CN100561851C - 全永磁悬浮风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全永磁悬浮风力发电机，包括机架、机械轴承、轴和风轮，所述风轮设置于轴前部，所述轴通过机械轴承与机架相连，其特征在于：所述风轮和机械轴承之间设置有一组或多组利用环绕在轴上并分别设置在轴和机架上的对应磁极的位差产生向上磁性力以消除所述风轮重力影响的永磁悬浮装置。本发明具有结构简单合理、起动风速低、输出功率大的优点。

Description

全永磁悬浮风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电设备，尤其是涉及一种新型的全永磁悬浮微摩擦力风力发电机。
背景技术
风能不但具有清洁环保、可再生的特点，而且其分布地域广大，可以说无处不在，而且便于利用，是一种极具发展前途的新型能源。而且人们利用风力发电，不但不会产生任何负面影响，而且还会带来减缓风力灾害、抑制荒漠化、减少或降低沙尘暴数量和强度的好处。
人们认识和利用风能有悠久的历史，早期主要是利用风车代替人类进行灌溉、舂米等简单的劳作，目前我们利用风力发电，但是自然界所产生的风不但风向多变，而且风力大小也变幻莫测，而传统的机械式轴承风力发电机，其起动风速要求最低为3m/s，而对于我国大多数地方来说，一年之中大部分时间其风力在3m/s以下，这就使得大量的风力资源无法利用而白白浪费掉了，如果能够降低风力发电机的起动风速，不但会提高风力发电设备的利用效能，而且会多生产大量电力，其经济效益和社会效益都极其巨大。
现有机械式轴承风力发电机叶轮一般都以悬臂方式置于发电机轴一端，这样的悬臂结构造成发电机轴受到叶轮向下的重力作用而对其轴承产生非轴向力，使得轴承受力不均衡，受力状况不佳，摩擦力较大，加上轴本身还有自重，因此目前机械式风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速普遍较高而输出功率低(三高一低)，而人们在试图将起动阻力矩、起动风速、切入风速降低时，又把输出功率也降低了，因此难以使低风速风力资源得到应用。
如果能使得风力发电机轴悬臂端克服叶轮和轴的重力作用而处于悬浮状态，则能消除轴承的不均衡径向力，并能大大减少整个发电机组轴承所受径向力，同时能大大减少轴承的摩擦力，可以有效降低风力发电机的起动风速。目前的磁悬浮风力发电机，如美国的电磁悬浮风力发电机，由于悬浮轴承在各个自由度都需要控制，因此其控制系统极其复杂和庞大，其成本非常高昂，并且对运行中的维护和应用环境很挑剔，不能广泛适用于风力发电领域。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种利用磁悬浮技术克服悬臂轴受重力挠性变形的风力发电机。本发明采用特定的磁路结构，利用所产生的向上的磁作用力克服叶轮和轴自身重力，不但使得发电机轴承受力得到均衡，还减小了轴承所产生的摩擦力，从而能有效降低风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速，同时能较大幅度提高输出功率。
本发明的技术方案如下：
全永磁悬浮风力发电机，包括机架、机械轴承、轴和叶轮，所述叶轮设置于轴前部，所述轴通过机械轴承与机架相连，其特征在于：所述叶轮和机械轴承之间设置有一组或多组利用环绕在轴上并分别固定在轴和机架上的对应磁极的位差产生向上磁性力以抵消所述叶轮和轴重力的永磁悬浮装置。
所述永磁悬浮装置包括一永磁体转子和于其侧对应设置的一个或两个永磁体定子，所述转子套装于轴上并可随轴一起转动，定子固定设置在机架上，且转子和定子的轴心具有一高度差。
所述定子轴心高于转子轴心，定子和转子具有相反的磁极结构；或者是定子轴心低于转子轴心，定子和转子具有相同的磁极结构。
所述转子和定子构成拉推磁路结构，即转子和定子分别由沿径向分布的相邻磁极交替的磁块组成，所述磁块为环行结构。
所述叶轮和机械轴承之间还设置有用以抵消所述永磁悬浮装置所产生轴向力的吸斥磁路。
所述吸斥磁路由定磁环和动磁环组成，所述动磁环套装于所述轴上，所述定磁环与机架固定相连。
所述定磁环和动磁环皆为永磁体结构。
所述永磁悬浮装置为反向拉推磁路装置，所述定子为两个且并列对称设置于所述转子两侧，所述定子固定设置于机架上。
所述转子和定子构成拉推磁路结构，即转子和定子分别由沿径向分布的相邻磁极交替的磁块组成，所述磁块为环行结构。
本发明的技术效果为：
本发明的永磁悬浮风力发电机，在风轮和机械轴承之间设置有一组或多组利用相对应的且分别设置在轴和机架上的磁极位差产生向上磁性力以抵消所述风轮和轴重力的永磁悬浮装置，由于对应的磁极存在位差，就能抵消叶轮和轴的重量，具体地，这种位差使得对应的同性磁极在径向尽力排斥，异性磁极在径向尽力吸引，合理设置磁极的位置，就能产生向上的作用力，抵消叶轮和轴向下的重力，使得机械轴承的受力大为减小，特别是悬臂轴挠性变形状况得到明显改善，其所产生的摩擦力大幅减小，从而不但降低风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速，同时能提高输出功率。因此本发明既扩大了可利用的有效风速范围，又提高了输出的发电量，能使低风速风力资源得到应用，同时采用永磁体结构简单、体积小、成本低、使用和维护都方便，有巨大的经济和社会价值。
由于能产生磁极位差的磁路不但会产生向上的悬浮力，还会同时产生一轴向力，该轴向力会增加轴承的负荷，为了抵消该轴向力，在风力发电机组轴上还可设置用以抵消所述轴向力的吸斥磁路。针对所产生轴向力的方向不同，可以利用吸斥磁路产生吸力或斥力来予以消除。这样就可以避免由于产生轴向力而增加轴承的摩擦力。
本发明定子和转子构成拉推磁路，能进一步增大向上的悬浮力，可以在实现三低一高的同时，制作大型的风力发电机，提高发电机的装机容量。
本发明还提供了一种可以自行抵消轴向力的反向拉推磁路，通过在转子两侧分别设置定子，使转子分别受到两定子的磁性力，由于两磁性力具有方向相反的轴向力，可以相互抵消，从而不需另外设置吸斥磁路，使得整个磁路结构得以简化。
实验证明，传统的机械式轴承风力发电机其起动风速最低为3.5m/s，本发明的风力发电机其起动风速可有效降低为1.5m/s，并可提高输出发电功率20％。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为拉推磁路的另一种结构示意图；
图3为反向拉推磁路的一种结构示意图；
图4为反向拉推磁路的另一种结构示意图；
图5为图2的吸斥磁路结构示意图。
1-叶轮，2-轴，3-机械轴承，4-发电机，5-定子，6-转子，7-定磁环，8-动磁环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明的一种实施例。
传统的风力发电机组包括叶轮1、轴2、机械轴承3、发电机4，其中叶轮1一般都设置于轴2的一端，发电机4设置于轴2的另一端，发电机4两端分别设置有机械轴承3。由于风力的方向变换不定，叶轮1需要不断变换角度以正对风向，轴2通过一机械旋转装置设置于机架上。
这样的轴结构为典型的悬臂梁结构，轴2受叶轮1重力影响会产生一定的挠性变形，并在机械轴承3上产生一非轴向力，从而机械轴承3在随轴2转动时，由于轴2挠性变形会对机械轴承3产生严重不利影响，同时叶轮1自身重力也将使得机械轴承3的摩擦力增大，这些都将影响风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速和输出发电功率。
本实施例在叶轮1和机械轴承3之间设置了一组拉推磁路装置，由定子5和转子6组成，定子5和转子6均由沿径向分布的相邻磁极交替的环形永磁块构成，定子5其外侧环形磁极为N极，转子6其外侧环形磁极为S极。
为了增加拉推磁路的作用力，本实施例中转子和定子采用多级磁环组合磁路结构，分别为4个磁环，各级磁环之间磁极交替为N极或S极。
定子5和转子6均套装于轴2上，其中转子6固定套装于轴2上并随轴2转动，定子5偏心设置于轴2上并其外侧固定设置于机架上，定子5不随轴2转动。定子5的轴心与转子6的轴心具有一高度差δ，即定子磁极和转子磁极的位差，当转子6随轴2转动时，总是受到定子5对其产生的引力Fδ，Fδ可以分解成轴向力Fδz和径向力FδR，其中径向力FδR与叶轮1和轴2的重力方向相反，可以相互抵消，从而使得负担叶轮1的轴2的部分悬浮，减轻轴承3所受的负荷，减小机械支撑3的支撑力，降低摩擦力。
影响径向力FδR的因素包括定子5和转子6之间的水平间距δ1以及轴心高度差δ以及定子5和转子6的磁通强度，调整这些因素就可以使得FδR至少大于叶轮1重力，乃至抵消部分轴的重力，使得机械轴承3承受较小的重力，大大改善机械轴承3的受力状态。
本实施例中还在拉推磁路装置和轴承3之间设置有吸力磁路，吸力磁路由定磁环7和动磁环8组成，动磁环8固定套装于轴2上并随轴2转动，定磁环7与动磁环8相对应套于轴2上但与机架相固定，动磁环8与定磁环7其对应端磁极相异，则动磁环8受定磁环7吸引而产生轴向力，该轴向力与Fδz反向，只要调整动磁环8和定磁环7之间的距离δ2以及磁通强度，就可以使该轴向力与Fδz大小相等而相互抵消，从而彻底消除叶轮1重力对机械轴承3的影响，使得机械轴承3的摩擦力大幅降低，并降低风力发电机的起动风速和提高发电输出功率。
实验证明，采用本发明的风力发电机，可以有效降低起动阻力矩、起动风速、切入风速和提高发电输出功率，其中，起动力矩降低73.3％，起动风速由3.5m/s降低为1.5m/s，切入风速降低23.8％，在同样风速下发电输出功率可提高20％。
在本实施例中，也可以将定子5其外侧磁极改为S极，而将转子6其外侧磁极改为N极，转子6所受引力Fδ不变。即在定子5轴心高于转子6轴心时，其对应磁极相异，则相互吸引而产生设定的向上引力。
图5所示为本实施例的另一结构方式，即定子5和转子6在轴上的位置调换，将定子5设置于转子6的左侧，由动磁环8和定磁环7构成的吸力磁路较佳地设置在转子6的右2，靠近叶轮。
图2所示为本发明拉推磁路的另一实施例。
本实施例中将定子5的轴心低于转子6的轴心，定子5轴心与转子6轴心也具有高度差δ。本实施例中只要将定子5和转子6的对应磁极设为同性磁极，则由于相互排斥而在转子6上产生斥力Fδ，其可分解为向上的径向力FδR与轴向力Fδz，其中径向力FδR与叶轮1和轴2的重力相抵消。
对于本实施例中，由于轴向力Fδz方向与前一实施例中相反，故其吸力磁路相应改变为推力磁路，只需要将动磁环8和定磁环7的对应端设为同性磁极，则其所产生的斥力依然与轴向力Fδz方向相反。
本实施例也可以采用图5所示的结构方式。
图3、图4所示为本发明的另外两种实施例。
图示实施例的永磁悬浮装置为反向拉推磁路结构，转子6为双侧多磁块永磁体组合结构，转子6两侧分别设置有定子5，构成两组拉推磁路，并使定子5的轴心与转子6的轴心具有一高度差δ。
在图3中，定子5轴心高于转子6轴心。与图1所示的实施例相同，使定子5和与其对应的转子6的磁极对应设置为相异磁极，转子6两侧将分别受到定子5的吸引，其径向力FδR皆向上，其轴向力Fδz大小相等、方向相反，正好相互抵消，因此本实施例的结构，不需要再设置吸力磁路或推力磁路，可以简化磁路结构。
图4中，定子5轴心低于转子6轴心。与图2所示的实施例相同，使定子5和与其对应的转子6的磁极对应设置为相同磁极，转子6两侧将分别受到定子5的排斥，其径向力FδR皆向上，其轴向力Fδz大小相等、方向相反，正好相互抵消，因此本实施例的结构，也不需要再设置吸力磁路或推力磁路，磁路结构简单。
在图3和图4所示实施例中，转子6为结构相同的多磁块双永磁体结构，但是，转子6也可以是单块或单环永磁体结构或结构相异的双永磁体结构。
以上所述仅为本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说，依据本发明的发明精神和实质，还可以做出很多的变型和改进，但这些变型和改进均将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.全永磁悬浮风力发电机，包括机架、机械轴承、轴和叶轮，所述叶轮设置于轴前部，所述轴通过机械轴承与机架相连，其特征在于：所述叶轮和机械轴承之间设置有一组或多组利用环绕在轴上并分别设置在轴和机架上的对应磁极的高度差产生向上磁性力以消除所述叶轮重力影响的永磁悬浮装置，所述永磁悬浮装置包括一永磁体转子和于其侧对应设置的一个或两个永磁体定子，所述转子套装于轴上并可随轴一起转动，所述定子固定在机架上，且所述转子和所述定子的轴心具有一高度差。
2.如权利要求1所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述定子轴心高于所述转子轴心，所述定子和所述转子具有相反的磁极结构；或者是所述定子轴心低于所述转子轴心，所述定子和所述转子具有相同的磁极结构。
3.如权利要求2所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述转子和所述定子构成拉推磁路结构，即所述转子和所述定子分别由沿径向分布的相邻磁极交替的磁块组成，所述磁块为环行结构。
4.如权利要求1或2或3所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述叶轮和机械轴承之间还设置有用以抵消所述永磁悬浮装置所产生的轴向力的吸斥磁路。
5.如权利要求4所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述吸斥磁路由定磁环和动磁环组成，所述动磁环套装于所述轴上，所述定磁环与机架固定相连。
6.如权利要求5所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述定磁环和动磁环皆为永磁体结构。
7.如权利要求2所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述永磁悬浮装置为反向拉推磁路装置，所述反向拉推磁路装置的转子为双侧设置永磁体的组合结构，所述反向拉推磁路装置的定子为两个并分别对称设置于所述反向拉推磁路装置的转子两侧，所述反向拉推磁路装置的定子固定设置于机架上。
8.如权利要求7所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述反向拉推磁路装置的定子与所述反向拉推磁路装置的转子分别由沿径向分布的相邻磁极交替的磁环组成。
9.如权利要求8所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述反向拉推磁路装置的定子和所述反向拉推磁路装置的转子各相对应的磁环的磁极相同或相反。
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