CN101302997A - 磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机。它包括磁悬浮风力发电机，磁悬浮风力发电机的发电机轴与叶轮的叶轮轴一体制成，发电机轴穿入电机壳体内，在发电机轴上安装发电机转子，与之对应的电机壳体上设有发电机定子，同时在发电机轴上和电机壳体内还安装轴向磁悬浮装置和径向磁悬浮装置，进行磁悬浮定位；叶轮轴固定安装在轮毂内，叶轮的若干个叶片通过垂直轴自调桨距装置与轮毂相连。其具有结构简单，使用方便，能够有效提高风力发电机的整体性能，提高效率、节能、降耗、环保和易普及等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，尤其涉及一种磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机。
背景技术
风力发电机按旋转轴的方向来分，可分为水平轴和垂直轴两种。水平轴风力发电机是在飞机螺旋桨理论上发展成熟起来的，目前被广泛应用。但是水平轴风力发电机的设计制造都很复杂，具有：1.叶轮占据空间和占地面积大；2.对风塔要求较高；3.叶轮受风不均匀等缺点，特别是悬空安装的叶片，还要承受风的巨大正压力，因而其造价很高，单机功率越大，其成本越大，这是至今风电价格高于市电的主要因素之一，相比之下垂直轴风力发电机具有更多的优点。
传统的垂直轴风力发电机都设有一个叶片调整机构，使机构复杂化，造价提高，也大大消耗了风的能量。而且这种风力发电机不能自起动，附加的起动机构又加重了制造成本，从而导致风能利用系数大打折扣，垂直轴风力发电机的优越性也就荡然无存。
为了有效利用风能，传统垂直轴风力发电机做成变桨距的叶片，但其缺陷是调整叶片攻角的推杆结构，既过多消耗了能量，又造成了风力机不能自行起动。近年来有人发现铰链的叶片在旋转中是可以摆动的，于是就出现了限制钉来把叶片摆动限制在合理攻角中。但有限制钉就有撞击，在长期、周期及强力撞击下叶片很容易损坏。
目前，采用平行连接杆类型垂直轴风力发电机最多的是日本(2002年开始研究)，还有英国、加拿大等国目前也在研制中，这些国家的大部分产品在叶轮设计当中采用平行连接杆，这种方式对发电机输出轴要求较高，并且结构相对复杂，现场安装程序也偏多。另外，从力学方面分析，H型垂直轴风力发电机功率越大、叶片越长、平行杆的中心点与发发电机轴的中心点距离越长，抗风能力就越差。同时传统的垂直轴风力发电机要克服传动机构的自重和摩擦力，同时还要克服由于发电机转子自重和机械轴承摩擦带来的阻力，使得传动驱动系统的驱动力增大，降低了发电机效率。
因此，为了提高风力发电机的整体性能，达到提高效率、节能、降耗、环保和易普及的目的，必须对传统的垂直轴风力发电机系统进行改造。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有结构简单，使用方便，能够有效提高风力发电机的整体性能，提高效率、节能、降耗、环保和易普及等优点的磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机，它包括磁悬浮风力发电机，磁悬浮风力发电机的发电机轴与叶轮的叶轮轴一体制成，发电机轴穿入电机壳体内，在发电机轴上安装发电机转子，与之对应的电机壳体上设有发电机定子，同时在发电机轴上和电机壳体内还安装轴向磁悬浮装置和径向磁悬浮装置，进行磁悬浮定位；叶轮轴固定安装在轮毂内，叶轮的若干个叶片通过垂直轴自调桨距装置与轮毂相连。
所述轴向磁悬浮装置包括设置在电机壳体内部顶端的固定盘，固定盘与发电机轴固联，在固定盘上设有至少一个环形的轴向上磁体，与之对应的电机壳体上设有相应的轴向下磁铁。
所述径向磁悬浮装置包括设置在发电机轴上的至少一个径向内磁铁，与之对应的电机壳体上设有相应的径向外磁体。
所述垂直轴自调桨距装置包括一对连接杆，它们与轮毂固联，连接杆另一端与垂直的立杆连接，三者成三角形结构，叶片则通过铰链与立杆铰接，实现自调桨距。
本发明在发电机的发电机轴与电机壳体之间去掉了传统的机械轴承而采用了磁悬浮装置，这种结构一方面在垂直轴风力发电机的动力传送方面起到了大大减小摩擦传动的目的，另一方面也基本克服了由于风力机重量和发电机自身转子的自重所带来的驱动力消耗，由于是全悬浮的，摩擦力小，该机停机后实现了自行起动，垂直轴风力机的优越性全面充分地展现了出来。
叶轮轴与发发电机轴做成一体，被磁悬浮定位，风力发电机的轴向由永磁磁悬浮推力平衡轴承支撑，轴向上磁铁为一环形磁铁，固定在一固定盘上，并通过固定盘固定在发电机轴上，随发电机轴一起转动，轴向下磁铁固定在电机壳体上，上下磁铁通过斥力相互作用，基本克服了由于风力机重量和发电机自身转子的自重所带来的驱动力消耗。
风力发电机径向由磁悬浮定位装置做圆周定位，径向内磁铁为环形，固定在发电机轴上，径向外磁铁也为一环形，固定在电机壳体上，通过斥力与径向内磁铁相互作用。这样风力发电机的回转部分与定位部分之间摩擦系数几乎为零，与同类传统风力发电机相比传动效率有明显提高。同时叶轮不仅能传递较大扭矩给发电机，而且还能够消除机械振动，降低嗓音，能够不用润滑而长期可靠地工作。不需要润滑，可以简化风机结构，免除日常的维护保养，可以长期稳定可靠地工作，同时由于磁轴承的运转阻力为零，因此这也是一种高效节能风机。
为了有效利用风能，传统垂直轴风力发电机做成变桨距的叶片，但其缺陷是调整叶片攻角的推杆结构，既过多消耗了能量，又造成了风力机不能自行起动。本发明的垂直轴风力发电机在叶轮设计当中大都采用平行连接杆结构，这种方式对发电机输出轴要求较高，并且结构相对复杂，现场安装程序也偏多。另外，从力学方面分析，H型垂直轴风力发电机功率越大、叶片越长、平行杆的中心点与发发电机轴的中心点距离越长，抗风能力就越差。
通常的垂直轴风力发电机，无法保障叶片与气流间保持最佳接触角，且桨距控制系统存在结构复杂，造价高，风能消耗大，无法向大型化发展等缺陷。
本发明的叶片通过铰链与立杆相连，叶片可以绕立杆自由转动，每个立杆通过两根连接杆固定在轮毂上，轮毂与叶轮轴固定在一起，叶轮轴直接驱动发电机发电。立杆和两根连接杆构成三角形。
由于采用了特殊空气动力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得叶轮的受力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强，采用三角形向量法的斜撑可以大大减少叶片悬空尺寸。
与水平轴风力发电机和传统的垂直轴风力发电机相比较，本发明的磁悬浮垂直轴风力发电机的叶片与轮臂一端铰连接，实现叶片在叶轮转动中自动调整桨距安装角，不需要复杂的调节机构就能达到最佳迎风角的设计要求，且结构简单、效率高、成本低。叶片始终保持最佳迎风角，产生最大推力，提高发电效率。当风向相对稳定时，叶轮旋转一周，叶片作周期性变化，当叶片处于正顺风向或逆风向两点时，迎风角为零，其他任何位置都有迎风角产生，因而都有推力产生。
当风吹向静止的风力发电机时，一边叶片与风向相顺，一边叶片与风向垂直，这样就形成了一架阻力差式风力机，在风力作用下立即起动起来，完成自行启动。在启动的瞬时，风力机叶片自动调整为最佳攻角，进入升力型机器正常运转。这一过程是完全自动的，而无任何附加装置和外加动力。
本发明的叶片每使用一段时间，可以将叶片拆卸下来给予维修，或者直接换上备用的叶片，叶片可以成套的做成尺寸不同的备用配件，根据风力资源情况的不同，使用不同尺寸的叶片，这一点是其它任何风力机不具备的独特之处。本发明的有益效果是：采用特定的磁路结构，提供一种利用磁悬浮技术减小风力发发电机轴向力和径向力引起的摩擦力。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。
附图说明
图1为本发明的风力发电机结构示意图；
图2为发电机磁悬浮装置结构示意图。
其中，1.叶轮，2.叶轮轴，3.连接杆，4.轮毂，5.立杆，6.叶片，7.发电机，8.塔架，9.轴向上磁铁，10.轴向下磁铁，11.发电机定子，12.发电机转子，13.电机壳体，14.径向内磁体，15.径向外磁铁，16.发电机轴，17.固定盘。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中，磁悬浮风力发电机的发电机轴16与叶轮1的叶轮轴2一体制成，发电机轴16穿入电机壳体13内，在发电机轴16上安装发电机转子12，与之对应的电机壳体13上设有发电机定子11，叶轮1包括多个叶片6，每个叶片6通过铰链与垂直的立杆5连接，立杆5与两个连接杆3连接，三者成三角形；两连接杆3固定在轮毂4上，轮毂4与叶轮轴2固联，并带动其转动。发电机7安装在塔架8上。
图2中，发电机7包括电机壳体13，在电机壳体13内部顶端设有固定盘17，它与发电机轴16固联，固定盘17上设有环形的轴向上磁铁9，与之对应的电机壳体13上设有环形的轴向下磁体10。在发电机转子12的上下方各设有一个径向内磁铁14，与之对应的电机壳体13上则设有径向外磁铁15。
Claims (4)
1.一种磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机，其特征是，它包括磁悬浮风力发电机，磁悬浮风力发电机的发电机轴与叶轮的叶轮轴一体制成，发电机轴穿入电机壳体内，在发电机轴上安装发电机转子，与之对应的电机壳体上设有发电机定子，同时在发电机轴上和电机壳体内还安装轴向磁悬浮装置和径向磁悬浮装置，进行磁悬浮定位；叶轮轴固定安装在轮毂内，叶轮的若干个叶片通过垂直轴自调桨距装置与轮毂相连。
2.如权利要求1所述的磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机，其特征是，所述轴向磁悬浮装置包括设置在电机壳体内部顶端的固定盘，固定盘与发电机轴固联，在固定盘上设有至少一个环形的轴向上磁体，与之对应的电机壳体上设有相应的轴向下磁铁。
3.如权利要求1所述的磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机，其特征是，所述径向磁悬浮装置包括设置在发电机轴上的至少一个径向内磁铁，与之对应的电机壳体上设有相应的径向外磁体。
4.如权利要求1所述的磁悬浮自调桨距垂直轴风力发电机，其特征是，所述垂直轴自调桨距装置包括一对连接杆，它们与轮毂固联，连接杆另一端与垂直的立杆连接，三者成三角形结构，叶片则通过铰链与立杆铰接，实现自调桨距。
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