一種離網小型垂直軸風力發電機電磁‑機械聯合制動裝置的製作方法

2023-06-03 11:56:21

本實用新型涉及風力發電機，具體是一種離網小型垂直軸風力發電機電磁-機械聯合制動裝置。

背景技術：

隨著全球氣候的變化，環境方面存在的問題越來越受到人們的重視，國家大力推行節能減排政策，減少化石等不可再生能源的消耗，清潔能源在能源消耗中的比例也會越來越大，而風能就屬於典型的清潔能源，取之不盡用之不竭，具有極大的優勢，正在發揮越來越重要的作用。

離網小型垂直軸風力機具有很多優勢：垂直軸風力機結構簡單，葉輪轉動與風向無關，不需要安裝對風裝置，製造成本少，產生的噪音也較小，但同樣存在著一些問題：如風輪轉速是隨著風速的改變而改變，這樣發電機發出的電流幅值也是時刻改變的，而電流幅值變化太大會對蓄電池有一定的損害，所以研究一種垂直軸風力機的制動裝置使風輪轉速保持並穩定在正常的工作區間是十分必要的。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對現有垂直軸風力發電機存在發電不穩定的問題，而提供一種離網小型垂直軸風力發電機電磁-機械聯合制動裝置，該裝置操作簡單，產生的剎車力矩大，提高了制動的穩定性及可靠性。

實現本實用新型目的的技術方案是：

一種離網小型垂直軸風力發電機電磁-機械聯合制動裝置，包括電磁製動機構和與電磁製動機構連接的機械制動機構，電磁製動機構與垂直軸風力發電機的風輪連接，並與風輪同步運轉；機械制動機構與垂直軸風力發電機的塔架連接。

所述電磁製動機構為由上轉子盤和與其配裝的下轉子盤組成的盤式發電機，盤式發電機內部還包括定子和繞設在定子上的繞圈，定子一端與上轉子盤內的迴轉支承軸承相連，另一端與風力發電機的塔架連接，使定子與轉子有相對運動，其中：

上轉子盤通過其上均勻分布的裝配孔與風輪相連，並與其保持同步運轉；在上轉子盤外緣分別設有3個立柱螺孔，與下轉子盤相連，在上轉子盤內部磁軛上還均勻分布有12個相鄰磁極極性相反的扇形永磁體磁極；

下轉子盤通過其外緣設置的3個立柱螺孔與上轉子盤相連，在下轉子盤內部磁軛上均勻分布有12個相鄰磁極極性相反的扇形永磁體磁極，底部中心通過帶有螺孔的空心圓柱凸臺與機械制動機構的剎車盤連接。

所述機械制動機構包括剎車盤、液壓臂、連接杆、多個摩擦組件和多個鎖死組件；剎車盤與下轉子盤相連，摩擦組件、鎖死組件分別設置在液壓臂兩側，連接杆一端與風力發電機的塔架相連，另一端與液壓臂相連，將液壓臂固定在風力發電機的塔架上。

所述剎車盤上中心開設有3個通孔，其表面均勻分布有12個鎖死孔。

所述摩擦組件包括剎車臂和對稱分布在剎車臂兩側的兩個液壓槽，兩個液壓槽互相連通，在液壓槽內安裝有圓柱形剎車垛，通過液壓控制剎車垛移動，使剎車垛與剎車盤形成摩擦，降低風力發電機轉速。

所述鎖死組件包括分別設置在液壓臂兩側的電磁鐵和鎖死銷，鎖死銷與彈簧相連，通過電磁鐵通電使鎖死銷克服彈簧拉力，穿過剎車盤上的鎖死孔，實現機械鎖死。

本實用新型電磁機械聯合制動裝置安裝在垂直軸風力發電機的風輪與機架之間，在正常風速範圍內，發電機只進行發電，當風速超過風機額定轉速之後，發電機充電電路斷開，發電機定子線圈三相電路短接，線圈內部產生三相短路電流，在發電機內部磁場的作用下，產生制動轉矩，並且風輪轉速越低，發電機內部磁場產生的制動轉矩越大。當風速過大時，電磁製動的方式滿足不了制動的要求時，此時可以採取機械制動的方式進一步制動，達到在風速過大時停機保護的目的。

本實用新型的有益效果是：

（1）能夠有效解決在風速過大情況下風輪轉速過高的問題，通過發電機三相電路短接產生的力矩制動和機械制動，實現風輪的轉速可控；

（2）此制動裝置有兩種方式聯合制動，增加了風機轉速控制的可靠性，同時，將風輪的轉速控制在一定範圍內，有利於使發電機輸出功率保持在一個穩定的範圍，減少由於發電機輸出功率不穩定造成的對蓄電池的傷害，延長使用壽命。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例聯合制動裝置的結構示意圖；

圖2為電磁製動機構的結構示意圖；

圖3為上轉子盤內部結構示意圖；

圖4為下轉子盤的結構示意圖；

圖5為機械制動機構的結構示意圖；

圖6為剎車盤的結構示意圖；

圖7為液壓臂的結構示意圖；

圖8為液壓臂的結構示意圖；

圖9為連接杆的結構示意圖；

圖10為電磁製動機構的定子線圈繞線方式及電路連接圖。

圖中：1.上轉子盤 1-1.空心圓柱凸臺 1-2.立柱螺孔 1-3.裝配孔 2.下轉子盤 2-1.空心圓柱凸臺2-2.螺孔 3.剎車盤 3-1.通孔 3-2.鎖死孔 4.液壓臂 4-1.螺孔 4-2.進油孔5.連接杆 5-1.固定板 5-2.弧形固定板 6.剎車垛 7.通孔 8.電磁鐵 9.鎖死銷 10.定子線圈 11.液壓泵 12.油管 13.塔架。

具體實施方式

下面結合附圖來對本實用新型作進一步說明，但不是對本實用新型的限制。

如圖1所示，本實用新型一種離網小型垂直軸風力發電機電磁機械聯合制動裝置，由上轉子盤1、下轉子盤2、剎車盤3、液壓臂4、連接杆5、油管12、液壓泵11和塔杆13構成，上轉子盤1和下轉子盤2匹配配裝，下轉子盤2與剎車盤3連接，剎車盤3與液壓臂4連接，液壓臂4與連接杆5連接，固定在塔杆13上，液壓臂4通過油管12與液壓泵11連接。

如圖2-3所示，上轉子盤1通過頂部設有的三個裝配孔1-3用螺栓與風輪連接，上轉子盤1與下轉子盤2通過裝配孔1-2用螺栓相連，實現風輪與外轉子同步運轉。

上轉子盤1的內部空心圓柱凸臺1-1安裝有一個迴轉支撐軸承，定子軸上端與迴轉支撐軸承相連，定子線圈9安裝在定子軸上，定子線圈9被外轉子上蓋1和下轉子盤2包圍，定子軸下端與塔杆13固定。

如圖2、4、5所示，下轉子盤2通過底部設有的空心圓柱凸臺2-1上的螺孔2-2與剎車盤3相連。剎車盤3上設有鎖死孔3-2。

如圖5-10所示，液壓臂4通過底部的螺孔4-1與連接杆5一端的固定板5-1連接在一起，連接杆5的另一端弧形固定板5-2與風機塔架相連，從而保證液壓臂4位置固定不動。

液壓臂4的兩側壁裡安裝有剎車垛6，液壓臂4上有通孔7，在通孔7的一端安裝有帶有彈簧的鎖死銷9，孔的另一端安裝有電磁鐵8，當風機在制動完成後，電磁鐵8通電，對一端的鎖死銷9產生吸引力，使鎖死銷9穿過剎車盤3上的鎖死孔3-2，達到風輪鎖死的目的。當需要啟動風機時，斷開電磁鐵8，鎖死銷9在彈簧的拉伸下退出鎖死孔3-2，風輪開始轉動。

鎖死銷9主要受剪力，鎖死銷9的直徑大小由如下公式確定：

(1)

(2)

(3)

式中：M——風輪停止所需力矩（N*m）；L——定子鐵芯與鎖死孔的中心距離（m）；——屈服強度（N/）；S——鎖死銷橫截面積；D——鎖死銷直徑（m）；

根據查閱資料得：一般小型風力發電機的轉矩在1.2-2.3 N*m之間，此處取M=2.5N*m，L=0.10m，鎖死銷9材料選擇一般的35號鋼，其所能承受的屈服強度為315N/，由此求得鎖死銷9有效直徑為m，遠小於鎖死銷9設計時的直徑0.01m，所以鎖死銷9能滿足工作要求。

以某種小型垂直軸風力發電機為例，若風力機工作的正常風速範圍為2m/s至13m/s之間，下面就其制動情況進行具體說明：

本裝置在工作過程中，當風速小於2m/s時，由於風速過小，啟動力矩不夠，風機處於停止狀態；當風速大於2m/s時，風輪開始帶動發電機外轉子1、2轉動，定子線圈10中產生三相交流電流，經過整流器變成直流電流儲存在蓄電池裡；隨著風速增大，當風速超過風機的額定風速之後，速度傳感器檢測到風輪的轉速過大，將信號傳遞給電子控制單元，此時斷開k1，閉合k2，k3，電路中產生三相短路電流，在上轉子盤1和下轉子盤2的磁場作用下形成對定子線圈10的制動轉矩，風機進入電磁製動狀態，此時風機根據轉速的大小調整可變電阻的阻值控制迴路中的電流，進而控制電機中產生的制動轉矩大小，使風輪在一個穩定的轉速區間運轉。

當通過電磁製動後，風機轉速依然過高時，則此時需要進行停機操作以保護風機安全。此時速度傳感器將將轉速信號傳遞給機械制動裝置中的液壓泵，液壓泵將液壓油通過油路輸送到裝有剎車垛6的油腔中，使剎車垛6夾緊剎車盤3形成風機的機械剎車。使風機轉速降低，此時給電磁鐵8通電，使鎖死銷穿過鎖死孔3-2，達到風機自鎖的目的。

根據離網小型垂直軸風力機制動所產生的力矩來看，其機械制動部分用於提供動力的液壓泵可以選擇CB-B4型微型齒輪泵，此型號液壓泵可以提供2.5MPa的壓力，滿足制動時所需壓力，轉速1450r/min，排量4L/min，驅動功率0.21kw，重2.8kg，由於功率低減少了電能損耗，同時重量輕，也減少了風機塔架的承載重量，比較符合小型風機的重量要求。