磁懸浮水平軸小型風力發電機的製作方法

2023-05-07 15:14:36

專利名稱：磁懸浮水平軸小型風力發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及小型風力發電機與磁懸浮支承技術，尤其是涉及一種能開發利用 國內廣大地區低風速資源的磁懸浮水平軸小型風力發電機。
背景技術：
小型風力發電機設備成本低，無汙染，能耗低，結構靈活多樣，安裝使用及維護十 分簡便，故小型風力發電機特別適合於解決廣大無法架設輸電線的偏遠牧區、山區、海島、 邊防哨所、氣象臺站、中轉臺站、路燈、草坪燈、公園、別墅等的用電問題。然而傳統小型風 力發電機啟動阻力矩大，起動風速在3. 5m/s以上，發電風速必須達到4. 2m/s。按中國氣 象局的統計和計算，我國風能豐富區佔全國面積的8%，風能較豐富區佔全國面積的18%， 風能可利用區佔全國面積的50%，其中風能可利用區風速大於3m/s的年累計小時數為 2000-4000，傳統小型風力發電機無法有效開發利用國內廣大地區的低風速資源。目前制約我國小型風力發電機普遍推廣應用的重要原因之一就是傳統風力發電 機啟動阻力矩大。影響小型風力發電機起動阻力矩的因素有發電機轉子磁極對定子的磁 拉力產生的阻力矩，發電機的同心度、氣隙是否均勻、機械軸承的鬆緊度，以及支承發電機 轉軸兩端的機械軸承由於受力不均勻導致的摩擦阻力大等。因此，減小水平軸小型風力發電機的啟動阻力矩，降低其起動風速是我國大規模 推廣應用小型風力發電機迫切需要解決的問題。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種磁懸浮水平軸小型風力發電機，該 風力發電機啟動阻力矩小，能夠低風速起動。本實用新型解決其技術問題採用的技術方案是包括轉軸、定子和轉子。所述轉軸 的一端採用滾動軸承支承，另一端採用永磁軸承支承，此端安裝槳葉。所述定子和轉子布置 在永磁軸承與滾動軸承之間。本實用新型主要用於解決傳統小型風力發電機啟動阻力矩大，導致其起動風速一 般在3. 5m/s以上，無法有效開發國內廣大地區低風速資源的問題。針對傳統小型風力發電 機的不足與缺陷，本實用新型將磁懸浮支承技術應用於傳統小型風力發電機中，因此具有 以下的主要優點1.低風速起動採用永磁軸承支承和滾動軸承混合支承，既能有效減小啟動阻力 矩，降低水平軸小型風力發電機起動風速，又能滿足永磁軸承的加工和裝配要求；2.操作方便通過軸向差動調節螺母控制動磁環組件和定磁環組件之間的軸向 偏移位移，因而易於調節永磁軸承的徑向磁力與軸向磁力的大小；3.結構簡單，易於裝配，成本低；4.啟動阻力矩小根據GB/T 10760. 2-2003中所述方法，針對500w水平軸小型風 力發電機進行了測試，在相同的實驗條件下，傳統風力發電機啟動阻力矩為0. 452Nm，而本實用新型磁懸浮水平軸小型風力發電機的啟動阻力矩為0. 260Nm。這樣小的啟動阻力矩，可 以使本實用新型磁懸浮水平軸小型風力發電機實現低風速起動，從而利於開發國內廣大地 區的低風速資源。

圖1是本實用新型提供的磁懸浮水平軸小型風力發電機的結構示意圖。圖2為圖1中永磁軸承磁環磁化方向與疊加結構示意圖(斷面圖)。圖3為定磁環組件和動磁環組件中單片永磁環的結構示意圖。圖4為圖3的左視圖。圖5為定磁環組件保持架結構示意圖。圖6為動磁環組件保持架結構示意圖。圖7為定磁環組件和動磁環隔磁環結構示意圖。圖8為圖7的左視圖。圖9為軸向差動調節螺母結構示意圖。圖中1.動磁環組件保持架；2.轉軸；3.鎖緊螺母；4.動磁環組件；5.定磁環組 件保持架；6.壓緊螺杆；7.定子；8.鎖緊螺杆；9.發電機連接板；10.後支座連接板；11.軸 向差動調節螺母；12.軸承座；13.滾動軸承；14.後支座；15.定子外殼；16.導向套筒； 17.定磁環隔磁環；18.前支座；19.定磁環組件；20.鍵；21.動磁環隔磁環；22.鍵；23.端 蓋；24.單片永磁環；25.大腔；26.孔；27.小腔；28.貫通孔；29.安裝孔；30.螺栓孔； 31.固定孔；32.內腔；33.盲孔。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步說明。本實用新型提供的磁懸浮水平軸小型風力發電機，包括轉軸、定子和轉子，其中 如圖1所示，該發電機的轉軸2的一端採用滾動軸承13支承，另一端採用永磁軸承支承，此 端安裝槳葉。該發電機的定子7和轉子布置在永磁軸承與滾動軸承之間。所述的永磁軸承，其由動磁環組件4和定磁環組件19構成，動磁環組件通過動磁 環隔磁環21和壓緊螺杆6固定在動磁環組件保持架1上，再由鍵22以及鎖緊螺母3安裝 在轉軸2上。定磁環組件通過定磁環組件保持架5安裝在發電機的前支座18中。工作時， 永磁軸承將承受本風力發電機的主要載荷。上述的動磁環組件4可由多片(例如8片)NdFeB永磁環沿軸向疊加，磁化方向為 軸向平行磁化；永磁環疊加方式以及磁化方向如圖2所示，箭頭表示磁化方向，單片永磁環 24的結構如圖3和圖4所示。所述永磁環與轉軸2之間利用不導磁材料加工成的動磁環隔 磁環21和動磁環組件保持架1隔磁，該永磁環通過動磁環隔磁環21和壓緊螺杆6固定在 動磁環組件保持架1上。動磁環組件保持架1與轉軸2通過鍵22連接，並且由鎖緊螺母3 完成軸向固定。上述的定磁環組件19可由多片(例如8片)NdFeB永磁環沿軸向疊加，磁化方向 為軸向平行磁化；永磁環疊加方式以及磁化方向如圖2所示，箭頭表示磁化方向，單片永磁 環24的結構如圖3和圖4所示。所述永磁環與轉軸2之間利用不導磁材料加工成的定磁環隔磁環17和定磁環組件保持架5隔磁，該永磁環通過定磁環隔磁環17和壓緊螺杆6固 定在定磁環組件保持架5上。定磁環組件保持架5與前支座18通過鍵20連接，並且由端 蓋23完成軸向固定。上述的動磁環組件4的永磁環端部為不導磁材料做成的動磁環隔磁環21 (圖2)。 如圖7和圖8所示，該隔磁環上面設有多個(例如4個)均勻分布的且與壓緊螺杆6配合 相連的螺栓孔30。上述的定磁環組件19的永磁環端部為不導磁材料做成的定磁環隔磁環17 (圖2)。 如圖7和圖8所示，該隔磁環與動磁環隔磁環21的結構相同，其上面也設有多個(例如4 個)均勻分布的且與壓緊螺杆6配合相連的螺栓孔30。上述的不導磁材料均採用鋁合金或者其它材料。上述的動磁環組件4和定磁環組件19之間的軸向偏移位移，可由軸向差動調節螺 母11控制，使永磁軸承主要提供徑向磁力，同時也產生一定的軸向磁力，徑向磁力支承作 用在轉軸槳葉端的絕大部分風載荷、槳葉、轉軸以及發電機轉子的自重，消除槳葉端支承的 摩擦，減小滾動軸承之間摩擦，改善整個發電機轉軸的受力不均，軸向磁力可平衡一部分軸 向風載。軸向差動調節螺母11安裝在發電機的後支座14上。 所述後支座14可由螺栓與發電機連接板9相連，該發電機連接板由螺栓與後支座 連接板10相連。在軸向差動調節螺母11與後支座14之間設有軸承座12，它們依次由螺紋連接，且 兩組螺紋連接中的螺距不同，旋轉軸向差動調節螺母11時可實現軸承座12軸向位置的微調。所述的軸向差動調節螺母11的結構如圖9所示其為帶有軸肩的圓筒，該圓筒設 有內腔32，軸肩處設有多個用於放置旋轉軸向差動調節螺母11的專用工具的盲孔33，軸肩 處還設有多個用於調整完成後鎖定軸向差動調節螺母的固定孔31。所述的滾動軸承13安裝在軸承座12中，該軸承座用來支承轉軸2和實現該轉軸 的軸向定位。所述的前支座18可由螺栓與導向套筒16相連，該導向套筒通過鎖緊螺杆8與定 子外殼15相連。該前支座可由鍵20與定磁環組件保持架5相連。所述的定磁環組件保持架5的結構如圖5所示其為圓筒狀；其貫通孔腔由大腔 25和小腔27組成，大腔25與定磁環組件19以及定磁環隔磁環17配合相連，小腔27處有 動磁環組件保持架1穿過；其右側周邊設有多個孔26，這些孔用於壓緊螺杆6的安裝，並且 均勻分布在小腔27的周圍。所述的動磁環組件保持架1的結構如圖6所示其為帶有軸肩的圓筒，該圓筒設有 與轉軸2相連的貫通孔28，軸肩處設有多個用於安裝壓緊螺杆6的安裝孔29。本實用新型提供的磁懸浮水平軸小型風力發電機(簡稱發電機)的工作過程是 通過調節後端的軸向差動調節螺母11，使永磁軸承的定磁環組件19和動磁環組件4間的軸 向位置重合，從而使發電機的啟動阻力矩達到最小；當槳葉葉片提供的轉矩大於發電機中 的阻力矩時，槳葉葉輪在永磁軸承和機械軸承的共同支承下開始轉動，動磁環組件4在磁 場力的支承下隨轉軸2—起轉動，並帶動發電機轉子旋轉，使發電機定子中的線圈切割磁 力線產生感應電動勢，將機械能轉化為電能。
5[0039] 本實用新型可廣泛應用於廣大無法架設輸電線的偏遠牧區、山區、海島、邊防哨 所、氣象臺站、中轉臺站，風能資源不豐富的地區或城市中，以及作為一種景觀安裝應用於 路燈、草坪燈、公園、別墅等解決其用電問題。
權利要求一種磁懸浮水平軸小型風力發電機，包括轉軸、定子和轉子，其特徵是該發電機的轉軸(2)的一端採用滾動軸承(13)支承，另一端採用永磁軸承支承，此端安裝槳葉；該發電機的定子和轉子布置在永磁軸承與滾動軸承之間。
2.根據權利要求1所述的磁懸浮水平軸小型風力發電機，其特徵在於永磁軸承由動 磁環組件(4)和定磁環組件(19)構成，動磁環組件(4)通過動磁環組件保持架(1)由鎖緊 螺母(3)安裝在轉軸(2)上，定磁環組件(19)安裝在發電機的前支座(18)中。
3.根據權利要求2所述的磁懸浮水平軸小型風力發電機，其特徵在於動磁環組件(4) 由多片NdFeB永磁環沿軸向疊加，磁化方向為軸向平行磁化，所述永磁環與轉軸(2)之間利 用不導磁材料加工成的保持架和永磁環端部的隔磁環隔磁，該永磁環通過壓緊螺杆固定在 保持架上。
4.根據權利要求2所述的磁懸浮水平軸小型風力發電機，其特徵在於定磁環組件(19) 由多片NdFeB永磁環沿軸向疊加，磁化方向為軸向平行磁化，所述永磁環與轉軸(2)之間利 用不導磁材料加工成的保持架和永磁環端部的隔磁環隔磁，該永磁環通過壓緊螺杆固定在 保持架上。
5.根據權利要求2所述的磁懸浮水平軸小型風力發電機，其特徵在於動磁環組件(4) 和定磁環組件(19)之間的軸向偏移位移由軸向差動調節螺母(11)控制，該螺母安裝在發 電機的後支座(14)上。
6.根據權利要求5所述的磁懸浮水平軸小型風力發電機，其特徵在於在軸向差動調 節螺母(U)與後支座(14)之間設有軸承座(12)，它們依次由螺紋連接。
7.根據權利要求1或6所述的磁懸浮水平軸小型風力發電機，其特徵在於軸承座 (12)中安裝的軸承為滾動軸承(13)。
8.根據權利要求2所述的磁懸浮水平軸小型風力發電機，其特徵在於前支座(18)由 螺栓與導向套筒(16)相連，該導向套筒通過螺栓與定子外殼(15)相連。
9.根據權利要 8所述的磁懸浮水平軸小型風力發電機，其特徵在於前支座(18)由 鍵(20)與定磁環組件保持架(5)相連。
專利摘要本實用新型是一種磁懸浮水平軸小型風力發電機，包括轉軸、定子和轉子，其中轉軸(2)的一端採用滾動軸承(13)支承，另一端採用永磁軸承支承，此端安裝槳葉；其定子和轉子布置在永磁軸承與滾動軸承之間。本實用新型將磁懸浮支承技術應用於傳統小型風力發電機中，因此具有啟動阻力矩小、結構簡單、成本低、低風速起動和易於裝配等優點。
文檔編號F03D9/00GK201621017SQ20102012545
公開日2010年11月3日 申請日期2010年3月4日 優先權日2010年3月4日
發明者張錦光, 王曉光, 胡業發 申請人:武漢理工大學