CN101656444B - 自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，属于新能源技术领域，包括：端盖1、13，动盘2、永磁体3、轴承4、主轴5、静盘10、以及控制盒17为主要部件构成；特征是：发电机中设有内通风冷却装置、自动调速系统，应用单片机微型计算机技术，克服了发电机运行时所产生的内部散热问题，低风速下难以发电或高风速中发电效率低、输出不稳定等问题，确保了发电机的运行安全；同时，采用了永磁叠加的设计新思路和大口径钢管制作主轴的新方法，大幅度缩小和减轻了发电机的重量和体积，降低了制造成本，而且发电效率高，输出功率稳定、安全可靠、使用寿命长、适用范围广阔。

Description

自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机

技术领域

本发明涉及一种自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，属于新能源技术领域，特别涉及一种风力发电设备中的发电机。

背景技术

在现有技术中，垂直轴型永磁风力发电机，转子主轴一般都用圆钢实体制成，通过端盖中的轴承支承，与定子壳体封闭式装配，由发电机壳体散热，存在着因发电机内部温升过热，制约发电能力和造成永磁体逐渐退磁老化的缺陷。

其二，在实际生活中，自然界的风速始终处于不断变化之中，由于风能与风速的立方成正比，当风速从13米/秒增加到25米/秒时，风能则增加了超过7倍之多，如果发电机设计的额定风速较高，则在低风速时效率就降低或发不出电，如果发电机设计的额定风速较低，则体积大，成本高，高风速时效率却降低。针对上述问题，目前，许多发明家几乎都在风轮和风叶上出主意，例如使用变速箱、减速器、液压或杠杆装置来恒定风轮转速，同时也增加了风力发电机的成本和复杂度，产生了新的缺陷和不足。如何克服上述不足，又能降低成本，提高风能利用率和使用寿命，是本发明追求的唯一目标。

发明内容

针对上述问题和缺陷，本发明从改变风力发电机的主机结构入手，增设内通风冷却装置，以及采用霍尔元件、温度传感器、单片机微型计算机技术，自动监控转速和调节，稳定输出功率等手段，结合现有的永磁叠加技术和风轮技术来克服。

技术方案：

一种自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，包括：主要采用永磁3，嵌装固定在动盘2内，静盘10套装在主轴5上，由端盖1和下端盖13中的轴承4支承，端盖上设有凹槽或凸槽，凹槽与动盘2的凸槽卡接，螺栓12将端盖固定在动盘2上，静盘10内嵌装线圈11，线圈接线端与导线9连接，穿过管路接至控制盒17组成；特征是：发电机内设有内通风冷却装置和自动调速系统；所说内通风冷却装置由：设在下端盖13上的进风孔6、主轴上的出风孔8、主轴中的风道7构成；空气由进风孔6进入发电机内部动盘与静盘之间隙，经出风孔8、风道7，从内部带走热量，以克服发电机运行时所产生的温升过热，制约发电能力和造成的退磁老化问题，提高了发电机的发电效率和使用寿命。

上述所说自动调速系统，由：嵌装在静盘10上的霍尔元件14、温度传感器15、线圈11、以及控制盒17中的单片机系统、为主要元件组成，线圈11是，可串、并联连接的绕组或可三相星形/三角形连接的绕组或者可双速或三速连接的绕组；当动盘2旋转，霍尔元件14从永磁体3中感应霍尔信号，通过信号线16传递给控制盒17的单片机系统，经过运算处理、功率放大以后，发出指令，由接触器执行自动切换上述线圈绕组的接线方式，使之与外界风速相匹配，从而调节、控制和稳定发电机的输出功率。

实践中，交流发电机的转速与磁极数成反比，当磁极数确定以后，发电机的转速与输出电压、频率成正比；因此，可以使用改变磁场极数的接线法或改变输出电压的接线法，来实现发电机与风轮的转速相匹配，所以，单相发电机线圈9可用绕组串、并联的接线方法；三相发电机则用星形/三角形转换的接线方法解决，提高发电效益。

例如，当发电机在20极，300转/分时，线圈11的绕组是串联连接，正常发电，由于外界风速增强，转速超过600转/分以上时，自动跟踪调速装置就发出指令，控制盒17自动控制执行切换，通过接触器将线圈11中的绕组连接方式切换成并联的接线方法进行匹配，使发电机在自然风速环境中的适用宽度提高一倍以上。

当发电机在运行状态时，霍尔元件12检测到的信号，经控制盒17内的单片机系统，运算处理以后，确定是低风速区范围时，接触器自动调节成星形接法，使3路线圈绕组在低风速范围内运行发电；当霍尔检测信号为高风速区范围时，接触器自动切换成三角形接法，使3路线圈绕组在较高风速范围内运行发电；当霍尔检测信号为无风，风轮不能启动时，接触器自动接通助动风机，瞬间推动风轮旋转，助动风轮启动；当霍尔检测信号为超高速危险信号时，自动关断发电机电路，切换成蓄电池供电或与之连接的逆变器供电，确保运行安全。

上述所说主轴5，由大口径钢管制成，长度可根据配置的风轮高度套接加长，直径至少是主机外壳直径的四分之一，选择比例在1∶0.25～0.6的范围，有利于扩展通风量和缩短转子与定子之间的直径距离，提高动态平衡、减轻重量、降低成本、快速散热，改善通风和发电能力。

上述所说静盘10为1片或1+1n片，由无磁材料制成，中心开孔，固定在主轴5上；圆面积内设置线圈11，所说线圈为若干只无铁心绕组，由高强度漆包线绕制成圆形片状，绕组数量：单相发电机至少为20只或20+4n只，三相发电机至少为36只或36+6n只，组成圆圈排列，按度数均匀分布在静盘10内，线圈按预先设定的磁极数连接，导线9穿过管路引出机外，便于与控制盒17连接；具体可根据发电机的功率大小、转速要求以及静盘的实用圆面积的大小设计而定。

上述所说动盘2，为2片或2+1n片，由无磁金属材料制成，内壁铠装永磁体，所说永磁体3为釹铁硼或钐钴或铝镍钴，形状有圆柱体或方块体或六角体，按照S极N极的顺序排列成圆圈，须与静盘11内的线圈统一对称，并列装置在静盘上下两侧，通过螺栓12与端盖固定。

上述所说静盘11与动盘2之间平面相对距离的空隙范围为0.2～2MM，由主轴5中凸起的轴挡作为靠山定位限制；空隙距离的大小根据发电机功率大小和动、静盘的面积大小，以及加工精度而定，加工的精密度越高，空隙越小则越利于提高发电机的输出效率。

上述所说温度传感器15，为1只或每片静盘装1只，采集到的温升信息由信号线16传递给控制盒17内的单片机系统，自动检测线圈和主机温升，若出现异常时，则自动存储记录、显示报警、直至关闭该片绕组的输出电路，以确保发电机的运行安全。

上述所说控制盒17内设有单片机系统、功率放大电路、自动充电电路、以及接触器、显示电路为主要元件组成的普通自动控制电路，附设锂电池、超级电容蓄电池以克服电解式蓄电池使用寿命短的缺陷；制作较大功率的发电机可增设蓄电池组、逆变器，并另设电控箱，便于扩展和控制较大功率发电机的正常运转；由于应用了单片机技术，对于今后扩展功能十分方便。

所述静盘10和动盘2，可以用叠加组合的方法装配：在每片静盘10和动盘2上，根据功率需要，设置成1圈磁钢体3和线圈11，或者1+1n圈磁钢体3和线圈11，以增加每1片的输出功率，然后，将至少1+1n只静盘10和2+1n动盘2，按顺序装置在主轴5上，线圈导线9和信号线16穿过管路分别引出，可扩大发电机的输出功率，制造出功率级别较大体积较小的新型发电机。

上述所说静盘10和动盘2，可以用叠加组合的方法装配：在每片静盘10和动盘2上，根据功率需要，统一设置成1圈永磁体和线圈，或者1+1n圈永磁体和线圈，以增加每1片的输出功率，然后，将至少1+1n只静盘和2+1n动盘，按顺序装置在主轴5和端盖上，导线9和信号线16穿过管路分别引出，与控制盒17连接，可扩大发电机的输出功率，制造出功率级别较大体积较小的新型发电机。

上述所说自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，只要将设置在动盘和静盘内的元件相互更换，就可以方便地制成主轴5旋转的内转子自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机；该技术方案为：

一种内转子自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，包括：主要采用永磁体3，分别嵌装固定在动盘2内，动盘套装在主轴5上，由端盖1和下端盖13中的轴承4支承，螺栓12将端盖固定在静盘10上，静盘内嵌装线圈11、霍尔元件14、温度传感器15、导线9和信号线16穿过管路与控制盒17连接组成。

上述所说内转子自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，增加了发电机的品种和使用范围，在风力发电机以外的领域中也可以使用，用途十分广泛。

本设计所述的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机与众不同之处在于：1.发电机内部设有内通风冷却装置，克服了发电机运行时所产生的散热问题，解决了永磁体因过热造成的退磁老化问题，提高了发电能力和使用寿命。2.设置了自动调速系统，采用霍尔元件、温度传感器、单片机微型计算机技术，自动监控和调节转速，稳定输出功率等手段，克服了风力发电机在低风速下难以启动或高风速中发电效率低、输出不稳定、噪音大等现实问题，确保了发电机的运行安全。3.采用了磁场叠加的设计新思路和大口径钢管制作主轴的新方法，大大地缩小和减轻了发电机的重量和体积，大幅度地降低了制造成本，根据上述发明优点，自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机这一新能源项目，得以全面推广，进一步造福人类，将之成为现实。

本发明的有益效果是：结构简单、部件少、耗材小、重量轻、体积小、成本低、可以叠加装配、制作工艺简单、易于流水线大批量生产、无铁心、无电刷、无噪音、无励磁绕组、无静摩擦力矩、效率高，输出功率稳定、运行安全、使用寿命长、适用范围广阔。

附图说明

附图1，一种自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机的结构原理剖示图。

附图2，一种内转子自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机的结构原理剖示图。

附图3，一种外转子静盘俯视图。

附图4，一种外转子静盘剖视图。

附图5，一种外转子动盘俯视图。

附图6，一种外转子动盘剖视图。

附图7，一种内转子动盘俯视图。

附图8，一种内转子静盘俯视图。

具体实施方式

以下实施例并不构成对本发明保护范围的任何限制。

附图：1～8中：1、13.端盖，2.动盘，3.永磁体，4.轴承，5.主轴，6.进风孔，7.风道，8.通风孔，9.导线，10.静盘，11.线圈，12.螺栓，14.霍尔元件，15.温度传感器，16.信号线，17控制盒。

实施例：附图1所示，一种自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机的结构原理剖示图。作为优选，磁钢体3，采用钕铁硼磁钢，分别嵌装固定在动盘2内，静盘10套装在主轴5上，由端盖1和13中的轴承4支承，端盖上设有凹槽或凸槽，凹槽与动盘2的凸圈卡接，螺栓12将端盖固定在动盘2上，静盘10内嵌装线圈11、霍尔元件14，温度传感器15，线圈导线9和信号线16穿过管路与控制盒17以及负载电路连接组成。

实施例：附图2所示，一种内转子自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机的结构原理剖示图。作为优选，永磁体3，采用钕铁硼磁钢，分别嵌装固定在动盘2内，动盘2套装在主轴5上，由端盖1和下端盖11中的轴承4支承，端盖上设有凹槽或凸槽，凹槽与静盘10的凸槽卡接，螺栓12将端盖固定在静盘10上，静盘内嵌装线圈11、霍尔元件14，温度传感器15，导线9和信号线16穿过管路与控制盒17连接。

实施例：附图3和图4所示，一种外转子静盘俯视图和一种外转子动盘剖视图。作为优选，静盘10由不锈钢或电木制成，内部设有线圈11，中心开圆孔，固定在主轴5上，作为优选，本实施例，设定为20极，线圈绕组分2圈排列，每圈20只，分成2组，由高强度漆包线绕制成圆形片状的无铁心线圈，线圈按尾-尾，头-头的顺序反串连接，然后并联成①②和③④两组引出，导线7，穿过管路与控制盒15连接，接受霍尔信号指领控制，当风轮转速在，300转/分低风速区时，②和③串联，①输出④；当风轮转速在，600转/分中风速区时，①和③，②和④并联连接输出，作为串、并联的方法自动切换。

实施例：如附图5、图6所示，，一种外转子动盘俯视图和一种外转子动盘剖视图。作为优选，动盘2由不锈钢制成，内壁铠装永磁体3，永磁体为釹铁硼，按照S极N极的顺序排列成2圆圈，每片与静盘10内的线圈统一对称，并列装配在静盘的上下两侧，磁场通过静盘线圈构成顺磁通回路。

实施例：主轴5，由大口径不锈钢管制成，作为优选，直径设定为发电机外壳直径的五分之二，并设有作为动盘安装靠山的定位档、轴承档、导线管路、以及出风道8。

实施例：参照附图7、附图8所示，一种内转子动盘俯视图和一种内转子静盘俯视图。作为优选，设定为12极，额定转速500/分。由不锈钢材料制成，内壁分别铠装釹铁硼永磁体3和线圈11，线圈11为36只，分3组，每组12只，按照图8中A组的顺序排列连接，引出的导线为A、B、C、a、b、c，穿过管路与控制盒17连接，接受霍尔信号指领控制，当风轮转速为500转/分、低风速区时，星形连接并输出，到1000转/分、高风速区时，自动切换成三角形连接并输出。

综上所述，本发明的特征和优点是显而易见的，可以更新目前还在普遍使用的效率低，耗材大的发电机产品，具有巨大的经济效益和市场潜力。

根据上述实施例和工作原理，有些聪明的制造商稍微改变或试图减少某一另件而制造的雷同产品，也属于本发明的保护范畴之例。

Claims (8)

1.一种自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，主要采用永磁体(3)，嵌装在动盘(2)内，静盘(10)套装在主轴(5)上，由端盖(1)和下端盖(13)中的轴承(4)支承，螺栓(12)将端盖固定在动盘上，静盘(10)内嵌装线圈(11)，线圈接线端与导线(9)连接，导线(9)穿过管路接至控制盒(17)；特征是：发电机内设有内通风冷却装置和自动调速系统；所说内通风冷却装置由：设在下端盖(13)上的进风孔(6)、主轴上的出风孔(8)、主轴中的风道(7)构成，空气由进风孔(6)进入发电机内部动盘与静盘之间隙、出风孔(8)、风道(7)，从内部带走热量；所说自动调速系统，主要由：嵌装在静盘(10)上的霍尔元件(14)、温度传感器(15)、线圈(11)、以及控制盒(17)中的单片机系统组成，线圈(11)是，可串、并联连接的绕组或可三相星形/三角形连接的绕组；当动盘(2)旋转，霍尔元件(14)从永磁体(3)中感应霍尔信号，通过信号线(16)传递给控制盒(17)的单片机系统，经过运算处理、功率放大以后，发出指令，由接触器执行自动切换上述线圈绕组的接线方式，使之与外界风速相匹配。

2.根据权利要求1所述的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，特征是：所说主轴(5)，由钢管制成，长度可根据配置的风轮高度套接加长，直径至少是主机外壳直径的四分之一，选择比例在1∶0.25～0.6的范围。

3.根据权利要求1所述的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，特征是：所说静盘(10)为1片或1+1n片，其中n为自然数，由无磁材料制成，中心开孔，固定在主轴(5)上；静盘圆面积内设置线圈(11)，所说线圈为若干只无铁心绕组，由高强度漆包线绕制成圆形片状，绕组数量：单相发电机为20只或20+4n只，三相发电机为36只或36+6n只，组成圆圈排列，按度数均匀分布在静盘(10)内，按预先设定的磁极数连接，导线(9)穿过管路引出机外。

4.根据权利要求1所述的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，特征是：所说动盘(2)，为2片或2+1n片，其中n为自然数，由无磁、金属材料制成，内壁铠装永磁体，所说永磁体(3)为釹铁硼或钐钴或铝镍钴，形状有圆柱体或方块体或六角体，按照S极N极的顺序排列成圆圈，须与静盘(10)内的线圈统一对称，并列装置在静盘上下两侧。

5.根据权利要求1所述的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，特征是：所说静盘(10)与动盘(2)之间平面相对距离的空隙范围为0.2～2MM，空隙距离的大小根据发电机功率大小和动、静盘的面积大小，以及加工精度而定，加工的精密度越高，空隙越小则越利于提高发电机的输出效率。

6.根据权利要求1所述的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，特征是：所说温度传感器(15)，为1只或每片静盘装1只，采集到的温升信息由信号线(16)传递给控制盒(17)内的单片机系统，自动检测线圈和主机温升，若出现异常时，则自动存储记录、显示报警、直至关闭该片绕组的输出电路，以确保发电机的运行安全。

7.根据权利要求1所述的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，特征是：上述所说控制盒(17)内设有自动控制电路，该自动控制电路主要由：单片机系统、功率放大电路、自动充电电路、以及接触器、显示电路组成，附设锂电池、超级电容蓄电池或蓄电池组、逆变器，并另设电控箱。

8.根据权利要求1所述的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，特征是：所说自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，只要将设置在动盘和静盘内的元件相互更换，就可以方便地制成主轴(5)旋转的自动调速内通风垂直轴永磁风力发电机，该技术方案为：主要采用永磁体(3)，分别嵌装在动盘(2)内，动盘套装在主轴(5)上，由端盖(1)和下端盖(13)中的轴承(4)支承，螺栓(12)将端盖固定在静盘(10)上，静盘内嵌装线圈(11)、霍尔元件(14)、温度传感器(15)、由导线(9)连接线圈(11)，信号线(16)连接霍尔元件(14)、温度传感器(15)，导线(9)和信号线(16)穿过管路与控制盒(17)连接。

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