CN101303046A - 斥推磁体组件、全永磁全悬浮轴承及组合风力光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明“斥推磁体组件、全永磁全悬浮轴承及组合风力光伏发电系统”涉及磁轴承及风力发电系统，其中斥推磁体组件，设置于竖直的主轴上，其特征在于包括同极性的环形永磁体构成的斥推上体和斥推下体，所述斥推上体由一中空环形永磁体构成，所述斥推下体由一内环形永磁体与间隔一定径向距离设置的一外环形永磁体构成；所述斥推上体的中空环形永磁体位于构成斥推下体的两个永磁体的磁力有效作用范围内。采用该斥推磁体组件的全永磁全悬浮轴承，在立轴式风力机旋转体的上端设置拉推磁体组件和在该旋转体的下端设置上述斥推磁体组件，能使主轴和/或立轴式叶轮实现全永磁全悬浮支撑，因而消除了风力机旋转体部分全部摩擦。

Description

斥推磁体组件、全永磁全悬浮轴承及组合风力光伏发电系统

技术领域：

本发明涉及可再生能源的利用装置，特别是一种采用斥推磁体组件的全永磁全悬浮轴承及采用该轴承的风力发电机及组合风力光伏发电系统。

背景技术：

风能是一种洁净自然资源，其来源广泛。利用风能发电具有无污染、维护成本低等特点。风力发电已经成为全世界重要能源来源和发展方向之一。但是由于机械摩擦和机械动量等原因，启动风速成为制约风能资源利用范围和时机的主要瓶颈。大量的低速风能资源无法利用。由于风能资源不稳定的原因，风力发电机组的效率经常处于不足状态。因此寻求更低启动风速和提高发电效率成为风力发电的一个重要任务。

为了解决风力发电效率问题，现有技术路线是开发单机大功率风力发电机。单机大功率风力发电机具有技术难度大、设计困难、运输困难、安装苦难、维修成本高、制造成本和建设投资高、效率低等缺点。例如：1500KW以上的风电机组的叶轮直径超过70米，安装在近百米高的塔架上，叶轮和塔架的自重达数十吨、甚至上百吨。还有，已经有人提出以大楼为引风机构和塔架，采用风力发电的风电大楼。虽然采用的不是单机大功率风力发电机，是多台串联，但是由于风力大小不均，时停时有的问题，造成发电不稳定和效率不高、总功率难以提高。因为启动风速较大，造成风机启动前后风力相对大楼的推力产生阶越性变化，引起对大楼有害的震动和噪声。又由于周围高H的障碍物实体会对气流产生影响，风力机需离障碍物20倍H的距离，因此这样的风电大楼在城市建，难有足够大的空地，在远离城市的地区建，则大楼利用价值不大，因此风电大楼的设想使用价值不大。

为了解决启动风速过高的问题，现有技术普遍采用磁悬浮轴承技术，通过减少机械接触面，来消除摩擦力，进而降低启动风速。例如：授权公开号为CN2777234Y、名称为“磁悬浮立轴直驱式变速恒频风力发电机”的实用新型专利提供了一种带有磁悬浮轴承的风力发电机，包括刚性固定架、风力机和发电机，风力机由立轴式叶轮和主轴构成并安装在刚性固定架上，发电机的转轴与主轴一端轴向相连，在立轴式叶轮的上下两端的主轴上分别设有磁悬浮轴承，在刚性固定架上设有相应的磁悬浮轴承座，在发电机的转轴与立轴式叶轮主轴间设有变速恒频功能的电磁耦合装置，并且该实用新型可以轴向串联设置。上述方案采用的磁悬浮轴承是两个止推轴承，具有一定的轴向承载力，因为作为旋转机构的主轴22和叶轮21的自身承重仍然主要由刚性固定架1来承担(该实用新型说明书实施例的记载)，即该实用新型的磁悬浮轴承并没有使得旋转机构完全悬浮起来。因此，该实用新型主轴上、下端设置的两个止推磁悬浮轴承，在垂直方向上实现了减少摩擦面的目的，但是由于仍然存在径向摩擦面，使主轴转动因摩擦力的存在而受影响，进而也影响启动风速的降低，还存在由于风力大小不稳定造成的旋转机构不稳定旋转而对承重的刚性固定架的损害。该实用新型也没有公开止推磁悬浮轴承具体构造，因此不能推定轴承多大程度上减少了摩擦。因此，该实用新型解决启动风速过高的问题并不彻底。该实用新型通过沿风机中轴串联，具有提高最大输出总功率的可能性，但是依然没有解决因为风力不稳定所造成的发电机使用效率不高的问题，存在资源浪费。而且沿风机中轴串联是唯一的组合方式。因此其集能途径显得单一。

本发明人拥有中国专利号为ZL01136634.6等磁悬浮轴承的专利，但是，这些专利难以运用到立轴式风力机上实现全悬浮，来实现最大程度降低启动风速、提高发电效率的目的。

发明内容：

本发明解决现有单机中小功率风力发电系统效率低、发电不连续、对支撑物产生振动的问题，提供一种用于立式轴的斥推磁体组件，采用该斥推磁体组件的全永磁全悬浮轴承及采用该轴承的组合风力光伏发电系统，该发电系统能实现效率大大提高、发电连续、对支撑物无振动或小振动的技术效果

本发明的技术方案是这样的：斥推磁体组件，设置于竖直的主轴上，其特征在于包括与主轴同轴心，上、下间隔一定距离设置的斥推上体和斥推下体，所述斥推上体和斥推下体均为同极性的环形永磁体，所述斥推上体由一中空环形永磁体构成，所述斥推下体由一内环形永磁体或内圆柱永磁体与间隔一定径向距离设置的一外环形永磁体构成；所述斥推上体的中空环形永磁体位于构成斥推下体的两个永磁体的磁力有效作用范围内，且与所述斥推下体的两个永磁体分别形成具有相反径向分量的斥推力。

所述斥推上体的中空环形永磁体的内径小于斥推下体的内环形永磁体或内圆柱永磁体的外径，当斥推下体为内环形永磁体时大于其内径，所述斥推上体的中空环形永磁体的外径大于所述斥推下体的外环形永磁体的内径但小于其外径。

全永磁全悬浮轴承，包括立轴式风力机的旋转体上端设置的拉推磁体组件和所述旋转体下端设置的斥推磁体组件，所述旋转体包括主轴和/或叶轮，所述拉推磁体组件由与立轴式风力机主轴同轴心、具有轴向间距的拉推上体和拉推下体组成，所述拉推上体和拉推下体分别由两个或两个以上与主轴同轴心、在径向相邻设置且磁极沿径向交替分布的环形永磁体构成，且相同径向位置的上、下环形永磁体的大小相同、极性相反，并在两永磁体磁力的有效作用范围内所述拉推下体直接或通过导磁体与所述旋转体上端固定连接，所述拉推上体直接或通过导磁体与上固定件固定连接；所述斥推磁体组件以主轴为轴心设置，其斥推上体直接或通过导磁体与所述旋转体的下端固定连接，其斥推下体直接或通过导磁体与一下固定件固定连接。

所述上固定件和下固定件和/或导磁体上设置有限位结构。这种限位结构可以是所述上固定件和下固定件和/或导磁体上设置的通孔，所述主轴可穿越所述上固定件和下固定件和/或导磁体。

采用上述轴承的风力发电机，包括风力机、由上固定件、下固定件及其支撑柱构成的固定支架、发电机或与传能装置相连的发电机，所述风力机包括立轴式叶轮和/或固定所述立轴式叶轮的主轴构成的旋转体，还包括与风力机旋转体和固定支架相连的所述全永磁全悬浮轴承。

所述主轴的一端与传能装置的输入端相连，所述传能装置为柔动泵。

所述主轴的一端穿过所述斥推磁体组件及其导磁体及下固定件，与发电机输入端转轴相连。

采用上述风力发电机的组合式风力发电系统，将所述风力发电机在轴向串联和/或横向并联。

所述风力发电机在轴向串联和横向并联时所述支撑柱为立柱，所述立柱为三或三个以上，且设置成一排或一列，构成立柱行，所述两个立柱间设置有两个或两个以上的用作上、下固定件的横梁，两两横梁之间设置有所述全永磁全悬浮风机轴承及其支撑的主轴及立轴式叶轮，每一主轴的一端与传能装置的输入端相连，所述传能装置为柔动泵，所述各柔动泵的输出端与一储能装置的输入端相连，所述储能装置的输出与液压发电机相连；或者所述主轴的一端穿过所述斥推磁体组件及其导磁体及作为下固定件的横梁，与发电机输入端转轴相连，所述轴向串联的风力发电机可共用一个发电机。

所述立柱行为两行或两行以上，构成组合式固定支架，并组成组合式架式风力发电系统。

两行相邻立柱行之间的立柱错开设置。

所述组合式风力发电系统固定在加固楼的楼顶或山顶。

所述组合式固定支架周围设置有引风区。

所述引风区为从外围较远处到组合式固定支架周围逐渐收缩的喇叭形通风区。

采用上述组合式风力发电系统的组合风力光伏发电系统，在所述固定支架上能被太阳照射的部位设置有太阳能光伏电池。

技术效果：

本发明的斥推磁体组件，由于斥推上体和斥推下体由同极性的永磁体构成，所以相互之间产生斥力，由于两者是上下设置，因此首先具有垂直方向的排斥力，又由于所述斥推上体的中空环形永磁体位于构成斥推下体的两个永磁体的磁力有效作用范围内，且与所述斥推下体的两个永磁体分别形成具有相反径向分量的斥推力，这就相当于斥推上体的中空环形永磁体被夹持在斥推下体的内环形永磁体或内圆柱永磁体与外环形永磁体的磁场之间，因而当斥推上体和斥推下体之间产生径向位移时，根据磁的库仑定律，两磁体间的作用力与距离平方成反比，因此，将两者推回原始平衡位置的力量会随着径向位移的增加而大大增加，使斥推上体和斥推下体回到原始位置，两者构成径向自稳定结构。这样当斥推上体直接或间接与主轴固定连接，斥推下体直接或间接与机架连接，设定好承载，就可使轴在轴向、径向都没有摩擦。

进一步的结构：所述斥推上体的内径小于斥推下体的内环形永磁体或内圆柱永磁体的外径但大于内环形永磁体内径，所述斥推上体的中空环形永磁体的外径大于所述斥推下体的外环形永磁体的内径但小于其外径。这样的斥推上体和斥推下体的设置可以使径向稳定性进一步提高。

采用该斥推磁体组件的全永磁全悬浮轴承，在立轴式风力机旋转体的上端设置拉推磁体组件和在该旋转体的下端设置上述斥推磁体组件，其中构成拉推磁体组件的拉推上体和拉推下体分别由径向相邻的、沿径向磁极交替分布的两个或两个以上环形永磁体构成，且相同径向位置的上、下环形永磁体的大小相同、极性相反，这种环形永磁体的分布，是典型的拉推磁路结构，可以将旋转体向上吸引，且径向也是稳定的，具体是，由于构成拉推上体和拉推下体的上、下环形永磁体在相同径向位置极性相反，相互吸引，拉推下体固定在旋转体上的话，拉推磁体组件对旋转体就产生向上的吸力，风力机的旋转体就会因拉推磁体组件的吸力作用而悬吊起来。又由于拉推上体和拉推下体分别由沿径向磁极交替分布的两个或两个以上环形永磁体构成，拉推上体和拉推下体中的任一个环形永磁体是和对方相邻的环形永磁体磁极相向的，因此两者互相推斥。根据磁的库仑定律-磁力与距离的平方成反比，因此当固定有风力机的旋转体的拉推下体在径向偏离的时候，即造成拉推上体和拉推下体中磁极相同的环形永磁体相互靠近，进而它们之间斥力急剧增加，产生一个反向推力，将移动的旋转体推回轴心的位置。因此拉推磁体组件的拉推上体和拉推下体之间具有自稳定性。在额定的侧向力内可以保持回归原位的功能。这样就实现了径向的自稳定性。而设置在主轴下端的斥推磁体组件同样具有自稳定性，由于斥推上体直接或间接与旋转体固连，斥推下体与机架的下固定件相连，这样，斥推磁体组件将旋转体往上推，并在径向自稳定，拉推磁体组件将旋转体往上吸，且在径向自稳定，设计好永磁体的承载，在最大设计承载的范围内，竖直的旋转体就可被完全的悬浮起来，即旋转体就只会被限制在垂直的中心，而不会向径向偏移，从而本发明全永磁全悬浮轴承能使主轴和/或立轴式叶轮实现全永磁全悬浮支撑，因而消除了风力机旋转体部分全部摩擦。

采用上述全永磁全悬浮轴承的风力发电机，由于能够将旋转体完全悬浮起来，因而消除了旋转体与支撑结构之间几乎全部的摩擦，相对现有技术进一步降低了启动风速，故微风就可启动发电，又由于在风力作用下旋转体转动对轴承、电机或其他机构的振动大为降低，不但大大提高发电效率同时减小对支撑体刚度和强度的要求，并且使风力发电机方便地进行轴向串联和横向并联设置，通过高效率的单机及高效率单机的有机组合以提高发电总量，并延长持续供电时间，即实现高效率单机中小功率，组合大功率的技术路线，从而从总体上提高的风能的利用效率。同时，由于大大降低了支撑结构的震动和噪音，可以将中、小型单机或由其组合成的组合式的风力发电机设置在楼顶上而不必占用更多的空间。

本发明还涉及组合风力光伏发电系统，由于可在固定支架上设置光伏电池，因此在无风或少风的白天，可以利用太阳能发电，以补充无风或风力小时电能的不足，使供电时间进一步延长。

附图说明：

图1是设置有本发明全永磁全悬浮风机轴承的风力发电机结构示意图；

图2是图1A-A剖面图；

图3是图1局部B放大后的受力分析图；

图4是具有优选斥推磁体组件结构的风力发电机结构示意图；

图5是本发明组合风力光伏发电系统的一个实施例示意图；

图6是本发明组合风力光伏发电系统设置有引风区的俯视示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1的立轴式风力发电机上设置有由斥推磁体组件11和拉推磁体组件12构成的全永磁全悬浮轴承，风力发电机包括风力机3、由上固定件41、下固定件42及其支撑柱43(图1中未画出)构成的固定支架、发电机2(图1未画出)或与传能装置相连的发电机2(图1未画出)，风力机3包括立轴式旋转体31，本实施例旋转体31由立轴式叶轮32和主轴33构成，还可以是其他形式的旋转体，比如只包含立轴式叶轮32的旋转体。

其中斥推磁体组件11设置于竖直的主轴33上，包括与主轴33同轴心，上下间隔一定距离设置的斥推上体和斥推下体，所述斥推上体和斥推下体均为同极性的环形永磁体，图1中显示均为N极，所述斥推上体由一中空环形永磁体111构成，所述斥推下体由一内环形永磁体112(或内圆柱永磁体112，当主轴未穿进斥推下体时，内环形永磁体112可以为与主轴同轴心的圆柱体)与间隔一定径向距离设置的一外环形永磁体113构成，所述斥推上体的中空环形永磁体111位于构成斥推下体的两个永磁体112、113的磁力有效作用范围内，且与永磁体112、113分别形成具有相反径向分量的斥推力，即斥推力F1具有的径向分量F12与斥推力F2具有的径向分量F22方向相反(见图3)。

优选地，见图4，所述斥推上体的中空环形永磁体111的内径小于斥推下体的内环形永磁体或内圆柱永磁体112的外径，当永磁体112为磁环时，中空环形永磁体111的内径大于内环形永磁体112的内径；中空环形永磁体111的外径大于外环形永磁体113的内径但小于其外径。这样结构的斥推磁体组件11具有更大的径向稳定性，可以在更大的风速下保持稳定，实现较大的功率。

构成全永磁全悬浮轴承的拉推磁体组件12由与立轴式风力机主轴33同轴心、具有轴向间距的拉推上体121和拉推下体122组成，拉推上体121和拉推下体122分别由两个或两个以上与主轴同轴心、在径向相邻设置且磁极沿径向交替分布的环形永磁体构成，且相同径向位置的上、下环形永磁体的大小相同、极性相反，并在两永磁体磁力的有效作用范围内，图1中拉推上体121、拉推下体122分别有三个紧邻设置的环形永磁体(其中中心的为小圆环形永磁体)，参见图2，拉推上体121的磁极由轴心向外依次为N、S、N，拉推下体122的磁极由轴心向外依次为S、N、S，拉推下体122直接或通过导磁体123与旋转体31上端固定连接，拉推上体121直接或通过导磁体与上固定件41固定连接；斥推磁体组件11以主轴33为轴心设置，其斥推上体直接或通过导磁体114与旋转体31的下端固定连接，其斥推下体直接或通过导磁体与一下固定件42固定连接。拉推磁体组件11和斥推磁体组件12的具体尺寸可以按照所需吸力和侧向推力具体计算。它们可以共同承担悬浮体的重量，以便增加负荷。本专利采用了一个拉推磁体组和一个斥推磁体组。

上固定件41和下固定件42上设置有限位结构，图1中的限位结构为可适当探入主轴33的两端头的凹坑，在设定风力强度内，主轴33与凹坑不接触，但当风力超过最大设计强度时，则主轴33与凹坑接触，起机械支撑作用。

本专利立轴式风力发电机采用上述全永磁全悬浮轴承，消除了风力机部分或全部摩擦，相对现有技术进一步降低了启动风速、提高了效率同时消除了振动噪音。

为了将旋转体31的动力引出，可以使主轴33穿过设置有通孔的下固定件42和/或导磁体，与发电机输入端转轴相连，也可以将旋转体31与传能装置相连，所述传能装置为柔动泵，采用柔动泵可以不将主轴33穿过下固定件42和/或导磁体，这样，内环形永磁体112可做内圆柱体，成为内圆柱永磁体112。这两种方式都可以轴向串联和横向并联，构成组合式风力发电系统，图5是后一种方式的组合。所述轴向串联的风力发电机可共用一个发电机。主轴33穿越斥推磁体组件11和拉推磁体组件12还具有形成一机械支撑起限位结构的作用，当风力超过设计最大载荷时，可以起到支撑作用。对于主轴33不穿越斥推磁体组件11和拉推磁体组件12的情形，也可以设置对主轴33上下端的限位结构，作为机械支撑，以防止风力过大超过全永磁全悬浮轴承的最大承载风力。固定支架上能被太阳照射的部位设置有太阳能光伏电池，使本发明成为组合风力光伏发电系统。

见图5，所述风力发电机在轴向串联和横向并联时所述支撑柱43为立柱，所述立柱为三或三个以上，且设置成一排或一列，构成立柱行，所述两个立柱间设置有两个或两个以上的用作上、下固定件41、42的横梁，两两横梁之间设置有所述全永磁全悬浮风机轴承及其支撑的主轴33及立轴式叶轮32，每一主轴33的一端与传能装置的输入端相连，所述传能装置为柔动泵，各柔动泵的输出端与一储能装置的输入端相连，所述储能装置的输出与液压发电机相连；或者所述主轴的一端穿过所述斥推磁体组件及其导磁体及作为下固定件的横梁，与发电机输入端转轴相连，所述立柱行为两行或两行以上，构成组合式固定支架，并组成组合式架式风力发电系统。两行相邻立柱行之间的立柱错开设置。由于本发明的组合式架式风力发电系统振动小，因此可以固定在加固楼的楼顶或山顶，特别是可以在组合式固定支架周围设置有引风区，见图6，引风区2为从外围较远处到组合式固定支架周围逐渐收缩的喇叭形通风区。在所述固定支架上能被太阳照射的部位设置太阳能光伏电池，则本发明构成组合风力光伏发电系统，在白天风小时以太阳能发电为主，夜晚风大则以风力发电为主要供电方式。组成组合风力光伏发电系统的中、小单机发电机由于采用了全永磁全悬浮轴承，因此微风就能启动发电，众多的发电机通过汇合形成大的动力，能满足一般高楼供电的需要。

Claims (10)

1、斥推磁体组件，设置于竖直的主轴上，其特征在于包括与主轴同轴心，上、下间隔一定距离设置的斥推上体和斥推下体，所述斥推上体和斥推下体均为同极性的环形永磁体，所述斥推上体由一中空环形永磁体构成，所述斥推下体由一内环形永磁体或内圆柱永磁体与间隔一定径向距离设置的一外环形永磁体构成；所述斥推上体的中空环形永磁体位于构成斥推下体的两个永磁体的磁力有效作用范围内，且与所述斥推下体的两个永磁体分别形成具有相反径向分量的斥推力。

2、根据权利要求1所述的斥推磁体组件，其特征在于所述斥推上体的中空环形永磁体的内径小于斥推下体的内环形永磁体或内圆柱永磁体的外径，当斥推下体的内环形永磁体时大于其内径，所述斥推上体的中空环形永磁体的外径大于所述斥推下体的外环形永磁体的内径但小于其外径。

3、采用权利要求1或2斥推磁体组件的全永磁全悬浮轴承，其特征在于包括立轴式风力机的旋转体上端设置的拉推磁体组件和所述旋转体下端设置的斥推磁体组件，所述旋转体包括主轴和/或叶轮，所述拉推磁体组件由与立轴式风力机主轴同轴心、具有轴向间距的拉推上体和拉推下体组成，所述拉推上体和拉推下体分别由两个或两个以上在径向相邻设置且磁极沿径向交替分布的环形永磁体构成，且相同径向位置的上、下环形永磁体的大小相同、极性相反，并在两永磁体磁力的有效作用范围内，所述拉推下体直接或通过导磁体与所述旋转体上端固定连接，所述拉推上体直接或通过导磁体与上固定件固定连接；所述斥推磁体组件以主轴为轴心设置，其斥推上体直接或通过导磁体与所述旋转体的下端固定连接，斥推下体直接或通过导磁体与一下固定件固定连接。

4、根据权利要求3所述的全永磁全悬浮轴承，其特征在于所述上固定件和下固定件和/或导磁体上设置有限位结构。

5、采用权利要求3或4的全永磁全悬浮轴承的风力发电机，包括风力机、由上固定件、下固定件及其支撑柱构成的固定支架、发电机或与传能装置相连的发电机，所述风力机包括旋转体，其特征在于还包括与风力机旋转体和固定支架相连的所述全永磁全悬浮轴承。

6、采用权利要求5所述风力发电机的组合式风力发电系统，所述风力发电机在轴向串联和/或横向并联。

7、根据权利要求6所述的组合式风力发电系统，其特征在于所述风力发电机在轴向串联和横向并联时所述支撑柱为立柱，所述立柱为三或三个以上，且设置成一排或一列，构成立柱行，所述两个立柱间设置有两个或两个以上的用作上、下固定件的横梁，两两横梁之间设置有所述全永磁全悬浮风机轴承及其支撑的主轴及立轴式叶轮，每一主轴的一端与传能装置的输入端相连，所述传能装置为柔动泵，所述各柔动泵的输出端与一储能装置的输入端相连，所述储能装置的输出与液压发电机相连；或者所述主轴的一端穿过所述斥推磁体组件及其导磁体及作为下固定件的横梁，与发电机输入端转轴相连，所述轴向串联的风力发电机可共用一个发电机。

8、根据权利要求7所述的组合式风力发电系统，其特征在于所述立柱行为两行或两行以上，构成组合式固定支架，并组成组合式架式风力发电系统，两行相邻立柱行之间的立柱错开设置。

9、根据权利要求8所述的组合式风力发电系统，其特征在于所述组合式固定支架周围设置有引风区，所述引风区为从外围较远处到组合式固定支架周围逐渐收缩的喇叭形通风区。

10、采用权利要求6-9之一组合式风力发电系统的组合风力光伏发电系统，在所述固定支架上能被太阳照射的部位设置有太阳能光伏电池。

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