一種垂直軸微風啟動高效空芯風力發電機及發電機組的製作方法

2023-06-02 22:24:46

一種垂直軸微風啟動高效空芯風力發電機及發電機組的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種垂直軸微風啟動高效空芯風力發電機，包括葉片（1）、磁鐵（2）、無芯線圈（4）、電機支撐葉片（6）、主軸（24）、外轉子輪圈（13）以及電機支撐杆（9），其中，所述電機支撐杆（9）徑向支撐所述外轉子輪圈（13），所述電機支撐葉片（6）的一端斜支撐所述外轉子輪圈（13），且所述電機支撐杆（9）與電機支撐葉片（6）的另一端支撐於所述轉子軸套（20）上，其中，所述葉片（1）具有一根部梁(26)，且所述外轉子輪圈（13）具有一葉片插槽（23）供所述葉片的根部梁(26)插入固定。本實用新型提供一種能夠微風啟動，效率高，製造成本低的民用分布式組合式風力發電機組。
【專利說明】—種垂直軸微風啟動高效空芯風力發電機及發電機組
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種垂直軸微風啟動高效空芯組合式風力發電機，更具體地說，是一種能夠微風軟風啟動的民用或工業用分布式風力發電機組。
【背景技術】
[0002]現有技術中的風力發電機都是利用葉片截取風能，風輪機帶動發電機發電。通常使用的發電機有水平軸和垂直軸風力發電機，垂直軸風力發電機的發電機大多都是盤式無芯結構，線圈排列方向垂直於轉軸，線圈外圍和內圍切割磁力線速度不同，雖然能夠微風啟動，但是效率低，重量偏重，成本高，適合風向不定的城市。水平軸風力發電機普遍包含3個葉片，少數具有5-6個葉片，葉片是典型的懸臂梁結構，葉片根部承受巨大應力，在強風中易折斷。因而水平軸風力發電機的葉片根部都很粗壯，這大大增加了重量，尤其對於兆瓦級大功率風力發電機，葉片越長，轉速反而越低，力矩增大，更增加了葉片根部的應力。
[0003]大型兆瓦級風力發電機，一般都有變速齒輪箱增速，使發電機得以工作在50HZ，併網發電。由於齒輪箱普遍比較笨重，因此微風時難以啟動。一般的風力發電機，為了增加磁場交鏈密度，線圈都是繞在鐵芯上，跟磁鐵會產生吸力，即便是優化磁路，一般都要3米每秒的風速啟動，另外鐵芯會產生震動，磁滯渦流，總體效率不高。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是為了克服上述現有技術中存在缺陷，提供一種能夠微風啟動，效率高，製造成本低的民用分布式組合式風力發電機組，既可以實現單機單層或多層發電。通過多個單機的重疊套裝在較長的固定通軸上可形成一個「風電柱」，又可相互連接成「風電機樹林」或「風電機柱牆」。這種結構改變了傳統垂直軸風力發電機的裝配結構，可以和現代建築結合來安裝的垂直軸風電機，形成特有的全新的建築規範和風電系統，使得各種建築物周圍的風力資源得到充分利用，形成獨特的景觀新能源風電場。
[0005]本實用新型提供的一種垂直軸微風啟動高效空芯風力發電機，包括葉片(I)、磁鐵
(2)、無芯線圈(4)、電機支撐葉片(6)、主軸(24)、外轉子輪圈(13)以及電機支撐杆(9)，
[0006]其中，所述電機支撐杆(9 )徑向支撐所述外轉子輪圈(13 )，所述電機支撐葉片(6 )的一端斜支撐所述外轉子輪圈(13)，且所述電機支撐杆(9)與電機支撐葉片(6)的另一端支撐於所述轉子軸套(20)上，
[0007]其中，所述葉片(I)具有一根部梁(26)，且所述外轉子輪圈(13)具有一葉片插槽
(23)供所述葉片的根部梁(26)插入固定。
[0008]可選地，所述磁鐵(2)具有多個，磁鐵(2)以其南北極面平行於外轉子輪圈(13)旋轉軸線的方向布滿安裝於外轉子輪圈(13)內壁的外轉子內鐵質圈(21)上，且相鄰兩個磁鐵南北極反向，
[0009]可選地，所述相鄰兩個磁鐵間具有大體為二分之一磁鐵寬度間隙，
[0010]可選地，還包括內定子鐵質圈(22)，定子支撐片(5)，所述定子支撐片(5)的一端支撐所述內定子支撐圈(22)，所述定子支撐片(5)另一端支撐於主軸(24)，所述無芯線圈
(4)安裝於所述內定子鐵質圈(22)上，無芯線圈(4)具有多組，每組無芯線圈(4)的線圈平面與所述內定子鐵質圈(22)的圓周表面大體平行；
[0011]可選地，所述內定子鐵質圈(22)與外轉子內鐵質圈(21)構成的發電機半徑是葉片(I)外端部掃過圓半徑的十分之一至十分之九；
[0012]可選地，還包括整流橋堆二極體(12)，將多組無芯線圈(4)的輸出整流成直流輸出。
[0013]可選地，所述風力發電機主軸(24)上具有一對雙列角接觸球軸承(7)，所述電機支撐杆(9)和電機支撐葉片(6)分別支撐於兩個軸承。
[0014]可選地，所述風力發電機的主軸(24)內沿軸線設有注油管(8)，主軸(24)前端具有與注油管(8)連通的注油口(15);注油管(8)末端在主軸(24)末端，油從注油管(8)末端流出，通過轉子軸套(20)內壁潤滑兩個軸承。
[0015]可選地，所述定子支撐片(5)根部具有外防水圈(10)，轉子軸套(20)—端設有內防水圈(25)，所述內防水圈(25)設於所述外防水圈(10)內，且內防水圈(25)的內孔直徑比主軸(24)直徑大I毫米。
[0016]可選地，所述外防水圈(10)底部設有用於流出多餘油和雨水的出水出油孔(11)。
[0017]可選地，所述發電機主軸(24)下端外軸套(20)內壁上設有銅片刷，銅片刷與所述導電滑環(17)彈力接觸。
[0018]可選地，所述葉片(I)的根部梁(26)為一插片狀，且與所述葉片插槽(23)公母配
人I=T，
[0019]可選地，所述葉片(I)的根部梁(26 )為公槽，所述葉片插槽(23 )為母槽，鑄模在外轉子輪圈(13)上，公母槽在近兩側端點處同一個位置上設有2個固定螺絲孔(27)，由固定螺絲(28)加固插片根部梁(26)與插槽(23)的連接。
[0020]可選地，所述葉片(I)為呈弧形45度的長方形，葉片根部梁(26)為T形公槽，所述葉片(I)的長度為100-2000皿1，寬度為100_500臟，厚度為1-lOOmm。
[0021]本實用新型還公開了一種風力發電機組，包含上述任一一種風力發電機，且所述風力發電機形成多機多層式結構，所述風力發電機組通過長主軸(24)串聯組合，由每個風機主軸(24)上的立軸鍵槽(29)固定在主軸(24)，主軸(24)底端固定安裝在主軸(24)底座
(18)上，並與主軸(24)上端蓋(3)，外支架頂端固定點(16)，外支撐框架(14)連接共同固定住發電機組。
[0022]本實用新型的有益效果是，通過增加了發電機直徑，降低了葉片根部的應力，提高了安全性；通過無芯線圈，減少了渦流效應，提高了效率。本實用新型不需要變速箱，減輕了發電機的重量。
[0023]本實用新型體積小、用途廣泛、結構簡單，可以根據不同的情況而靈活安裝，從而改變了原有風力發電機結構複雜、強度弱和體積大的缺點，適合裝在各種建築物上，不受場地條件限制，更好地做到了對風力資源的綜合利用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型實施例無芯風力發電機的正視圖；[0025]圖2為本實用新型實施例無芯風力發電機的側視圖；
[0026]圖3A為本實用新型實施例無芯風力發電機外轉子輪圈插槽的結構示意圖；
[0027]圖3B為本實用新型實施例無芯風力發電機葉片的側視圖；
[0028]圖3C為本實用新型實施例無芯風力發電機葉片的正視圖；
[0029]圖4為本實用新型實施例無芯風力發電機組立式側面圖。
【具體實施方式】
[0030]為詳細說明本實用新型的技術內容、構造特徵、所達成目的及功效，下面將結合實施例並配合圖式予以詳細說明。
[0031]參見圖1-4所示，揭示一種微風啟動無芯風力發電機的實施例，包括葉片1、磁鐵
2、無芯線圈4、主軸24，還包括外轉子輪圈13、電機支撐杆9徑向支撐該外轉子輪圈13，電機支撐葉片6的一端斜支撐該外轉子輪圈13，且該電機支撐杆9與電機支撐葉片6的另一端支撐於該轉子軸套20上，葉片I根部梁26插入該外轉子輪圈13上的葉片插槽23中，葉片I插片根部梁26與插槽23的結構設計成公母槽，葉片I插片根部梁26為公槽，插槽23為母槽，鑄模在外轉子輪圈13上，公母槽在近兩邊端點處同一個位置上設有2個固定螺絲孔27，由固定螺絲28加固插片根部梁26與插槽23的連接。該磁鐵2具有多個，磁鐵2以其南北極面平行於外轉子輪圈13旋轉軸線的方向布滿安裝於外轉子輪圈13內壁的外轉子內鐵質圈21上，且相鄰兩個磁鐵南北極反向，相鄰兩個磁鐵間具有大約二分之一磁鐵寬度間隙；內定子鐵質圈22，定子支撐片5支撐該內定子支撐圈22，定子支撐片5另一端支撐於主軸24，無芯線圈4安裝於該內定子鐵質圈22上，無芯線圈4具有多組，每組無芯線圈4的線圈平面與該內定子鐵質圈22的圓周表面平行；該內定子鐵質圈22與外轉子內鐵質圈21構成的發電機半徑是葉片I外端部掃過圓半徑的十分之一至十分之九；整流橋堆二極體12，將多組無芯線圈4的輸出整流成直流輸出。
[0032]單機發電機水平放置，發電機主軸自然垂直於地面，固定在地面支架或支柱上。風從任意方向吹來，吹動葉片I順時針旋轉，發電機主軸24上除了旋轉扭力不受其它方向的力的影響。弧形的葉片I有多組，弧形的正面凹面為受風受力面，推動風機的旋轉，弧形的背面為卸風卸力面，受風的阻力小，不會使風機反轉。電機支撐葉片6的一端斜支撐外轉子輪圈13，電機支撐葉片6與外轉子輪圈13的傾斜角度在45度，傾斜角度上風口方向與葉片I的受風方向相一致，從而確保風機的旋轉方向為順時針。
[0033]如圖3A、圖3B、圖3C所示，葉片I的下端設計成插片型，可以更加方便的更換葉片1，比如在一年四季不同的季節裡，風速有明顯的不同，在大風的季節裡防止因風電機高速旋轉而損壞葉片1，就可以便捷的更換成小型葉片1，反之亦然。一旦發生有損壞的葉片1，就能及時替換，即使不更換葉片，也不會影響發電機的工作狀態。相比，原有的插杆式的葉片容易在大風或長時間的轉動過程中造成葉片與發電機的角度發生改變，影響發電機功率。再則，當葉片被大風吹斷以後，插杆斷杆留在發電機支撐杆9中，不能很方便地取出，影響整臺發電機的工作。
[0034]插片式葉片I是弧形45度的長方形，形狀如菜刀狀，葉片根部為T型公槽。葉片I的長度可為100-2000mm，寬度可為100-500mm，厚度可為l-100mm。
[0035]葉片I插片根部梁26與插槽23的結構設計成公母槽，葉片I插片根部梁26為公槽，，插槽23為母槽，鑄模在外轉子輪圈13上，公母槽在近兩邊端點處同一個位置上設有2個固定螺絲孔27，由固定螺絲28加固插片根部梁26與插槽23的連接。
[0036]氣流從迎風方向或同時從電機組底部向上吹來，吹動葉片I和電機支撐葉片6，帶動外轉子輪圈13和磁鐵2轉動(磁力線垂直於主軸)，切割線圈(線圈排列平行於主軸方向)，磁力線通過氣隙切割線圈，產生電流，無芯線圈4經過整流橋堆二極體12整流成直流。由於磁鐵2及無芯線圈4非常多，電機口徑大，轉速很低的情況都能產生讓充電器工作的最低電壓。
[0037]為防止磁鐵2和無芯線圈4之間很小的氣隙(間隙)擦碰，電機的軸承要用雙列角接觸球軸承7，它能承受徑向(風的推力)和軸向(外轉子電機重量和轉動時候的離心力)受力，水平偏移極小，保證磁鐵和無芯線圈之間的0.3-7毫米左右的氣隙，長時間工作不會擦碰。
[0038]磁鐵2和無芯線圈4表面都用環氧樹脂包裹，進風側與外轉子輪圈13注模一體形成有擋塵立面，隔離顆粒大的沙吹進氣隙，防止擦碰線圈和磁鐵。轉子軸套20帶動內防水圈25轉動，內防水圈25的內孔直徑比主軸24直徑大I毫米左右，外防水圈10固定在定子支撐片5上，水不會進到軸承裡，大雨的時候少量的殘水從出水出油孔11流出來。
[0039]風力發電機工作一段時間，潤滑油氧化變質，加注潤滑油的時候，旋開注油口 15，把油加壓力灌入，注油管8沿主軸24中間的空心到兩個軸承7前面，把氧化的潤滑油擠出來，殘餘的油從轉子軸套20帶動的內防水圈25內孔和主軸24之間I毫米左右的縫隙中孔流出，從出水出油孔11流出來。
[0040]發電機主軸24下端外軸套20內壁上設有銅片刷，銅片刷與該導電滑環17彈力接觸。兩個導電滑環17固定在發電機主軸24上，直流輸出導線19從發電機主軸外軸套20中間引出，導電滑環17對應的外軸套20位置安裝兩個銅片刷，銅片刷靠彈力壓在導電滑環17上，導電滑環17能把電流導出，從直流輸出導線19輸出直流電。
[0041]由於是多相線圈，輸出線頭多，3相就有6條輸出線，交流輸出需要的導電滑環17多，所以經過整流橋堆二極體12整流成直流，只需要正負兩條直流輸出導線19，簡單可靠。由於風力發電機工作在風吹日曬雨淋的惡劣環境下，接觸性部件越少越好，壽命越長。這樣的微風啟動風力發電機接觸性部件少，只有軸承2個，導電滑環2個。
[0042]另如圖4所示，多機多層式結構發電機組通過長主軸24串聯組合，由每個風機主軸24上的立軸鍵槽29固定在主軸24上，主軸24底端固定安裝在主軸24底座18上，並與主軸24上端蓋3，，外支架頂端固定點16，外支撐框架14連接共同固定住發電機組。
[0043]多個發電柱或發電柱牆可以實現高功率發電，廣泛用於海島，漁船，海水淡化，灌溉提水，草原牧區，水產養殖加溫，邊防哨所，路燈，樓房照明，野外通訊站，別墅，寺院，小企業等民用工業併網發電等。
[0044]本領域技術人員均應了解，在不脫離本實用新型的精神或範圍的情況下，可以對本實用新型進行各種修改和變型。因而，如果任何修改和變型落入所附權利要求書以及等同物的保護範圍內時，認為本實用新型涵蓋這些修改和變型。
【權利要求】
1.一種垂直軸微風啟動高效空芯風力發電機，包括葉片(I)、磁鐵(2)、無芯線圈(4)、電機支撐葉片(6)、主軸(24)、外轉子輪圈(13)以及電機支撐杆(9)， 其中，所述電機支撐杆(9)徑向支撐所述外轉子輪圈(13)，所述電機支撐葉片(6)的一端斜支撐所述外轉子輪圈(13)，且所述電機支撐杆(9)與電機支撐葉片(6)的另一端支撐於所述轉子軸套(20)上， 其中，所述葉片(I)具有一根部梁(26)，且所述外轉子輪圈(13)具有一葉片插槽(23)供所述葉片的根部梁(26)插入固定。
2.如權利要求1所述的風力發電機，其特徵在於:還包含多個磁鐵(2)，磁鐵(2)以其南北極面平行於外轉子輪圈(13)旋轉軸線的方向布滿安裝於外轉子輪圈(13)內壁的外轉子內鐵質圈(21)上，且相鄰兩個磁鐵南北極反向。
3.如權利要求2所述的風力發電機，其特徵在於:所述相鄰兩個磁鐵間具有大體為二分之一磁鐵寬度間隙。
4.如權利要求1所述的風力發電機，其特徵在於:還包括內定子鐵質圈(22)，定子支撐片(5)，所述定子支撐片(5)的一端支撐所述內定子支撐圈(22)，所述定子支撐片(5)另一端支撐於主軸(24)，所述無芯線圈(4)安裝於所述內定子鐵質圈(22)上，所述無芯線圈(4)具有多組，每組無芯線圈(4)的線圈平面與所述內定子鐵質圈(22)的圓周表面大體平行。
5.如權利要求4所述的風力發電機，其特徵在於:所述內定子鐵質圈(22)與外轉子內鐵質圈(21)構成的發電機半徑是葉片(I)外端部掃過圓半徑的十分之一至十分之九。
6.如權利要求1所述的風力發電機，其特徵在於，還包括整流橋堆二極體(12)，將多組無芯線圈(4)的輸出整流成直流輸出。
7.如權利要求1所述的風力發電機，其特徵在於，所述風力發電機主軸(24)上具有一對雙列角接觸球軸承(7 )，所述電機支撐杆(9 )和電機支撐葉片(6 )分別支撐於兩個軸承。
8.如權利要求1所述的風力發電機，其特徵在於，所述風力發電機的主軸(24)內沿軸線設有注油管(8)，主軸(24)前端具有與注油管(8)連通的注油口(15);注油管(8)末端在主軸(24 )末端，油從注油管(8 )末端流出，通過轉子軸套(20 )內壁潤滑兩個軸承。
9.如權利要求4所述的風力發電機，其特徵在於，所述定子支撐片(5)根部具有外防水圈(10)，轉子軸套(20)—端設有內防水圈(25)，所述內防水圈(25)設於所述外防水圈(10)內，且內防水圈(25)的內孔直徑比主軸(24)直徑大I毫米。
10.如權利要求9所述的風力發電機，其特徵在於，所述外防水圈(10)底部設有用於流出多餘油和雨水的出水出油孔(U)。
11.如權利要求1所述的風力發電機，其特徵在於，所述發電機主軸(24)下端外軸套(20)內壁上設有銅片刷，所述銅片刷與一導電滑環(17)彈力接觸。
12.如權利要求1所述的風力發電機，其特徵在於:所述葉片(I)的根部梁(26)為一插片狀，且與所述葉片插槽(23)公母配合。
13.如權利要求12所述的風力發電機，其特徵在於:所述葉片(I)的根部梁(26)為公槽，所述葉片插槽(23)為母槽，鑄模在外轉子輪圈(13)上，公母槽在近兩側端點處同一個位置上設有2個固定螺絲孔(27)，由固定螺絲(28)加固插片根部梁(26)與插槽(23)的連接。
14.如權利要求12所述的風力發電機，其特徵在於:所述葉片(I)為呈弧形45度的長方形，葉片根部梁(26)為T形公槽，所述葉片(I)的長度為100-2000皿1，寬度為100-500mm，厚度為l-100mm。
15.—種風力發電機組，其特徵在於，包含多個如權利要求1-14任一項所述的風力發電機，且所述風力發電機形成多機多層式結構，所述風力發電機組通過長主軸(24)串聯組合，由每個風機主 軸(24)上的立軸鍵槽(29)固定在主軸(24)，主軸(24)底端固定安裝在立軸底座(18)上，並與主軸(24)上端蓋(3)，外支架頂端固定點(16)，外支撐框架(14)連接共同固定住發電機組。
【文檔編號】F03D3/06GK203604113SQ201320695922
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】畢獻奎, 王藝淳, 畢雲 申請人:畢獻奎