CN101701573B - 一种水平轴磁悬浮风力发电机 - Google Patents

一种水平轴磁悬浮风力发电机 Download PDF

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Abstract

一种水平轴磁悬浮风力发电机,包括静止部分和转动部分,静止部分包括:径向磁轴承定子部分、轴向磁轴承定子部分、发电机定子部分、前保护轴承、后保护轴承、定子外壳和风机塔架;转动部分包括:风叶、轮毂、转轴、径向磁轴承转子部分、轴向磁轴承转子部分和发电机转子部分;轴向磁轴承由永磁体构成,无需控制系统,径向磁轴承为永磁偏置磁轴承,永磁体提供偏置磁密,由电流调节控制力;风机转子实现五自由度稳定悬浮,可完全消除转动部分与静止部分的机械摩擦,降低风机的起动阻力矩和起动风速,提高风能利用率。本发明各个组件布局合理、紧凑,可减少风机的维护量和延长使用寿命。

Description

一种水平轴磁悬浮风力发电机
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮风力发电机,尤其是一种水平轴磁悬浮风力发电机,用于将风能转化为电能。
背景技术
风能在地球上分布广泛,可利用价值高,对其开发利用对环境无污染,从而各种各样的风力发电机得到蓬勃发展,常见的风力发电机一般采用机械轴承支承转子系统,风机运行时转动部分与非转动部分存在较严重的摩擦和磨损,严重影响着风机的起动风速和风能转换效率,为了能充分利用风力资源,降低风力发电机的起动风速,采用磁悬浮技术消除重力的影响,减小机械摩擦和磨损,中国发明专利ZL200610011434.7《全永磁悬浮风力发电机》所公开的技术是:对于水平轴风力发电机,转子系统由机械轴承支承,永磁悬浮偏置轴承来抵消转子重力,发明只是在一定程度上减弱了转子重力对机械轴承的影响,但风机仍处于低摩擦运行状态,并没有从根本上消除转动部分与非转动部分的机械摩擦问题,不能大幅度降低风机的起动风速。武汉理工大学对小型的磁悬浮风机进行了研究,在径向上采用永磁被动磁轴承,轴向上采用一个小钢球来进行辅助支承,完成风机转子在轴向上的机械约束,但此时风机转子在轴向上仍然存在机械接触,且整个系统无控制系统,系统的稳定性和抗干扰能力较差。美国发明专利US7,391,128B2《Windgenerator system using attractive magnetic forces to reduce the load on thebearings》给出的技术方案为风力发电机转轴由齿轮箱连结,两段转子分别由径向磁轴承和轴向磁轴承,且均采用全主动形式,转轴实现分段悬浮,系统中虽无机械轴承,但由于风机系统中存在齿轮箱,仍然存在机械接触,并没有实现整个转子系统的完全悬浮,且带齿轮的转轴,磁轴承的控制系统设计较复杂。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的缺陷,提供一种磁悬浮风力发电机,采用主被动结合的磁轴承系统,转动部分与非转动部分是完全分离开的,实现了转子五自由度悬浮和低功耗稳定运行,完全消除机械摩擦和磨损,有效降低风机的起动风速,提高风能利用率。
本发明的技术解决方案是:一种水平轴磁悬浮风力发电机,由静止部分和转动部分组成,其特征在于:静止部分包括:径向磁轴承定子、轴向磁轴承定子、前保护轴承、后保护轴承、发电机定子、定子外壳和风机塔架;转动部分包括:风叶、轮毂、径向磁轴承转子、轴向磁轴承转子、发电机转子和转轴;沿转轴方向安装有风叶、前保护轴承、前径向磁轴承、前轴向磁轴承、发电机、后轴向磁轴承、后径向磁轴承、后保护轴承;其中风叶安装在轮毂上,轮毂与转轴固连;前保护轴承和后保护轴承安装在风机外壳上;风机转轴在与前、后保护轴承配合的位置上有凹槽,风机转轴的前端与前保护轴承在径向上形成径向保护间隙,在轴向上形成轴向保护间隙;风机转轴的后端与后保护轴承在径向上形成径向保护间隙,在轴向上形成轴向保护间隙;其径向内侧转轴位置有凹槽,在径向方向上形成径向保护间隙,在轴向上形成轴向保护间隙;轴向磁轴承定子和轴向磁轴承转子由永磁体环组成。径向磁轴承定子安装在风机外壳上,其径向内侧为径向磁轴承转子,径向磁轴承定子和径向磁轴承转子配合形成径向磁轴承工作间隙;轴向磁轴承定子安装在风机外壳上,其径向内侧为轴向磁轴承转子,轴向磁轴承定子和轴向磁轴承转子配合形成轴向磁轴承工作间隙;发电机定子安装在风机外壳上,其径向内侧为发电机转子,发电机定子和发电机转子配合形成发电机工作间隙;风机外壳固定在风机塔架上,塔架通过固定装置固定在地面上。
所述的轴向磁轴承的定子和转子由单环或多环不同充磁方向的永磁体构成,完成风机转子的轴向平动自由度的稳定。所述的径向磁轴承采用永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承,完成风机转子系统的径向平动和扭动自由度的控制,工作间隙取值范围为0.6mm~1mm之间。所述的风机径向保护间隙和轴向保护间隙小于径向磁轴承和轴向磁轴承的工作间隙,为0.2mm~0.4mm。所述的轴向磁轴承的永磁体环数为3~7,所述的轴向磁轴承的定子的永磁环和转子的永磁环在轴向上的间距为2mm~5mm,在径向上的工作间隙为3mm~5mm。
本发明的原理是:当风吹向风叶时,风叶带动风机转轴转动,转轴带动与之固连的发电机转子旋转,从而带动发电机发电;当风吹响风叶时,风叶会受到力的作用,风机通过径向磁轴承和轴向磁轴承的支承作用来实现风机转子系统的稳定悬浮,当吹向风叶的风速变化时,风机转轴受到力的大小发生变化,这时在径向上通过调节径向磁轴承的控制电流来实现风机转子的稳定悬浮,轴向上轴向被动磁轴承通过自身的位移正刚度实现转子在轴向上稳定悬浮,从而保证风机正常运行;其中径向磁轴承完成风机转子径向平动和转动自由度的稳定控制,轴向磁轴承完成风机转子轴向平动自由度的稳定控制,从而实现风机转子五自由度的稳定悬浮控制,保证风机转动部分与非转动部分始终保持有一定的工作间隙,而使转子与定子不至发生相撞,保证风机正常运行,从而实现风能向电能的稳定转化输出。
所述的轴向磁轴承的工作原理为,如图2所示为风机用单环轴向被动磁轴承的截面图,当转子系统在轴向存在偏移量Δz>0时,右边被动磁轴承II的静磁环621对动磁环622的斥力大于左侧被动磁轴承I静磁环611对动磁环612的斥力,因此转子受到沿Z轴负向的合力,致使转子回到平衡位置。
本发明与现有技术相比的优点在于:本发明所设计的磁悬浮风力发电机实现五自由度全悬浮,转动部分与静止部分无任何机械接触。与现有的机械轴承风机相比,维护量小,可完全消除机械摩擦和磨损,延长风机使用寿命和提高工作效率。本发明磁轴承轴向采永磁被动磁轴承,径向采用主动控制磁轴承,采用主被动结合的磁轴承方案,与现有技术相比可减少控制系统个数和系统复杂度,真正实现风机转子的全悬浮运行。轴向磁轴承采用单环或多环轴向被动磁轴承,不消耗功率,使系统的功耗降到最低,且不会给径向磁轴承带来很大的附加载荷,利于整个磁轴承系统的稳定,并减小了磁轴承系统的控制难度,降低系统的功耗。同时,径向采用永磁偏置、主动控制的混合式磁轴承,以实现对风机转子径向自由度的稳定控制,且功耗较低,与单环或多环轴向被动磁轴承结合,实现功耗最小的磁轴承系统组合方案。
附图说明
图1为本发明的一种水平轴磁悬浮风力发电机结构简图;
图2为本发明的单环轴向被动磁轴承系统图;
图3为本发明的一种多环轴向被动磁轴承系统图;
图4a为本发明的径向磁轴承的剖面图,图4b为本发明的径向磁轴承的端面图。
具体实施方式
如图1所示,一种水平轴磁悬浮风力发电机,由静止部分和转动部分组成,其特征在于:静止部分包括:径向磁轴承定子511和521、轴向磁轴承定子611和621、前保护轴承8、后保护轴承9、发电机定子71、定子外壳10和风机塔架3;转动部分包括:风叶1、轮毂2、径向磁轴承转子512和522、轴向磁轴承转子612和622、发电机转子72和转轴4;沿转轴方向安装有风叶1、前保护轴承8、前径向磁轴承51、前轴向磁轴承61、发电机7、后轴向磁轴承62、后径向磁轴承52、后保护轴承9;其中风叶1安装在轮毂2上,轮毂2与转轴4固连;前保护轴承8和后保护轴承9安装在风机外壳10上;风机转轴4在与前保护轴承8和后保护轴承9配合的位置上有凹槽,前端与前保护轴承8在径向上形成径向保护间隙,在轴向上形成轴向保护间隙;后端与后保护轴承9在径向上形成径向保护间隙,在轴向上形成轴向保护间隙;其径向内侧转轴4位置有凹槽,在径向方向上形成径向保护间隙,在轴向上形成轴向保护间隙;径向磁轴承定子511、521安装在风机外壳10上,其径向内侧为径向磁轴承转子512、522,定转子配合形成径向磁轴承工作间隙;轴向磁轴承定子611、621安装在风机外壳10上,其径向内侧为轴向磁轴承转子612、622,定转子配合形成轴向磁轴承工作间隙;发电机定子71安装在风机外壳10上,其径向内侧为发电机转子72,两者配合形成发电机工作间隙;风机外壳10固定在风机塔架3上,塔架3通过固定装置固定在地面上。
图2所示为本发明的单环轴向被动磁轴承的结构简图,磁轴承由两组相对放置的轴向被动磁轴承单元I和轴向被动磁轴承单元II组成,轴向被动磁轴承单元I由静磁环611和动磁环612构成,静磁环611和动磁环612为同心锥形磁环,高度H相同,本实施例中取H=20mm,斜角α=45°,充磁方向为轴向充磁,静磁环611和动磁环612之间存在一定的轴向间距g0,轴向被动磁轴承单元II与单元I的组成相同,g0取值为2mm~5mm时两组相对放置的单环被动磁轴承单元即可按图2中所示的配置方式构成稳定的单环轴向被动磁轴承系统,本实施例中g0=3mm。动静磁环在径向上的工作间隙范围为3mm~5mm,本实施例中取为3.5mm。如图2中所示,动磁环621和动磁环622与转轴4固连,是风机转子系统的一部分,在风机系统中单环被动磁轴承单元I和单环被动磁轴承单元II分别安装在发电机7的两侧构成单环轴向被动磁轴承系统,完成风机转子轴向平动的稳定控制。
图3为本发明所采用的一种多环轴向被动磁轴承,此多环轴向被动磁轴承由两组相对放置的多环被动磁轴承单元I和多环被动磁轴承单元II组成,多环被动磁轴承单元由静磁环组611和动磁环组612构成,静磁环组611和动磁环组612由n块同心锥形磁环构成,每块磁环高度为h,轴承动静磁环组总的高度H相同,永磁体环数为3~7时可使轴承刚度达到最大,本实施例中取n=3,h=5mm,H=15mm。永磁体的斜角α=45°,充磁方向为轴向交替充磁,轴承的静磁环组611和动磁环组612之间存在一定的轴向间距g0,轴向被动磁轴承单元II与单元I的组成相同,g0取值为2mm~5mm时两组相对放置的多环被动磁轴承单元即可按图3中所示的配置方式构成稳定的多环轴向被动磁轴承系统,本例中g0=3mm。动静磁环在径向上的工作间隙范围为3mm~5mm,本实施例中取为3.5mm。如图3中所示,动磁环组621和动磁环组622与转轴4固连,是风机转子系统的一部分,在风机系统中多环被动磁轴承单元I和多环被动磁轴承单元II分别安装在发电机7的两侧构成多环轴向被动磁轴承系统,完成风机转子轴向平动的稳定控制。此轴向磁轴承系统具有大承载力和高刚度特性,充分利用永磁材料,从而减小磁轴承系统的体积重量。
图4为本发明用的永磁偏置、电磁控制的主动式径向磁轴承的轴向剖面图和端面图,其中(a)为轴向剖面图,(b)为端面图,该径向磁轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式径向磁轴承,完成风机转子两个径向平动自由度的控制,该径向磁轴承主要由永磁体5114、定子导磁环5113、径向磁轴承定子铁芯5111、径向磁轴承转子铁芯5121、转子导磁环5122、空气隙5115和径向磁轴承激磁线圈5112组成,径向磁轴承的4个定子磁极分别沿x和y轴放置,转子铁芯5121和转子导磁环5122构成径向磁轴承的转子部分5121,转子导磁环5122与风机转轴4固连,是风机转子的一部分;径向磁轴承的永磁体嵌装在定子导磁环5113中间,为径向磁轴承提供偏置磁场,径向磁轴承激磁线圈5112套装在定子铁芯5111上,与定子导磁环5113、永磁体5114共同组成了径向磁轴承的定子部分,转子导磁环5122和转子铁芯5121组成了径向磁轴承的转子部分。径向磁轴承应用在风机系统中,空气隙5115的取值范围在0.5mm~1mm之间,本实施例中径向磁间隙取0.5mm,两组径向永磁偏置磁轴承安装在轴向磁轴承的两侧。为了保证风机在起动和停转时风机转子不与定子发生相碰且不影响风机正常的运行,保护间隙应比磁轴承的磁间隙小,气隙范围为0.2mm~0.4mm,本实施例中取0.2mm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种水平轴磁悬浮风力发电机,由静止部分和转动部分组成,其特征在于:静止部分包括:径向磁轴承定子(511、521)、轴向磁轴承定子(611、621)、前保护轴承(8)、后保护轴承(9)、发电机定子(71)、定子外壳(10)和风机塔架(3);转动部分包括:风叶(1)、轮毂(2)、径向磁轴承转子(512、522)、轴向磁轴承转子(612、622)、发电机转子(72)和转轴(4);沿转轴方向安装有风叶(1)、前保护轴承(8)、前径向磁轴承(51)、前轴向磁轴承(61)、发电机(7)、后轴向磁轴承(62)、后径向磁轴承(52)、后保护轴承(9);其中风叶(1)安装在轮毂(2)上,轮毂(2)与转轴(4)固连;前保护轴承(8)和后保护轴承(9)安装在风机外壳(10)上;风机转轴(4)在与前保护轴承(8)和后保护轴承(9)配合的位置上有凹槽,风机转轴(4)的前端与前保护轴承(8)在径向上形成径向保护间隙,在轴向上形成轴向保护间隙;风机转轴(4)的后端与后保护轴承(9)在径向上形成径向保护间隙,在轴向上形成轴向保护间隙;径向磁轴承定子(511、521)安装在风机外壳(10)上,其径向内侧为径向磁轴承转子(512、522),径向磁轴承定子(511、521)和径向磁轴承转子(512、522)配合在径向上形成径向磁轴承工作间隙;轴向磁轴承定子(611、621)安装在风机外壳(10)上,其径向内侧为轴向磁轴承转子(612、622),轴向磁轴承定子(611、621)和轴向磁轴承转子(612、622)配合在轴向上形成轴向磁轴承工作间隙,发电机定子(71)安装在风机外壳(10)上,其径向内侧为发电机转子(72),发电机定子(71)和发电机转子(72)配合在径向上形成发电机工作间隙;风机外壳(10)固定在风机塔架(3)上,塔架(3)通过固定装置固定在地面上。
2.根据权利要求1所述的水平轴磁悬浮风力发电机,其特征在于:轴向磁轴承(6)的定子(611、621)和轴向磁轴承转子(612、622)由单环或多环不同充磁方向的永磁体构成,完成风机转子的轴向平动自由度的稳定。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮风力发电机,其特征在于:轴向磁轴承(6)的永磁体环数为3~7。
4.根据权利要求2所述的磁悬浮风力发电机,其特征在于:轴向磁轴承(6)的定子(611、621)永磁体环和转子(612、622)永磁体环在轴向上的间距为2mm~5mm。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮风力发电机,其特征在于:轴向磁轴承(6)的定子(611、621)永磁体环和转子(612、622)永磁体环在径向上的工作间隙为3mm~5mm。
6.根据权利要求1所述的水平轴磁悬浮风力发电机,其特征在于:径向磁轴承(5)采用永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承,径向磁轴承工作间隙取值范围为0.5mm~1mm之间。
7.根据权利要求1所述的磁悬浮风力发电机,其特征在于:前保护轴承(8)和后保护轴承(9)与转轴形成的径向保护间隙小于径向磁轴承(5)的径向磁轴承工作间隙,形成的轴向保护间隙小于轴向磁轴承(6)的轴向磁轴承工作间隙,径向保护间隙和轴向保护间隙取值范围为0.2mm~0.4mm。
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