專利名稱：小型水力發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用通過水龍頭的水流產(chǎn)生的水力的小型水力發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
以前，已知有這樣一種自動水栓裝置，將手放到水龍頭下，感應(yīng)器會感應(yīng)到，所述裝置根據(jù)該感應(yīng)原理使水龍頭流出水來。近年來，有人提出了一個提案在上述自動水栓裝置的流體通道上設(shè)置小型發(fā)電裝置，儲存小型發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力，以補充感應(yīng)器等電路電力的消耗。(參照日本專利公開公報，實開平2-65775號)以下簡單闡述一下上述小型發(fā)電裝置的構(gòu)造。在流水通路的流體通道上安裝水輪，水輪受到流水水力沖擊而旋轉(zhuǎn)。水輪旋轉(zhuǎn)軸上裝有固定在一起的回轉(zhuǎn)體。該回轉(zhuǎn)體表面為磁化的轉(zhuǎn)子磁鐵，該轉(zhuǎn)子磁鐵利用非磁性材質(zhì)壁隔離，與定子部的節(jié)齒狀極齒對向而置。該定子部上設(shè)有與通過極齒的磁通定子線圈交鏈的通過定子部的磁通。并且，通過水輪在流水沖力下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁鐵相對定子部作相對旋轉(zhuǎn)。由于葉片多極磁化，所以流過定子部的磁通流有所變化。其結(jié)果，定子線圈在妨礙磁通流變化方向發(fā)生電動勢，該電動勢經(jīng)整流后儲存于蓄電池。
上述小型水力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)是通過水輪接受流水水力，與水輪同時多極磁化的轉(zhuǎn)子磁鐵也旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子磁鐵與對置于其外側(cè)的極齒間發(fā)生止動扭矩。該止動扭矩阻止水輪旋轉(zhuǎn)。因此，發(fā)生水輪無法順利旋轉(zhuǎn)，或流水水量減少時水輪會完全不動的問題。且，如果擴大轉(zhuǎn)子磁鐵與極齒間的間隙，則止動扭矩減小，可避免上述問題，但發(fā)電所必需的有效磁通也同時減少。因此，如果擴大間隙過大，則無法高效發(fā)電。基于此種理由，這種小型水力發(fā)電裝置無法解決以往由于流水量少而無法高效發(fā)電的課題。
鑒于上述問題，本發(fā)明的第1目的是提供一種以少量流水也可高效發(fā)電，通過控制轉(zhuǎn)子磁鐵與極齒間的止動扭矩，同時減少發(fā)電有效磁通消耗的小型水力發(fā)電裝置。
上述小型發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)系用壁將水輪圍繞起來，且壁上有將水噴射到水輪葉片的噴射孔。該噴射孔通過適當集中從進路進入的水流量，使水輪高效旋轉(zhuǎn)。提高水輪旋轉(zhuǎn)效率對于提高發(fā)電裝置的發(fā)電效率至關(guān)重要。為進一步提高水的噴射效率，必須更精密地計算噴射孔與水輪轉(zhuǎn)子部分的位置精度、相對水輪的角度、孔徑以及噴射孔所在壁的形狀、壁外周側(cè)流路的形狀等，并精密加工。
考慮到水輪的旋轉(zhuǎn)效率，噴射孔最好為3個或4個乃至更多。并且，噴射孔相對水輪的葉片成直角也有助于提高水輪的旋轉(zhuǎn)效率。但是，如果噴射孔數(shù)在3個以上，噴射孔不對準中心軸向，要使其與葉片成直角，加工起非常復(fù)雜且代價巨大。也就是說，根據(jù)噴射孔的數(shù)目及方向(角度)，需在壁加工時增加成形用模具，或在沖模出時旋轉(zhuǎn)沖壓。
因此，以前，與水輪的旋轉(zhuǎn)效率相比，人們更注重成本低廉的成形水輪。即為藉由二開模且單純的雙向沖模形成成形水輪，將噴射孔數(shù)設(shè)定為2個或1個，且各噴射孔相對水輪的角度也藉由單純的雙向沖模進行加工。也就是說，以前的小型發(fā)電裝置，一般水輪周圍壁上的噴射孔數(shù)為2個左右，且其相對水輪的角度也不精確。因此，水輪的旋轉(zhuǎn)效率低，發(fā)電效率也低。
鑒于上述問題，本發(fā)明的第2個目的在于提供一種小型水力發(fā)電裝置，上述小型水力發(fā)電裝置未采用多個分型模及沖模等的復(fù)雜加工方法，而是采用了可有效向水輪噴水的噴射孔構(gòu)造，提高水輪的旋轉(zhuǎn)效率，也提高了發(fā)電效率。
本發(fā)明系這樣一種小型水力發(fā)電裝置，所述裝置包括具有流體通道的主箱體，配設(shè)于流體通道上、隨著規(guī)定流量的流體通過而旋轉(zhuǎn)的水輪，同時還將連結(jié)于水輪與水輪同時旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體作為與定子部相向而置的轉(zhuǎn)子部，通過轉(zhuǎn)子部隨著流體通過與定子部相對旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電力，其特征在于定子部有節(jié)齒狀極齒，該極齒成周向等距分布于轉(zhuǎn)子部的轉(zhuǎn)子磁鐵的外周面的對面，相鄰極齒間在周向上的間隙為各極齒與轉(zhuǎn)子磁鐵徑向間隙的1.5倍以下。
如上所述，由于通過將極齒間間隙設(shè)定在各極齒與轉(zhuǎn)子磁鐵間隙的1.5倍以下，比以前極大地縮小極齒間的間隙，減小了止動扭矩，即使少量流水，水輪與回轉(zhuǎn)體也可順利旋轉(zhuǎn)，可有效發(fā)電。并且，利用上述結(jié)構(gòu)，在不擴大各極齒與轉(zhuǎn)子磁鐵間徑向間隙的情況下也可減小止動扭矩，所以不會減少旋轉(zhuǎn)葉片的有效磁通，可大扭矩旋轉(zhuǎn)葉片。
此外，本發(fā)明的其他方面的特征在于，在上述小型水力發(fā)電裝置中，定子部由相位偏移的2層定子部構(gòu)成。因此，止可進一步減小動扭矩，水輪及回轉(zhuǎn)體可更加順利地旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的其他方面的特征在于，在上述小型水力發(fā)電裝置中，2層定子部相鄰的定子鐵心間磁性絕緣。因此，各相的定子部相互消除止動扭矩，同時止動扭矩接近正弦波形，并進一步減小。所以，水輪及回轉(zhuǎn)體可更加順利旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的其他方面的特征在于，在上述小型水力發(fā)電裝置中，設(shè)有分別覆蓋2層定子部的2個定子箱，這2個定子箱磁性相接。因此，絕緣的各定子鐵心間的止動扭矩的相互消除進一步加強，可進一步減小止動扭矩。
本發(fā)明的其他方面的特征在于，所述裝置包括具有流體通道的主箱體，配設(shè)于流體通道上、隨著規(guī)定流量的流體通過而旋轉(zhuǎn)的水輪，同時還將連結(jié)于水輪與水輪同時旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體作為與定子部相向而置的轉(zhuǎn)子部，通過轉(zhuǎn)子部隨著流體通過與定子部相對旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電力，其特征在于主箱體上有支承水輪旋轉(zhuǎn)支承軸一端的支承部，流體通道上有集中流量將流體噴射到水輪葉片的噴射孔，部分注水部安裝在主箱體上。
根據(jù)上述發(fā)明，將流體噴至水輪葉片且環(huán)繞水輪四周的注水部安裝在主箱體上，主箱體上設(shè)有支承水輪旋轉(zhuǎn)軸一端的支承部。這樣，環(huán)繞水輪四周的注水部及注水部上的噴射孔與水輪旋轉(zhuǎn)軸周端與注水壁內(nèi)壁的距離(間隙)。其結(jié)果，可使噴射孔噴射出的流體更有效地沖擊水輪，使水輪高效旋轉(zhuǎn)。
此外，本發(fā)明的其他方面的特征在于，所述小型水力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)包括設(shè)有流體通道的主箱體，設(shè)置于流體通道中、且隨規(guī)定流量流體通過而旋轉(zhuǎn)的水輪，將連接于水輪與水輪同時旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體作為與定子部對置的轉(zhuǎn)子部，使所述轉(zhuǎn)子部隨流體通過，葉片與定子部相對旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生電力。其特征在于，有集中流量將流體噴到水輪葉片的噴射孔的注水部，其結(jié)構(gòu)是，噴射孔朝軸向開放，利用其它部件將該開放部分關(guān)閉。
根據(jù)上述發(fā)明，開放注水部噴射孔的軸向一側(cè)，從另一側(cè)按入該開放部分，由此，可利用單純的雙向分型模制造這樣的結(jié)構(gòu)所述結(jié)構(gòu)的注水部噴射孔可作成3個或4個以上，且可使噴射孔與水輪葉片成直角，提高水輪的旋轉(zhuǎn)效率。因此，便可利用廉價的成本制造，且擁有可有效將流體噴至水輪葉片的注水部的小型水發(fā)電裝置。并且，注水部也可與主箱體成為一體，也可用其他材料制造并嵌入主箱體。
又，本發(fā)明的其他方面系在上述各小型水力發(fā)電裝置中，注水部由與主箱體一體形成的多個壁及覆蓋該壁前端側(cè)的蓋所構(gòu)成，同時，噴射孔在蓋側(cè)開放，并用蓋覆蓋。這樣，便可利用廉價的成本制得具有提高水輪旋轉(zhuǎn)效率的注水部的小型水力發(fā)電裝置，該注水部有3個或4個以上噴射孔，且噴射孔相對水輪轉(zhuǎn)子部成直角。
又，本發(fā)明的其他方面系在上述各小型水力發(fā)電裝置中，噴射孔成周向等距設(shè)置，且在注水部的外周側(cè)部分形成有可將經(jīng)由流體通道進路側(cè)流至各噴射孔的流體流量作適當分配的坡度。這樣，各噴射孔噴到水輪葉片的水便均等且適量，可進一步提高水輪的旋轉(zhuǎn)效率。
又，本發(fā)明的其他方面系在上述各小型水力發(fā)電裝置中，通過將杯狀箱體嵌入主箱體而形成內(nèi)部空間，并將回轉(zhuǎn)體放在內(nèi)部空間內(nèi)，同時隔開該內(nèi)部空間與定子部。主箱體容納杯狀箱體的嵌合部設(shè)有凹部，杯狀箱體與主箱體嵌合的嵌入部設(shè)有與凹部內(nèi)壁對向而置的對置壁，在按壓杯狀箱體使其嵌入主箱體時，在相對嵌入方向垂直的方向上，設(shè)有夾于對置壁與凹部內(nèi)壁間的環(huán)形彈性密封材料，在主箱體及杯狀箱體上分別設(shè)有支承回轉(zhuǎn)體支承軸兩端的支承部。
根據(jù)上述發(fā)明，在將主箱體與杯狀箱體作一體化安裝后，彈性密封材料不會在嵌入方向被擠壓，而是在與嵌入方向垂直的方向上受到來自兩箱體的擠壓力。這樣，便不會因彈性密封材料的彈性斥力而引起松動以及嵌入方向錯位等故障。因此，可更精確定位設(shè)在兩箱體上的軸支承部。
附圖的簡單說明

圖1為本發(fā)明的實施形態(tài)的小型水力發(fā)電裝置的縱截面圖。
圖2所示為水輪及回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)圖，其中，(A)為與圖1同方向所見的正面圖。(B)為從箭頭B方向所見(A)的平面圖。(C)為從箭頭C方向所見(A)的底面圖。
圖3所示為圖1中箭頭III-III所示截面圖。
圖4所示為圖1所示小型水力發(fā)電裝置極齒部分的展開圖。
圖5所示為顯示小型水力發(fā)電裝置各極齒間周方向間隙與與止動扭矩關(guān)系的圖，其中，(1)、(2)分別為1層定子部式、2層定子部式的圖形。
圖6所示為顯示小型水力發(fā)電裝置各極齒間周方向間隙與有效磁通關(guān)系的圖。
圖7所示為以前的小型水力發(fā)電裝置與本發(fā)明實施形態(tài)的小型水力發(fā)電裝置的電角與止動扭矩關(guān)系的比較圖。圖中，(1)為以往各極齒間間隙大且定子部1層的結(jié)構(gòu)。(2)為各極齒間間隙大且定子部為2層。(3)為定子部為1層的本發(fā)明的小型水力發(fā)電裝置的一個實施例。(4)為定子部為2層的本發(fā)明的實施例。(5)為在(4)的基礎(chǔ)上，2層定子部的內(nèi)定子鐵心間磁性絕緣型。(6)為在(5)的基礎(chǔ)上，2層定子部的名外定子鐵心外側(cè)部分接觸且磁性連接型。
圖8所示為卸下杯狀箱、樹脂箱及定子部狀態(tài)下，從箭頭1方向所見圖1的平面圖。
圖9所示為圖8中箭IV所示2點劃線部的截面圖。
圖10所示為在顯示構(gòu)成部分流體通道的蓋的圖。其中，(A)為從箭頭V方向所見圖1的平面圖，(B)為(A)的A-A’截面圖。
具體實施例方式
參照附圖，對本發(fā)明的小型水力發(fā)電裝置的實施形態(tài)進行說明。
如圖1所示，在本實施形態(tài)的小型水力發(fā)電裝置包括，擁有流體通道進路12及出路13的主箱體1，設(shè)于主箱體1內(nèi)且為流體通道一部分的注水部2，配置于注水部2內(nèi)側(cè)隨著規(guī)定流量流體通過而旋轉(zhuǎn)的水輪3，連結(jié)于水輪3且與水輪3同時旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體4，配置于回轉(zhuǎn)體4外周側(cè)并嵌入主箱體1，且與主箱體1聯(lián)動、具有內(nèi)部空間的不銹鋼制杯狀箱體5，以及配置于該杯狀箱體5外側(cè)的定子部6。
主箱體1由主體部11、凸出于主體部11外側(cè)的筒狀進路12及出路13。主體部11則由環(huán)繞在水輪3外側(cè)的注水部2、用于嵌入并固定回轉(zhuǎn)體4的支承軸7一端的軸承孔11b構(gòu)成。
又，軸7的另一端穿過蓋15的孔15c(參照圖10)，其前端嵌入杯狀箱體5內(nèi)的軸承孔5f。由此，使軸7固定在兩箱體1，5上且與其聯(lián)動。在本實施形態(tài)的小型水力發(fā)電裝置中，如上所述，不會受彈性密封材料O形環(huán)8的彈性斥力的影響，兩箱體1及5可在軸向及徑向定位。因此，如果各部件規(guī)格精度高，組裝精度也高。由此，水輪3及回轉(zhuǎn)體4的旋轉(zhuǎn)位置精度也高。
環(huán)狀壁部2系用于縮小從進路12進入的水的流路，增強水勢，將其噴至水輪3的轉(zhuǎn)子部31，并將碰撞到葉片31后的水引向出路13。注入部2由與主箱體1一體的多個壁(圖示略)以及覆蓋該壁前端的蓋15構(gòu)成。通過用蓋15覆蓋多個壁的前端，而在外圍壁形成集中流量將流體噴至水輪3轉(zhuǎn)子部31的多個噴射孔22。
具體如圖8所示，注水部2縮小從進路12進入的水的流路，增強水勢將其噴至水輪3的轉(zhuǎn)子部31，并將碰撞到葉片31后的水引至出路13。該注水部2由與主箱體一體的5個注水壁20a、20b、20c、20d、20e，以及配置于該注水壁前端并蓋住孔的蓋15構(gòu)成。
通過用蓋15蓋住主箱體1的5個注水壁20a、20b、20c、20d、20e的前端，在其外圍壁集中流量將流體噴到水輪3葉片部分31的噴射孔22由多個(本實施形態(tài)為4個)噴射孔22a、22b、22c、22d構(gòu)成。注水部2一側(cè)的5個注水壁20a、20b、20c、20d、20e與主箱體1一體。另一側(cè)的蓋15相對主箱體1定位(后面加以敘述)。
因此，如后面敘述的那樣，形成于主箱體1上、作為支承水輪3的旋轉(zhuǎn)的軸7一端的支承部的軸承孔11b，和由二者形成的噴射孔22a、22b、22c、22d間的的位置精度，以及環(huán)繞水輪3的內(nèi)壁相對水輪3的位置精度均很高。關(guān)于注水部2的具體構(gòu)造后面加以敘述。
主箱體1上設(shè)有用于嵌入的結(jié)構(gòu)的凹部，所述凹部系用于嵌入緊密固定于杯狀箱體5及其外側(cè)的定子部6軸向一端。該凹部底面為搭置設(shè)于主箱體1和杯狀箱體5之間的環(huán)形蓋15的平面部15a的部位。該底面的中心部位為連通主箱體1側(cè)的流體通道與杯狀箱體5的內(nèi)部空間的孔。通過該孔，杯狀箱體5的內(nèi)部空間與流體通道的進路12及出路3連通。
杯狀箱體5由非磁性的不銹鋼材料制成，由通過拉深加工成為最外周部的凸緣部5b、連結(jié)于凸緣部5b內(nèi)側(cè)而形成的外側(cè)圓筒部5a、配置于該外側(cè)圓筒部5a內(nèi)側(cè)、隔絕進水內(nèi)部空間與定子部6的隔壁5c、連接對置壁5a與隔壁部5c的連結(jié)面部5d以及底部5e。
如此構(gòu)成的杯狀箱體5夾住蓋15的平面部15a嵌入上述主箱體1的凹部內(nèi)。外側(cè)圓筒部5a的外側(cè)配置有O形環(huán)8。O形環(huán)8在徑向受到該外側(cè)圓筒部5a的擠壓，被夾在外側(cè)圓筒部5a與凹部的內(nèi)壁間。底部5e形成有插入水輪3及回轉(zhuǎn)體4支承軸7另一端的軸承孔5f。該杯狀箱體5用于隔離通過主箱體1的水與定子部6，同時防止水流到主箱體1外。
連結(jié)形成于箱體上的進路12、出口13等的主體部11配置于由水龍頭及閥門等構(gòu)成的水栓裝置(圖示省略)的部分流體通道內(nèi)，從流體源進入進路12的流體通過配置于主體部11的注水部2，從出路13流出。流體通過時對水輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力。
如上所述，將杯狀箱5嵌入主箱體1，并在其外側(cè)安裝定子部6后，蓋上樹脂制箱體9，使其覆蓋杯狀箱5及定子部6。樹脂箱體9上設(shè)有用于覆蓋從定子部6徑向凸出外側(cè)的端子部6a的罩蓋部9b。該罩蓋部9b上設(shè)有將其一端連接于端子部6a的導(dǎo)線6b的另一端引出至外部的引出部9c。該引出部9c填充有密封外部與定子部6的密封劑(圖示略)，防止水通過引出部9c從外部進入定子部6。并且，該樹脂箱9用螺釘固定于主箱體1上。這一結(jié)構(gòu)可防止杯狀箱5及定子部6從主箱體1脫落以及他們在固定狀態(tài)下的偏移。
配置于上述注水用注入部2內(nèi)側(cè)的水輪3隨著規(guī)定流量流體通過而旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，水輪3由穿過軸7的旋轉(zhuǎn)中心部33以及其內(nèi)周端部連接于旋轉(zhuǎn)中心部33的葉片構(gòu)件31構(gòu)成。圖2顯示了水輪3及回轉(zhuǎn)體4，(A)為正面圖，(B)為從箭頭B方面所見的(A)的平面圖，(C)為從箭頭C所見的(A)的底面圖。
葉片構(gòu)件31中間部分彎曲，以使其更易于接受自各噴射孔22a～22d噴射出的水的壓力。因此，進入進路12經(jīng)各噴射孔22a～22d增壓后的流體可更準確地噴射到葉片構(gòu)件31，水輪在其水力作用下以軸7為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。撞到葉片31后的水在上述空間內(nèi)循環(huán)后，流到出路13側(cè)。
旋轉(zhuǎn)中心部33的結(jié)構(gòu)由與軸7滑動旋轉(zhuǎn)的圓筒狀小筒部33a，比小筒部33a直徑大的大筒部33b，在軸向二端部分分別連結(jié)兩個筒部33a、33b的多個骨架部33c。兩個筒部33a、33b之間成為在軸向貫通的中空，即，成為以水輪3一側(cè)的各骨架部33c間的間隙為入口，以回轉(zhuǎn)體4一側(cè)的各骨架部33c間的間隙為出口的貫通中空部33d。該貫通中空部33d將噴到水輪3的水從上述入口引到出口，使在水輪3以及連接于水輪3的回轉(zhuǎn)體4所在空間內(nèi)循環(huán)，順利地旋轉(zhuǎn)水輪3及回轉(zhuǎn)體4?；剞D(zhuǎn)體4與水輪3為一體形成，與水輪3安在同一軸上。因此，如果水輪3在水力作用下旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)體4也與水輪3一起以軸7為中心旋轉(zhuǎn)。
如上所述，連結(jié)于水輪3且與之同時旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體4成為與定子部6相對安裝的轉(zhuǎn)子部，其表面嵌入圓筒狀轉(zhuǎn)子磁鐵Mg。該轉(zhuǎn)子磁鐵Mg的外周面多極磁化。并且其外周面通過杯狀箱5的隔壁部5c，與定子部6對向而置。這樣，回轉(zhuǎn)體4如果與水輪3同時旋轉(zhuǎn)，則與定子部6相對旋轉(zhuǎn)。
定子部6由軸向重疊且相位偏移配置的2個層6c、6d構(gòu)成。如此，由于定子部6由2層構(gòu)成，所以各層6c、6d便可相互消除止動扭矩，可從整體上減少轉(zhuǎn)子磁鐵Mg與定子部6間產(chǎn)生的止動扭矩。各層6c、6d則分別具有外定子鐵心(重疊狀態(tài)下配置于外側(cè))61、內(nèi)定子鐵心(重疊狀態(tài)下配置于內(nèi)側(cè))62、纏繞在線圈骨架上的線圈63。
在本實施形態(tài)中，在各層6c、6d相鄰配置的內(nèi)定子鐵心62、62之間作磁絕緣。又，各層6c、6d的各外定子鐵心61、61皆由大致的杯形構(gòu)成，外側(cè)端部間處于相互磁性連接狀態(tài)。這樣的結(jié)構(gòu)可更產(chǎn)生更多的、可用于消除發(fā)生于各層6c、6d間發(fā)生的互動扭矩的力，起到減小止動扭矩的效果。線圈63的始卷部分及終卷部分從形成于外定子鐵心61、61的連接部位上的窗孔(圖未示)被引出至外定子鐵心61、61的外側(cè)，分別連接于端子部6a。
外定子鐵心61上設(shè)有對藉由拉深加工形成的杯狀部件中心部件切起而形成的多個極齒61a。這些極齒61 a略成梯形，同時相對轉(zhuǎn)子磁鐵Mg外層成周向等距分布，成節(jié)齒狀。內(nèi)定子鐵心62也一樣擁有多個極齒62a，這些極齒62a相對轉(zhuǎn)子磁鐵Mg外層成周向等距分布，成節(jié)齒狀。如果重疊配置兩定子鐵心61、62，設(shè)置于各定子鐵心的各極齒61a、62a成鋸齒狀，作交錯周向配置。
這樣構(gòu)成的定子部6嵌入杯狀箱5的隔壁部5c的外側(cè)部分。由此，在定子部6的各極齒61a、62a與回轉(zhuǎn)體4的勵磁部間通過磁通。如上所述，如果回轉(zhuǎn)體4與水輪3同時旋轉(zhuǎn)，該磁通流將發(fā)生變化，在防止發(fā)生變化的方向，線圈63產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓可從端子部6a取出。以此種形式取出的感應(yīng)電壓經(jīng)電路變換為直流，通過規(guī)定電路(圖示略)整流后用于對電池的充電。
在本實施形態(tài)中，如圖3及圖4所示，相鄰接的極齒61a、62a間的周向間隙G2設(shè)定為0.6mm。另一方面，在各極齒61a、62a與夾住杯狀箱5的隔壁部5c、配置于其內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子磁鐵Mg的外周面之間所形成的徑向磁間隙G1設(shè)定為0.7mm。也就是說，周向間隙G2的設(shè)定要略小于徑向磁間隙G1，這與以往小型水力發(fā)電裝置中的各極齒間的間隙相比，非常小。(以前，一般各極齒間的周向間隙設(shè)定在1.5mm以上。)因此，止動扭矩變小，以少量的流水便可順利旋轉(zhuǎn)水輪。也就是說，如圖5所示，如果各極齒間的間隙G2過寬，將使在轉(zhuǎn)子磁鐵Mg與定子間產(chǎn)生的止動扭矩增大。具體來說，如將間隙G1設(shè)定為0.7mm時，G2約在1.1mm以上，則止動扭矩便會驟然增大。因此，從減小止動扭矩的觀點出發(fā)，各極齒間的間隙G2至少要在約1.1mm以下，最好在間隙G1尺寸的1.5倍以下左右。
如果縮小間隙G2，則極齒面積變大，從定子磁鐵到達各極齒61a、62a的有效磁通則變大，可有效旋轉(zhuǎn)水輪3產(chǎn)生電力。也就是說，如圖6所示，如果各極齒間的間隙G2過大，具體來說，在將間隙G1設(shè)定為0.7mm，間隙G2在1.6mm以上，有效磁通則驟減。因此，從有效磁通的觀點出發(fā)，各極齒間的間隙G2最好至少設(shè)定在1.6mm以上。為減小止動扭矩及確保有效磁通，周向間隙G2必須在磁間隙G1的1.5倍以下左右，本發(fā)明中采用了這一數(shù)值。
在本實施形態(tài)中，縮小了極齒間的間隙G2，同時通過上述各種結(jié)構(gòu)，減小了止動扭矩。下面，通過圖7，說明一下具有至少縮小各極齒間間隙G2的結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的小型水力發(fā)電裝置與以往未在此方面研究、改進的發(fā)電裝置的不同。
在圖7的(1)～(6)中所示的各種圖形顯示了以下所示的各種型號的小型水力發(fā)電裝置的電角度(位相差)與止動扭矩間的關(guān)系。(1)為以往的各極齒間間隙大(1.5mm以上)且定子部如上述實施形態(tài)所述，非2層而是由1層構(gòu)成的小型水力發(fā)電裝置。(2)為各極齒間間隙大(1.5mm以上)且定子部為2層的小型水力發(fā)電裝置。(3)～(6)為本發(fā)明的實施例，各極齒間間隙小(0.6mm左右)。(3)為如上所述、定子部非2層而是由1層構(gòu)成的小型水力發(fā)電裝置。(4)為定子部為2層的小型水力發(fā)電裝置。(5)為在(4)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，2層定子部的各內(nèi)定子鐵心間磁性絕緣的小型水力發(fā)電裝置。(6)為在(5)的基礎(chǔ)上，2層的各外定子鐵心的外側(cè)部分接觸并磁性連接的小型水力發(fā)電裝置。
如圖7所示，(1)盡管為正弦波形結(jié)構(gòu)，但其波形大，止動扭矩非常大，為此，無法以少量的流水旋轉(zhuǎn)水輪，即使旋轉(zhuǎn)也無法順利運轉(zhuǎn)。(2)由于定子部為2層，因此與1層定子部相比，波形本身小，止動扭矩小，但波形不是正弦波形，所以也無法順利旋轉(zhuǎn)。與(3)～(6)相比，止動扭矩仍很大。
(3)的結(jié)構(gòu)與2層定子部的結(jié)構(gòu)相比，是止動扭矩大的1層型結(jié)構(gòu)，但通過縮小各極齒間的間隙，大幅減小了止動扭矩。并且由于接近正弦波形，所以水輪3可以順利旋轉(zhuǎn)。(4)的定子部結(jié)構(gòu)為2層，所以與(3)相比，其止動扭矩進一步減小，水輪也可順利旋轉(zhuǎn)。(5)、(6)與(3)、(4)相比，止動扭矩減小得更多。
上述實施形態(tài)是本發(fā)明最好的實施形態(tài)，但本發(fā)明并不僅限于此。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)仍可有各種不同的實施形態(tài)。例如在上述實施形態(tài)的小型水力發(fā)電裝置中，兩個內(nèi)定子鐵心62、62間磁性絕緣，且兩個外定子鐵心外側(cè)磁性連接，這樣便實現(xiàn)了進一步減小止動扭矩，但也可不采用這兩種構(gòu)造。
又，在上述實施形態(tài)中，由于縮小了各極齒61a、62a間的間隙，所以有可能由于組裝的誤差而導(dǎo)致兩極齒61a、62a接觸。為避免這一情況，可在各極齒61a、62a間裝襯墊。此外，在上述實施形態(tài)中，作為發(fā)電部的定子部6為2層式步進電動機式，但發(fā)電部也可為1層式。
在上述實施形態(tài)中，如圖4所示，各極齒61a、62a略成梯形，這樣可進一步減小止動扭矩，同時也可確保有效磁通，但各極齒61a、62a也可不成梯形，也可為矩形或三角形。此時，與上述實施形態(tài)中各極齒略成梯形的構(gòu)造相比，在減小止動扭矩及確保有效磁通方面效果不好，但如果將各極齒圓周方向間隙縮小，效果會比以前的小型水力發(fā)電裝置好一些。
其次，再用圖8及圖9對注水部2詳加說明。圖8為在拆下定子部、杯狀箱及蓋狀態(tài)下，從箭頭方面所見圖1的平面圖。圖9為圖8箭頭IV所示2點劃線處的截面圖。
如上所述，在主箱體1的主體部11的內(nèi)側(cè)設(shè)置有注水部2。如圖8所示，該注水部2由與主箱體1一體形成的5個注水壁20a、20b、20c、20d、20e、及安裝在主箱體1及杯狀箱5邊緣部分的蓋15構(gòu)成(參照圖1及圖10)。這些注水壁20a、20b、20c、20d、20e分開圍繞在水輪3的葉片31(圖8中省略。參照圖1)外圍，并將各注水壁間的間隙作為將水噴向水輪3葉片部分31的4個噴射孔22a、22b、22c、22d。
另外，在各注水壁20a、20b、20c、20d、20e的前端形成為凹部20f，通過將形成于蓋15上的凸部15f嵌入凹部20f內(nèi)，使蓋15與各注水壁20a、20b、20c、20d、20e成為一體。這樣構(gòu)成的注水壁20a、20b、20c、20d、20e的前端部分同樣形成于連接上述階梯部14b的同一平面上。
作為主箱體1的主體部11的內(nèi)側(cè)，5個注水壁20a、20b、20c、20d、20e徑向外側(cè)部分成為從進路12進入的水可流動的溝狀循周向通道21。并且該周向通道21上形成有可將自流體通道進路12一側(cè)流入至各噴射孔22a、22b、22c、22d的流體流量作適當分配的一定的坡度，以減少壓力損耗(參照圖1的箭頭R1及圖9中的箭頭G)。圖9顯示了周向通道21入口側(cè)(進路13側(cè)注水壁的外面旁邊(也包括部分非周向通道21部分))的坡度。
第1注水壁20a設(shè)置在進路12側(cè)，從進路12筆直進入主體部11的水首先碰到第1注水壁20a的外層。碰撞后的水被第1注水壁20a分流，逆針方向流向周向通道21，在流向第2及第3注水壁20b、20c側(cè)，同時逆時針移動，流向第4及第5注水壁20d、20e。
第1注水壁20a的逆針向回轉(zhuǎn)側(cè)與第2注水壁20b相鄰。第1注水壁20a與第2注水壁20b的相鄰接端部大致平行。其間隙部分成為將水自周向通道21噴射至配置于所述通道內(nèi)周的水輪3的葉片部分31的第1噴射孔22a。又，該第一2噴射孔22a藉由嵌入上述蓋15，蓋15的平面部15a蓋住第1及第2注水壁20a、20b之間而形成矩形噴射孔。
第2注水壁20b的逆時針回轉(zhuǎn)側(cè)鄰接設(shè)置有第3注水壁20c。第2注水壁20b及第3注水壁20c相鄰端部間大致平行，其間隙部分為第2噴射孔22b。第1注水壁20a順時針回轉(zhuǎn)側(cè)與第4注水壁20d相鄰。第1注水壁20a及第4注水壁20d相鄰端部間大致平行，其間隙部分為第3噴射孔22c。第4注水壁20b的順時針回轉(zhuǎn)側(cè)與第5注水壁20e相鄰。第4注水壁20d及第5注水壁20e相鄰端部間大致平行，其間隙部分為第4噴射孔22d。這樣形成的4個噴射孔22的2個內(nèi)壁(各注水壁相鄰接對向而置的端面)并不是相對旋轉(zhuǎn)中心位置o1成直線，而是保持一定角度，與水輪3的葉片部分31垂直對向而置。
第2注水壁20b在第1注水壁20a側(cè)的外周側(cè)端部，形成有延伸至周向通道21一側(cè)的延伸部21a。該延伸部21a為撞到第1注水壁20a后逆時針移動的水碰撞的部分。碰撞到延伸部21a的部分水通過上述第1噴射孔22a，噴向水輪3一側(cè)。
第4注水壁20d在第1注水壁20a側(cè)的外周側(cè)端部上，也形成有與延伸部21同樣作用的延伸部21b。也就是說，該延伸部21b為撞到第1注水壁后順時針移動的水碰撞的部分，碰撞到延伸部21a后的部分水通過第3噴射孔22c噴向水輪3一側(cè)。
在上述實施形態(tài)結(jié)構(gòu)中，由于噴射孔22a、22b、22c、22d軸向一側(cè)(蓋15一側(cè))開放，所以主箱體1成形時，因此在成型主箱體1時，主箱體1可由分割為軸向兩側(cè)(圖1中上下方向)的分開模制成。并且，在主箱體1中形成各注水壁20a、20b、20c、20d、20e側(cè)，形成有可有效均等地將水從4個噴射孔22a、22b、22c、22d噴射至水輪3上的周向通道21，可通過簡單的分開模制成。因此，在本實施形態(tài)中，包括高效旋轉(zhuǎn)水輪3的注水部2，可利用簡單的分開模成形。
各噴射孔22a、22b、22c、22d軸向一側(cè)開放，用其他部件蓋住開放部分，僅由這一結(jié)構(gòu)即可通過簡單的雙向分開模制成復(fù)雜形狀的注水部2。
即，上述結(jié)構(gòu)與一體成形的結(jié)構(gòu)相比，具有獨特的效果。所謂一體成形結(jié)構(gòu)是指，為更精確地定位各噴射孔22a、22b、22c、22d及注水壁20a、20b、20c、20d、20e內(nèi)壁及支承水輪3旋轉(zhuǎn)的軸7的位置，將注水壁20a、20b、20c、20d、20e安裝在為支承軸7一端的軸承孔11b的主箱體1上。而在本發(fā)明情況下，注水部2也可不裝在主箱體1上。
第3注水壁20c與第5注水壁20e之間，在內(nèi)周側(cè)形成約60°的間隙28。該間隙28成為與第3注水壁20c及第5注水壁20e對向而置的平行端面間，配置于出路13與旋轉(zhuǎn)中心位置o1之間。
如圖10(A)及(B)所示，配置于各注水壁20a、20b、20c、20d、20e前端側(cè)，載置于主箱體1階梯部16的蓋15由中心部有孔15c的環(huán)狀平面部15a、立設(shè)于平面部15a一側(cè)面的凸壁15b及凸部15f、以及立設(shè)于平面部15a另一側(cè)面的凸肋15d構(gòu)成。凸壁15b插入第3注水壁20c與第5注水壁20e之間的部分間隙28中。藉由間隙28與間隙28內(nèi)凸壁15b所形成的矩形孔連通為各注水壁20a、20b、20c、20d、20e所包圍的部位與出路13。又，如上所述，凸部15f嵌入各注水壁20a、20b、20c、20d、20e的凹部20f。凸肋15d與杯狀箱5的連結(jié)面部5d抵接。
發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明的小型水力發(fā)電裝置，其特征在于，定子部相鄰接極齒間的周向上的間隙設(shè)定為各極齒與轉(zhuǎn)子磁鐵間徑向間隙的1.5倍以下。如此，使極齒間的間隙大大窄于以前的間隙，由此可減小止動扭矩，可以少量流水順利旋轉(zhuǎn)水輪3及回轉(zhuǎn)體4，可高效發(fā)電。并且利用這一構(gòu)造，可增大有效磁通，將水輪旋轉(zhuǎn)高效發(fā)電，可以少量的流量高效發(fā)電。
根據(jù)本發(fā)明的小型水力發(fā)電裝置，至少部分注水部與主箱體形成一體，并在主箱體上設(shè)有支承水輪旋轉(zhuǎn)支承軸一端的支承部，所以注水部與支承水輪旋轉(zhuǎn)的軸位置精度高，水輪旋轉(zhuǎn)精度高。這樣，可縮減水輪外周部與注水部內(nèi)壁間的距離(間隙)。其結(jié)果，可有效地將從噴射孔噴出的流體沖向水輪，有效旋轉(zhuǎn)水輪，提高發(fā)電效率，可以少量水發(fā)電。
根據(jù)本發(fā)明其他方面的小型水力發(fā)電裝置，其結(jié)構(gòu)是，注水部噴射孔軸向一側(cè)開放，從另一側(cè)按入開放部分。由此所形成的結(jié)構(gòu)，可將注水部噴射孔設(shè)為3個或4個以上，且使其與水輪葉片成直角，提高水輪旋轉(zhuǎn)效率。上述結(jié)構(gòu)可以簡單的雙向分開模制成。因此，可以低成本制造具有復(fù)雜內(nèi)部構(gòu)造且旋轉(zhuǎn)效率高的小型水力發(fā)電裝置。
權(quán)利要求
1.一種小型水力發(fā)電裝置，所述小型水力發(fā)電裝置具有流體通道的主箱體和設(shè)置于上述流體通道、伴隨所定流量的流體通過而回轉(zhuǎn)的水輪，同時，所述水力發(fā)電裝置將連結(jié)于所述水輪且與水輪同步旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體作為與定子部對向而置的轉(zhuǎn)子部，使所述轉(zhuǎn)子部伴隨上述流體的通過，相對定子部旋轉(zhuǎn)，由此而發(fā)生電力；其特征在于所述定子部具有節(jié)齒狀極齒，所述節(jié)齒狀極齒等間隔地配置于圓周方向上，以與上述轉(zhuǎn)子部轉(zhuǎn)子磁鐵的外周面對向，相鄰極齒間在周向的間隙設(shè)定為各極齒與上述轉(zhuǎn)子磁鐵的徑向間隙的1.5倍以下。
2.如權(quán)利要求1所述的小型水力發(fā)電裝置，其特征在于，所述定子部由相位偏移的2層定子部構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的小型水力發(fā)電裝置，其特征在于，上述2層定子部的相鄰定子鐵心之間作磁絕緣。
4.如權(quán)利要求3所述的小型水力發(fā)電裝置，其特征在于，所述裝置分別設(shè)有2個定子箱，以分別覆蓋上述2層定子部，這2個定子箱作磁性連接。
5.如權(quán)利要求1所述的小型水力發(fā)電裝置，其特征在于，上述極齒分別為大致的梯形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種小型水力發(fā)電裝置，所述裝置不必采用多個分型模及沖模等的復(fù)雜加工方法，而是采用了可有效向水輪噴水的噴射孔結(jié)構(gòu)。所述小型水力發(fā)電裝置具有流體通道的主箱體和設(shè)置于上述流體通道、伴隨所定流量的流體通過而回轉(zhuǎn)的水輪(3)，同時，所述水力發(fā)電裝置將連結(jié)于所述水輪(3)且與水輪同步旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體(4)作為與定子部(6)對向而置的轉(zhuǎn)子部，使所述轉(zhuǎn)子部伴隨上述流體的通過，相對定子部旋轉(zhuǎn)，由此而發(fā)生電力；其特征在于主箱體(1)上設(shè)有支承水輪(3)旋轉(zhuǎn)的支承軸(7)一端的支承部(11b)，同時，所述流體通道上設(shè)有注水部(2)，該注水部具有集中流量將流體噴向水輪(3)葉片部分(31)的噴射孔(22a)，至少部分注水部與上述主箱體作一體設(shè)置。
文檔編號H02K7/18GK1652432SQ200510005919
公開日2005年8月10日 申請日期2001年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月6日
發(fā)明者弓田行宣, 鶴田稔史 申請人:株式會社三協(xié)精機制作所