全永磁懸浮風力發電機的製作方法
2023-06-03 03:33:56
專利名稱：全永磁懸浮風力發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及風力發電設備，尤其是涉及一種新型的全永磁懸浮微摩擦力風力發電機。
背景技術：
風能不但具有清潔環保、可再生的特點，而且其分布地域廣大，可以說無處不在，而且便於利用，是一種極具發展前途的新型能源。而且人們利用風力發電，不但不會產生任何負面影響，而且還會帶來減緩風力災害、抑制荒漠化、減少或降低沙塵暴數量和強度的好處。
人們認識和利用風能有悠久的歷史，早期主要是利用風車代替人類進行灌溉、舂米等簡單的勞作，目前我們利用風力發電，但是自然界所產生的風不但風向多變，而且風力大小也變幻莫測，而傳統的機械式軸承風力發電機，其起動風速要求最低為3m/s，而對於我國大多數地方來說，一年之中大部分時間其風力在3m/s以下，這就使得大量的風力資源無法利用而白白浪費掉了，如果能夠降低風力發電機的起動風速，不但會提高風力發電設備的利用效能，而且會多生產大量電力，其經濟效益和社會效益都極其巨大。
現有機械式軸承風力發電機葉輪一般都以懸臂方式置於發電機軸一端，這樣的懸臂結構造成發電機軸受到葉輪向下的重力作用而對其軸承產生非軸向力，使得軸承受力不均衡，受力狀況不佳，摩擦力較大，加上軸本身還有自重，因此目前機械式風力發電機的起動阻力矩、起動風速、切入風速普遍較高而輸出功率低(三高一低)，而人們在試圖將起動阻力矩、起動風速、切入風速降低時，又把輸出功率也降低了，因此難以使低風速風力資源得到應用。
如果能使得風力發電機軸懸臂端克服葉輪和軸的重力作用而處於懸浮狀態，則能消除軸承的不均衡徑向力，並能大大減少整個發電機組軸承所受徑向力，同時能大大減少軸承的摩擦力，可以有效降低風力發電機的起動風速。目前的磁懸浮風力發電機，如美國的電磁懸浮風力發電機，由於懸浮軸承在各個自由度都需要控制，因此其控制系統極其複雜和龐大，其成本非常高昂，並且對運行中的維護和應用環境很挑剔，不能廣泛適用於風力發電領域。
實用新型內容針對現有技術中存在的缺陷和不足，本實用新型提供一種利用磁懸浮技術克服懸臂軸受重力撓性變形的風力發電機。本實用新型採用特定的磁路結構，利用所產生的向上的磁作用力克服葉輪和軸自身重力，不但使得發電機軸承受力得到均衡，還減小了軸承所產生的摩擦力，從而能有效降低風力發電機的起動阻力矩、起動風速、切入風速，同時能較大幅度提高輸出功率。
本實用新型的技術方案如下全永磁懸浮風力發電機，包括機架、機械軸承、軸和葉輪，所述葉輪設置於軸前部，所述軸通過機械軸承與機架相連，其特徵在於所述葉輪和機械軸承之間設置有一組或多組利用環繞在軸上並分別固定在軸和機架上的對應磁極的位差產生向上磁性力以抵消所述葉輪和軸重力的永磁懸浮裝置。
所述永磁懸浮裝置包括一永磁體轉子和於其側對應設置的一個或兩個永磁體定子，所述轉子套裝於軸上並可隨軸一起轉動，定子固定設置在機架上，且轉子和定子的軸心具有一高度差。
所述定子軸心高於轉子軸心，定子和轉子具有相反的磁極結構；或者是定子軸心低於轉子軸心，定子和轉子具有相同的磁極結構。
所述轉子和定子構成拉推磁路結構，即轉子和定子分別由沿徑向分布的相鄰磁極交替的磁塊組成，所述磁塊為環行結構。
所述葉輪和機械軸承之間還設置有用以抵消所述永磁懸浮裝置所產生軸向力的吸斥磁路。
所述吸斥磁路由定磁環和動磁環組成，所述動磁環套裝於所述軸上，所述定磁環與機架固定相連。
所述定磁環和動磁環皆為永磁體結構。
所述永磁懸浮裝置為反向拉推磁路裝置，所述定子為兩個且並列對稱設置於所述轉子兩側，所述定子固定設置於機架上。
所述轉子和定子構成拉推磁路結構，即轉子和定子分別由沿徑向分布的相鄰磁極交替的磁塊組成，所述磁塊為環行結構。
本實用新型的技術效果為本實用新型的永磁懸浮風力發電機，在風輪和機械軸承之間設置有一組或多組利用相對應的且分別設置在軸和機架上的磁極位差產生向上磁性力以抵消所述風輪和軸重力的永磁懸浮裝置，由於對應的磁極存在位差，就能抵消葉輪和軸的重量，具體地，這種位差使得對應的同性磁極在徑向盡力排斥，異性磁極在徑向盡力吸引，合理設置磁極的位置，就能產生向上的作用力，抵消葉輪和軸向下的重力，使得機械軸承的受力大為減小，特別是懸臂軸撓性變形狀況得到明顯改善，其所產生的摩擦力大幅減小，從而不但降低風力發電機的起動阻力矩、起動風速、切入風速，同時能提高輸出功率。因此本實用新型既擴大了可利用的有效風速範圍，又提高了輸出的發電量，能使低風速風力資源得到應用，同時採用永磁體結構簡單、體積小、成本低、使用和維護都方便，有巨大的經濟和社會價值。
由於能產生磁極位差的磁路不但會產生向上的懸浮力，還會同時產生一軸向力，該軸向力會增加軸承的負荷，為了抵消該軸向力，在風力發電機組軸上還可設置用以抵消所述軸向力的吸斥磁路。針對所產生軸向力的方向不同，可以利用吸斥磁路產生吸力或斥力來予以消除。這樣就可以避免由於產生軸向力而增加軸承的摩擦力。
本實用新型定子和轉子構成拉推磁路，能進一步增大向上的懸浮力，可以在實現三低一高的同時，製作大型的風力發電機，提高發電機的裝機容量。
本實用新型還提供了一種可以自行抵消軸向力的反向拉推磁路，通過在轉子兩側分別設置定子，使轉子分別受到兩定子的磁性力，由於兩磁性力具有方向相反的軸向力，可以相互抵消，從而不需另外設置吸斥磁路，使得整個磁路結構得以簡化。
實驗證明，傳統的機械式軸承風力發電機其起動風速最低為3.5m/s，本實用新型的風力發電機其起動風速可有效降低為1.5m/s，並可提高輸出發電功率20％。
圖1為本實用新型的一種結構示意圖；圖2為拉推磁路的另一種結構示意圖；圖3為反向拉推磁路的一種結構示意圖；圖4為反向拉推磁路的另一種結構示意圖；圖5為圖2的吸斥磁路結構示意圖。
1-葉輪，2-軸，3-機械軸承，4-發電機，5-定子，6-轉子，7-定磁環，8-動磁環。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
如圖1所示為本實用新型的一種實施例。
傳統的風力發電機組包括葉輪1、軸2、機械軸承3、發電機4，其中葉輪1一般都設置於軸2的一端，發電機4設置於軸2的另一端，發電機4兩端分別設置有機械軸承3。由於風力的方向變換不定，葉輪1需要不斷變換角度以正對風向，軸2通過一機械旋轉裝置設置於機架上。
這樣的軸結構為典型的懸臂梁結構，軸2受葉輪1重力影響會產生一定的撓性變形，並在機械軸承3上產生一非軸向力，從而機械軸承3在隨軸2轉動時，由於軸2撓性變形會對機械軸承3產生嚴重不利影響，同時葉輪1自身重力也將使得機械軸承3的摩擦力增大，這些都將影響風力發電機的起動阻力矩、起動風速、切入風速和輸出發電功率。
本實施例在葉輪1和機械軸承3之間設置了一組拉推磁路裝置，由定子5和轉子6組成，定子5和轉子6均由沿徑向分布的相鄰磁極交替的環形永磁塊構成，定子5其外側環形磁極為N極，轉子6其外側環形磁極為S極。
為了增加拉推磁路的作用力，本實施例中轉子和定子採用多級磁環組合磁路結構，分別為4個磁環，各級磁環之間磁極交替為N極或S極。
定子5和轉子6均套裝於軸2上，其中轉子6固定套裝於軸2上並隨軸2轉動，定子5偏心設置於軸2上並其外側固定設置於機架上，定子5不隨軸2轉動。定子5的軸心與轉子6的軸心具有一高度差δ，即定子磁極和轉子磁極的位差，當轉子6隨軸2轉動時，總是受到定子5對其產生的引力Fδ，Fδ可以分解成軸向力Fδz和徑向力FδR，其中徑向力FδR與葉輪1和軸2的重力方向相反，可以相互抵消，從而使得負擔葉輪1的軸2的部分懸浮，減輕軸承3所受的負荷，減小機械支撐3的支撐力，降低摩擦力。
影響徑向力FδR的因素包括定子5和轉子6之間的水平間距δ1以及軸心高度差δ以及定子5和轉子6的磁通強度，調整這些因素就可以使得FδR至少大於葉輪1重力，乃至抵消部分軸的重力，使得機械軸承3承受較小的重力，大大改善機械軸承3的受力狀態。
本實施例中還在拉推磁路裝置和軸承3之間設置有吸力磁路，吸力磁路由定磁環7和動磁環8組成，動磁環8固定套裝於軸2上並隨軸2轉動，定磁環7與動磁環8相對應套於軸2上但與機架相固定，動磁環8與定磁環7其對應端磁極相異，則動磁環8受定磁環7吸引而產生軸向力，該軸向力與Fδz反向，只要調整動磁環8和定磁環7之間的距離δ2以及磁通強度，就可以使該軸向力與Fδz大小相等而相互抵消，從而徹底消除葉輪1重力對機械軸承3的影響，使得機械軸承3的摩擦力大幅降低，並降低風力發電機的起動風速和提高發電輸出功率。
實驗證明，採用本實用新型的風力發電機，可以有效降低起動阻力矩、起動風速、切入風速和提高發電輸出功率，其中，起動力矩降低73.3％，起動風速由3.5m/s降低為1.5m/s，切入風速降低23.8％，在同樣風速下發電輸出功率可提高20％。
在本實施例中，也可以將定子5其外側磁極改為S極，而將轉子6其外側磁極改為N極，轉子6所受引力Fδ不變。即在定子5軸心高於轉子6軸心時，其對應磁極相異，則相互吸引而產生設定的向上引力。
圖5所示為本實施例的另一結構方式，即定子5和轉子6在軸上的位置調換，將定子5設置於轉子6的左側，由動磁環8和定磁環7構成的吸力磁路較佳地設置在轉子6的右2，靠近葉輪。
圖2所示為本實用新型拉推磁路的另一實施例。
本實施例中將定子5的軸心低於轉子6的軸心，定子5軸心與轉子6軸心也具有高度差δ。本實施例中只要將定子5和轉子6的對應磁極設為同性磁極，則由於相互排斥而在轉子6上產生斥力Fδ，其可分解為向上的徑向力FδR與軸向力Fγz，其中徑向力FδR與葉輪1和軸2的重力相抵消。
對於本實施例中，由於軸向力Fδz方向與前一實施例中相反，故其吸力磁路相應改變為推力磁路，只需要將動磁環8和定磁環7的對應端設為同性磁極，則其所產生的斥力依然與軸向力Fδz方向相反。
本實施例也可以採用圖5所示的結構方式。
圖3、圖4所示為本實用新型的另外兩種實施例。
圖示實施例的永磁懸浮裝置為反向拉推磁路結構，轉子6為雙側多磁塊永磁體組合結構，轉子6兩側分別設置有定子5，構成兩組拉推磁路，並使定子5的軸心與轉子6的軸心具有一高度差δ。
在圖3中，定子5軸心高於轉子6軸心。與圖1所示的實施例相同，使定子5和與其對應的轉子6的磁極對應設置為相異磁極，轉子6兩側將分別受到定子5的吸引，其徑向力FδR皆向上，其軸向力Fδz大小相等、方向相反，正好相互抵消，因此本實施例的結構，不需要再設置吸力磁路或推力磁路，可以簡化磁路結構。
圖4中，定子5軸心低於轉子6軸心。與圖2所示的實施例相同，使定子5和與其對應的轉子6的磁極對應設置為相同磁極，轉子6兩側將分別受到定子5的排斥，其徑向力FδR皆向上，其軸向力Fδz大小相等、方向相反，正好相互抵消，因此本實施例的結構，也不需要再設置吸力磁路或推力磁路，磁路結構簡單。
在圖3和圖4所示實施例中，轉子6為結構相同的多磁塊雙永磁體結構，但是，轉子6也可以是單塊或單環永磁體結構或結構相異的雙永磁體結構。
以上所述僅為本實用新型的優選實施方式。應當指出，對於本領域的技術人員來說，依據本實用新型的發明精神和實質，還可以做出很多的變型和改進，但這些變型和改進均將落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1.全永磁懸浮風力發電機，包括機架、機械軸承、軸和風輪，所述風輪設置於軸前部，所述軸通過機械軸承與機架相連，其特徵在於所述風輪和機械軸承之間設置有一組或多組利用環繞在軸上並分別設置在軸和機架上的對應磁極的位差產生向上磁性力以消除所述風輪重力影響的永磁懸浮裝置。
2.如權利要求1所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述永磁懸浮裝置包括一永磁體轉子和於其側對應設置的一個或兩個永磁體定子，所述轉子套裝於軸上並可隨軸一起轉動，定子固定在機架上，且轉子和定子的軸心具有一高度差。
3.如權利要求2所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述定子軸心高於轉子軸心，定子和轉子具有相反的磁極結構；或者是定子軸心低於轉子軸心，定子和轉子具有相同的磁極結構。
4.如權利要求3所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述轉子和定子構成拉推磁路結構，即轉子和定子分別由沿徑向分布的相鄰磁極交替的磁塊組成，所述磁塊為環行結構。
5.如權利要求1或2或3或4所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述葉輪和機械軸承之間還設置有用以抵消所述永磁懸浮裝置所產生的軸向力的吸斥磁路。
6.如權利要求5所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述吸斥磁路由定磁環和動磁環組成，所述動磁環套裝於所述軸上，所述定磁環與機架固定相連。
7.如權利要求6所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述定磁環和動磁環皆為永磁體結構。
8.如權利要求3所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述永磁懸浮裝置為反向拉推磁路裝置，所述轉子為雙側設置永磁體的組合結構，所述定子為兩個並分別對稱設置於所述轉子兩側，所述定子固定設置於機架上。
9.如權利要求8所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述定子與轉子分別由沿徑向分布的相鄰磁極交替的磁環。
10.如權利要求9所述的全永磁懸浮風力發電機，其特徵在於所述定子或轉子各相對應的磁環其磁極相同或相反。
專利摘要本實用新型提供了一種全永磁懸浮風力發電機，包括機架、機械軸承、軸和風輪，所述風輪設置於軸前部，所述軸通過機械軸承與機架相連，其特徵在於所述風輪和機械軸承之間設置有一組或多組利用環繞在軸上並分別設置在軸和機架上的對應磁極的位差產生向上磁性力以消除所述風輪重力影響的永磁懸浮裝置。本實用新型具有結構簡單合理、起動風速低、輸出功率大的優點。
文檔編號F03D11/00GK2881140SQ20062002280
公開日2007年3月21日 申請日期2006年3月6日 優先權日2006年3月6日
發明者李國坤, 曾智勇, 謝丹平 申請人:廣州中科恆源能源科技有限公司