面、导流环内壁构成，固定圆孔位于导流环圆心，固定圆孔的直径满足与芯杆直径过盈配合，导流面位于圆孔到导流环外壁之间，导流面的数量呈2、4、6偶数且平步分布圆周，导流环外壁直径小于转子内壁直径，所有与水接触面有耐水结构处理。
19.一种直线水力发电机的隔离筒，其特征在于，至少呈薄壁筒状，由非导磁材料构成，隔离筒的厚度小于绕组磁力线半径，隔离筒的长度大于输入盖、外壳、输出盖组合后隔
离筒墙边沿之间的距离，隔离筒外径尺寸等于铁芯内径尺寸，隔离筒内径尺寸小于等于隔离筒墙的外径尺寸。
20.一种直线水力发电机的芯杆，其特征在于，至少由螺纹、台阶1 、台阶2、台阶3、台阶4、台阶5、反向螺纹、输出盖导流环紧固处、二级导流环紧固处、一级导流环紧固处、输入盖导流环紧固处、把手卡位构成，芯杆直径分多段，芯杆各段直径与导流环紧固空配合而不同，芯杆中间段的直径最大，两边以此减少，芯杆两端分别由螺纹和把手卡位，一端螺纹与另一端螺纹反向，一端螺纹方向与螺旋环方向等同，芯杆总长度大于输入盖到输出盖组合后距离，芯杆配合螺旋环段的光洁度高，芯杆紧固导流环段的粗糙度高，所有与水接触面有耐水结构处理，芯杆有保证垂直度较高的机械强度。
21.一种直线水力发电机的输入盖，其特征在于，至少由输入口内壁、紧固芯杆圆孔、输入法兰盘 、输入盖导流环、隔离筒墙、紧固外壳位、紧固外壳螺孔、让位转子槽、让位绕组槽构成，紧固芯杆圆孔位于输入盖圆心，输入法兰盘位于输入盖的前方，紧固外壳孔位于输入盖的圆周边沿，隔离筒墙、让位转子槽、让位绕组槽位于输入盖后方，输入盖导流环紧固在输入口内壁且延申到水轮的一级螺旋环前方，隔离筒墙的内径满足隔离筒外径紧配合，紧固外壳位的直径满足与外壳内径紧配合，紧固芯杆圆孔的直径满足与芯杆直径的过盈配合，所有与水接触面有耐水结构处理。
22.一种直线水力发电机的输出盖，其特征在于，至少由输出口内壁、紧固芯杆圆孔、输出法兰盘 、输出盖导流环、隔离筒墙、紧固外壳位、紧固外壳螺孔、让位转子槽、让位绕组槽构成，紧固芯杆圆孔位于输出盖圆心，输出法兰盘位于输出盖的后方，紧固外壳孔位于输出盖的圆周边沿，隔离筒墙、让位转子槽、让位绕组槽位于输入盖前方，输入盖导流环紧固在输出口内壁且延申到水轮的三级螺旋环后方，隔离筒墙的内径满足隔离筒外径紧配合，紧固外壳位的直径满足与外壳内径紧配合，紧固芯杆圆孔的直径满足与芯杆直径的过盈配合，所有与水接触面有耐水结构处理。
23.一种直线水力发电机，其衬套的特征在于，至少由衬套外圈、衬套内圈、衬套外圈台阶、衬套新材料、衬套外圈外套构成，衬套外圈相对衬套内圈位于圆周外面，衬套内圈相对与衬套外圈位于圆周里面，衬套外圈台阶位于衬套外圈的一侧，衬套外圈台阶有机械抓手引导位，衬套外圈台阶满足拆卸强度，衬套新材料嵌入在径向切面，衬套外圈外套材质硬度小于衬套外圈材质硬度，衬套内圈、衬套外圈、衬套外圈外套都有满足耐水性和耐磨性特点。
24.一种直线水力发电机，其电气模块的特征在于，至少由整流电路、滤波电路、直流降压/升压电路、逆变交流电路、电力传输电路、储能电路、传感器电路、报警电路、软开关切断电路、中央管控电路、双工射频电路、及智能电力管理软件程序系统组成，且所有电路硬件采用环氧树脂灌封，电路发热位依靠外壳散热，大电流散热有液冷系统散热，特高电压处有绝缘特别处理结构。
25.附图说明
26.图1直线水力发电机立体示意图1：输入口
2：输出口3：电气模块4：定子组件5：外壳6：固定结构图2 直线水力发电机轴向中心切面立体示意图3：电气模块5：外壳80：填充物81：输入盖82：输出盖83：绕组84：铁芯85：隔离筒86：衬套87：螺母871：反向螺母88：芯杆89：螺钉90：水轮转子821：输入盖导流环92：一级螺旋环93：一级导流环94：二级螺旋环95：二级导流环96：三级螺旋环811：输入盖导流环821：输出盖导流环111：输入法兰盘211：输出法兰盘图3水轮立体示意图90：水轮转子98：感磁结构99：转子内壁图4 水轮轴向中心切面立体示意图92：一级螺旋环94：二级螺旋环96：三级螺旋环97：转子外壁
98：感磁结构99：转子内壁图5 一级螺旋环立体示意图920：让位圆孔921：切水刃923：衬套台阶924：螺旋面925：一级螺旋环外壁926：一级螺旋环内壁图6 一级螺旋环轴向中心切面正视立体示意图920：让位圆孔923：衬套台阶924：螺旋面925：一级螺旋环外壁926：一级螺旋环内壁图7 一级导流环立体示意图930：固定圆孔931：一级导流环外壁932：导流面933：一级导流环内壁图8 芯杆立体示意图8801 螺纹8802：台阶18803：台阶28804：台阶38805：台阶48806：台阶58807：反向螺纹8808：输出盖导流环紧固处8809：二级导流环紧固处8810：一级导流环紧固处8811：输入盖导流环紧固处8812：把手卡位图9输入盖立体示意图810：紧固芯杆圆孔811：输入盖导流环812：隔离筒墙813：紧固外壳位814：紧固外壳螺孔
111：输入法兰盘816：让位转子槽817：让位绕组槽11：输入口内壁图10输出盖立体示意图820：紧固芯杆圆孔821：输入盖导流环822：隔离筒墙823：紧固外壳位824：紧固外壳螺孔211：输出法兰盘826：转子让位槽827：让位绕组槽22：输出口内壁图11 衬套轴向中心切面立体示意图861：衬套外圈862：衬套内圈863：衬套内外圈间隙864：衬套新材料865：衬套外圈台阶866：衬套外圈外套图12 衬套侧面透视立体示意图861：衬套外圈862：衬套内圈863：衬套内外圈间隙864：衬套新材料865：衬套外圈台阶866：衬套外圈外套图13 电气模块内部工作原理框图a：中央管控电路b：定子绕组c：整流电路d：滤波电路e：直流降压/升压电路f：电力传输电路g：逆变交流电路h：数据双工射频电路
具体实施方式
依照本发明型技术特征图1直线水力发电机组立体示意图显示，水力从图的左边输入口（1）进入，水轮被动能旋转起来，迫使水轮形成转子，与定子组件（4）的绕组发生切割磁力线运动，从而在绕组上产生感应电流，再经过电气模块（3），通过整流电路和滤波电路，再通过电力传输电路进行电压调制后传输。
27.依照本发明型技术特征图2直线水力发电机轴向中心切面立体示意图显示，水力进入输入盖导流环（821）后，在导流面的作用下，形成适应一级螺旋环（92）的切入角度，以此提高水力动能利用率。
28.水力动能在在隔离筒（85）的作用下，被隔离在定子组件外部的水力界面，无法进入绕组层进行侵蚀破坏，从而提高了定子组件的寿命，同时也无需维护，以此提高了整机质量和可靠性。
29.填充物（80）包裹铁芯和绕组平均分布在定子组件密闭空间，是二次防护湿气寝室，以此提高了整机寿命质量指标。
30.芯杆（88）作为定子组件的关键零件，既保证约束水轮在一定范围内旋转运动，也保证了定子组件与水轮在同圆心径向几何中心，以此减少了水轮扭力损失的可能，以此提高发电效率。
31.芯杆通过两端的螺母（87）和反向螺母(871)，将各级导流环、输入盖、输出盖、隔离筒、外壳紧固在一起，以此达到一体化结构，以减少整机零件碎片化，和提高整机寿命指数。
32.依照本发明型技术特征图8 芯杆立体示意图显示，芯杆两端螺纹方向不同，以防止螺母与螺旋环带动水轮旋转方向的振动产生同向松动，以此提高发电效率。
33.芯杆各个台阶的直径不同，以实现可制造性，以此降低产品化难度，和降低整机成本。
34.芯杆各段的光洁度不同，既能实现紧固的可靠性，也能实现水轮转动的低阻性，以此达到提高整机的可靠性，和提高水力能的转化效率。
35.芯杆有保证垂直度较高的机械强度，抑制了水轮的运行偏心率，以此提高了水轮平衡性，降低了振动和噪音，从而提高了水力动能的转化效率。
36.所有接触水物件表面，都有耐水性结构防护，以此提高整机寿命指数。
37.依照本发明型技术特征图3水轮立体示意图，和5 一级螺旋环立体示意图显示，采用螺旋环的螺旋面为3、5、7奇数，以拟制水轮共振，防止转子上各个零部件受到共振干扰，以此提升整机寿命指数。
38.采用螺旋环的轴向长度不同且平均分布圆周，以适应水力动能依次减弱的特点，从而提升水力动能转化率。
39.依照本发明型技术特征图4水轮轴向中心切面立体示意图，和图5 一级螺旋环立体示意图的显示，一级螺旋环的螺旋面（924）受到水力动能的冲击后，被自动径向旋转，由于旋转的持续性，导致螺旋面水力产生离心作用，在一级螺旋环内壁（926）和转子内壁(99)的同时作用下，将这些离心能转换成轴向动能，继续进入一级导流环（93），以此提高动能转换效率。
40.依照本发明型技术特征图11 衬套轴向中心切面立体示意图显示，采用衬套新材料嵌入在径向间隙面，以提高衬套的耐磨寿命，也降低了机械摩擦系数，以此提高了动能转
换效率。
41.采用衬套外圈外套，较软材料以吸收水轮转子的跳到摆幅能量，抑制对衬套的冲击，提高了衬套的抗疲劳度，以此提高整机寿命指数。
42.采用衬套外圈台阶（865），和引导拆卸，以降低整机衬套失效报废整机的可能，以此降低整机投入成本。
43.依照本发明型技术特征图9输入盖立体示意图，和图10输出盖立体示意图显示，输入导流环、输出导流环分别与输入盖和输出盖一体化，提升了整机模块化结构，降低了零部件质量风险系数，以此提高了整机寿命指数。
44.由于螺旋环持续旋转，导致螺旋面背面水力受到负压和水粘度的影响而被转成旋转型水力出来，进入紧跟的一级导流环，在导流面的作用下，将旋转能转换成轴向动能，且形成适应二级螺旋环的切入角度，以此类推到三级螺旋环，以此提高水力动能利用率。
45.水轮整体结构完全浸入在水下，以获得水力自然散热，使磁电效应一直处于最佳温度范围，以此提升发电效率。
46.定子组件的磁电和电流热量，一部分通过隔离筒与水力介质层进行传到散热，另一部分通过外壳(5)与空气充分接触散热，以此提高整机可靠性寿命指数。
47.定子组件、电气模块在水轮的圆周外，减少了整机装机工程土方，以此降低投入成本。
48.同时，定子组件和水轮一体化结构，在预计的寿命结束前，主动将整机从输入法兰盘和输出法兰盘及固定结构一次性松开，拆除，再装入新机，以此实现便捷更换。
49.针对高水头的发电场景，可采用超过三级螺旋环的水轮，以提高水力动能转换效率。
50.在水库底部水平取水动能时，整机安装与地面成0
°
角度，即水平安装，若一台整机输出口的遗失水力动能足够二次利用，则再安装一台整机，直到遗失水力动能无法利用，以此串联发电来提升水力动能利用率。
51.为降低高水位水锤对输入口的冲击，安装角度与地面成5
‑
45
°
角，定子组件及水轮处于斜面工作姿势，这样，位于定子组件的圆心中央的水轮，且在旋转速度的带动下，和磁力相互作用的约束下，水轮自身的重力对衬套外圈的压力降低，以此减少机械磨损，提高整机运行寿命，也提高整机的可靠性和适应性。
52.特高水头发电时，为躲开水锤灾害性的打击，采取必要措施减缓冲击力到输入口。
53.依照本发明特征图13 电气模块内部工作原理框图显示，当水力能在定子绕组（b）上形成感应电压后，对生成的电流进行整流电路（c），和滤波电路（d）处理，然后进行直流降压/升压电路（e），或者逆变交流电路（g），再通过电力传输电路（f）输送出去，这个过程每个单元都受到中央管控电路（a）的监控和指挥，而且中央管控电路通过数据双工射频电路（h）和天线对外进行数据交换，以此实现智能电力管控。
54.低水头发电场景下，中央管控电路（a）通过传感电路，检测到发电参数无法直接输送电力，则通过储能电路开始储能，当达到一定电能后再传输，即间歇性输送电力。
55.另外，遇到特大洪水灾害天气，中央管控电路（a）安装预设的程序，进行拉闸切断发电以泄洪，防止机组电流过大烧毁电气电路，或者被特大灾害水力冲垮毁坏机房设施。
56.利用储能电路工作对其所有电路进行自我检修和分析预警处理。
57.当机组遇到不可恢复的灾害，则中央管控电路（a）检测或受到远程关键信号，并利用储能电路发送紧急呼救信号到远程接口。
58.由于定子组件放大了圆周绕组布局，可实现串联分布，而且明显增加了绝缘空间，和散热空间，以此产生的电压较高，经过整流滤波后，会更加提高，以此实现供电直接传送，而省去二次升压电路工程的必要，以此降低投入成本。
59.由于定子组件放大了绕组布局，可实现单匝串联连续升压分布，即单项整流滤波后电压更高，以此实现省去二次升压电路工程的必要，直接高压电力传输。
60.智能电力管控软件程序，不仅对定子组件自身的运行参数监控，也对分布式多个机组进行监控，同时对用户参数进行有效匹配，以及日常安全参数的汇总和预测，以此实现现场调控，和远程管控。
61.在监控过程参数不仅限于，水力参数、天气参数、电压峰值、发电时长、电功率度数、故障位置、故障次数、机组状态，以及机组位置。
62.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变 都应该属于本发明型权利要求的保护范围之内。