CN101709690B - 垂直轴恒速风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直轴恒速风力发电机，属于新能源风力发电机技术领域，包括：N个静盘、N+1个动盘、主轴、端盖、永磁体、线圈、霍尔元件、恒速驱动盘为主要部件组成；特征是：发电机中设置由：矽钢片铁芯、绕组、导磁体铁芯、霍尔元件、构成的恒速驱动装置；克服了风力发电机在低风速下难以启动，高风速中发电效率低、输出不稳定、噪音大等问题，确保了发电机的安全运行；同时，采用了永磁叠加的设计思路和计算机自动控制恒速驱动装置以及大口径钢管制作主轴的方法，缩小和减轻了发电机的重量和体积，减少了风力发电机的部件，降低了制造成本，提高了发电效率，具有输出稳定、运行安全、使用寿命长、体积小、无噪音、适用范围广的优点。

Description

垂直轴恒速风力发电机
技术领域
本发明涉及一种垂直轴恒速风力发电机，涉及新能源风力发电机技术领域。
背景技术
在现有技术中，风力发电机不能恒速运转发电，难以捕捉气流在自然界瞬息万变的运动规律，所以普遍存在着低风速时难以启动和高风速中输出电压不稳定、效益低、占地空间大、噪音大等问题，
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种结构简单、转速恒定、发电效益高、体积小、噪声低的风力发电机。
本发明的主要解决技术方案为：
一种垂直轴恒速风力发电机，包括：一个静盘4或N个静盘，其中N＞1、两个动盘2，7或N+1个动盘、主轴1、端盖18、霍尔元件6为主要部件，每个静盘内部分别设有线圈5，中心穿过主轴1固定；动盘由无磁材料制成，中心装置轴承或开圆孔以供主轴1穿过，面对静盘一侧的壁平面内铠装多个沿圆周方向按角度等间距排列的永磁体3，通过主轴由端盖和动盘中的轴承17支承，沿轴向分别并列在静盘的左右两侧；特征是：所述动盘7的背平面或圆周内壁的圆面积内设有多块沿圆周方向等间距排列、每块嵌装短路环的导磁体铁芯8，与之面对一侧的主轴1上设置恒速驱动盘9，该恒速驱动盘的轴向平面或径向圆周外壁的圆面积内设置一圈开有多个Ω形槽口的矽钢片铁芯10，与之面对的导磁体铁芯8之间留有气隙，绕组11分别嵌入Ω形槽口内，信号线和导线13从主轴内孔引出，以备与控制器12连接。
一种垂直轴恒速风力发电机，包括：一个静盘4或N个静盘、两个动盘2，7或N+1个动盘、主轴1、端盖18、霍尔元件6为主要部件，每个静盘内部分别设有线圈5，中心穿过主轴1固定；动盘由无磁材料制成，中心装置轴承或开圆孔以供主轴1穿过，面对静盘一侧的壁平面内铠装多个沿圆周方向按角度等间距排列的永磁体3，通过主轴由端盖和动盘中的轴承17支承，沿轴向分别并列在静盘的左右两侧；特征是：所述端盖18的圆周内壁的圆面积内设有多块沿圆周方向等间距排列、每块嵌装短路环的导磁体铁芯8，与之面对一侧的主轴1上设置恒速驱动盘9，该恒速驱动盘的径向圆周外壁的圆面积内设置一圈开有多个Ω形槽口的矽钢片铁芯10，与之面对的导磁体铁芯8之间留有气隙，绕组11分别嵌入Ω形槽口内，信号线和导线13从主轴内孔引出，以备与控制器12连接。
所述静盘4由无磁材料制成，每个静盘内部的线圈数量：单相发电机为1或2或2X只，其中X＞2，三相发电机为3或3X只，按角度沿圆周方向等间距排列嵌装在静盘内，线圈的连接方式为串联或并联或串并联连接。
所述线圈5，由高强度漆包线或粘包线绕制成圆形、方形、条形、扇形、梯形、矩形、弧形、菱形或多边形片状体，铠装或压制包装在每个静盘的圆面积内部，根据发电机功率大小，制成无铁芯或有铁芯线圈，静盘的有效厚度范围为3～50MM。
所述动盘内铠装的永磁体3为釹铁硼永磁或钐钴永磁或铝镍钴永磁体，参考静盘线圈的数量和形状，平装或横插铠置在每个动盘的内壁，平装时：圆面积内的多块永磁体3的磁场极性，按照S-N-S-N……S的顺序圆形排列，横插铠置时：圆面积内的多块永磁体3的磁场极性，按S-N-导磁体-N-S-导磁体-S-N-导磁体-N……S的顺序圆形排列，每块永磁体之间设置大于永磁体体积的导磁体，以节省永磁体的使用量；在动盘与另一动盘之间，每块动盘中永磁体的S极磁场通过静盘线圈与另一侧动盘中的永磁体N极相对称吸引，构成顺磁通回路；其中N个静盘4和N+1个动盘，按动盘--静盘--动盘--静盘……动盘的顺序叠加组合装置在同一主轴1上，输出导线并联连接，以扩大发电机的输出功率。
所述主轴1，由大口径钢管制成，静盘直径与主轴直径的比例范围为1：0.2～0.7，中间位置径向设置多个凸挡16，分别作为动盘与静盘、动盘与恒速驱动盘、端盖之间的靠山定位限制，以精确控制动盘与静盘、导磁体铁芯8与恒速驱动盘矽钢片铁芯10之间的气隙，气隙范围为0.1～5MM；根据发电机功率、静、动盘直径、加工精度，气隙越小越利于提高发电效率。
所述备置的控制器12为：设有单片机系统、转速检测自动跟踪调速系统、供恒速驱动盘的驱动电路、功率放大电路、自动充电电路、过压、欠压、过流、漏电、防雷安全保护电路以及接触器、蓄电池、电源转换器为主要元件组成的通用型自动控制器，以确保发电机正常使用，制造大型发电机时，可扩展上述功能另设与之相匹配的大型控制屏。
所述恒速驱动盘9的作用在于：
1.当发电机在运行状态时，霍尔元件6检测到的信号，经控制盒内的单片机系统，运算处理以后，确定是低风速区范围时，接触器自动接通恒速驱动盘9内的绕组电源，恒速驱动盘产生旋转磁场，通过导磁体铁芯8驱动发电机按设定的额定转速运转发电。
2.当外力风速增强，霍尔元件6检测到的信号，经确定是中风速区范围时，接触器自动断开恒速驱动盘的绕组电源，使发电机按设定的额定风速运转发电。
3.当外力风速继续增强，霍尔元件6检测到的信号，经确定是高风速区范围时，另一接触器自动接通恒速驱动盘9输出电源，由于转速已经同步，导磁体铁芯8与恒速驱动盘成为发电机，输出电源通过控制器调制供应蓄电池充电蓄能，同时限止风力发电机在恒速状态下运转，解决了高风速时噪音大的问题。
4.当需要停止风力发电机运转，或者外力风速继续增强，霍尔元件6检测到的信号，经确定是超高速危险区范围时，自动控制或者启动止动按键，使另外一接触器自动接通恒速驱动盘9，输入不产生旋转磁场的电流，作为电磁止动器阻止风轮旋转，停止风力发电机运转，以确保安全或检修时使用。
上述运行过程通过备置的控制盒自动控制，极大地提高了发电效益，确保了运行安全，具有突出的实质性特点和显著的进步。
本设计与现有技术相比具有以下优点：一.设置恒速驱动盘装置，解决了风力发电机普遍存在着低风速时难以启动和高风速中输出电压不稳定、噪音大等问题，同时极大地提高了发电效率，确保了运行安全。二.采用无磁材料同磁场叠加组合装置和计算机自动控制以及由大口径钢管制主轴的设计，消除了对转子的剩磁吸引力，缩小和减轻了发电机的重量和体积，降低了制造成本；所以本发明的有益效果是十分明显的。
附图说明
附图1，一种垂直轴恒速风力发电机的结构原理剖示示意图。
附图2，一种壁装式恒速风力发电机的结构原理剖示示意图。
附图3，一种叠加式恒速风力发电机的结构原理剖示示意图。
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。
附图中：1.主轴，2.动盘，3.永磁体，4.静盘，5.线圈，6.霍尔元件，7.动盘，8.导磁体铁芯，9.恒速驱动盘，10.矽钢片铁芯，11.绕组，12.控制器，13.导线，14.平键，15.紧固件，16.凸挡，17.轴承，18.端盖。
实施例：附图1，一种垂直轴恒速风力发电机的结构原理剖示示意图，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，静盘4套装在主轴1上，由外转子的动盘和端盖中的轴承17支承，静盘4内嵌装线圈5、霍尔元件6，温度传感器，动盘以及端盖的接口上设有凹槽或凸槽，供动盘、端盖卡接，其中主轴上的多个凸挡和平键14分别作为动盘、静盘、恒速驱动盘、端盖之间的定位或靠山，精确控制上述各盘的气隙尺寸，信号线和导线13从主轴内孔引出，以备与控制器12连接。
实施例：附图2所示，一种壁装式恒速风力发电机的结构原理剖示图。作为优选，外转子的动盘7由不锈钢材料制成，导磁体铁芯8装设在动盘7内径沿圆周的壁面内，矽钢片铁芯11装设在导磁体铁芯8与之面对的恒速驱动盘9的外径沿圆周的壁面内，导磁体铁芯8与矽钢片铁芯11之间留有气隙，绕组10分别嵌入矽钢片铁芯11的Ω形槽内，由导线引入控制器12。
实施例：附图3所示，一种叠加式恒速风力发电机的结构原理剖示示意图。与附图2的实施例不同之处在于：动盘7、701和静盘4、401可以通过接口中设有的凹、凸槽口以及主轴1中的凸挡进行叠加组合装配，其中N个静盘4和N+1个动盘2，按动盘--静盘--动盘--静盘……动盘的顺序叠加组合装置在同一主轴1上，输出导线并联连接，以扩大发电机的输出功率。
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，耗材大的风力发电机产品，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或水平轴发电机或内转子垂直轴恒速风力发电机也属于本发明的保护范畴之例。

Claims (7)

1.一种垂直轴恒速风力发电机，包括：一个静盘(4)或N个静盘、两个动盘(2，7)或N+1个动盘、主轴(1)、端盖(18)、霍尔元件(6)，其中N＞1，每个静盘内分别设有线圈(5)，中心穿过主轴(1)固定；动盘由无磁材料制成，动盘中心设置供轴承穿过的圆孔或轴承，动盘面对静盘一侧的壁平面内铠装多个沿圆周方向按角度等间距排列的永磁体(3)，通过主轴由端盖和动盘中的轴承(17)支承，沿轴向分别并列在静盘的左右两侧；其特征在于：所述动盘(7)的背平面或圆周内壁的圆面积内设有多块沿圆周方向等间距排列、每块嵌装短路环的导磁体铁芯(8)，与面对一侧的主轴(1)上设置恒速驱动盘(9)，该恒速驱动盘的轴向平面或径向圆周外壁的圆面积内设置一圈开有多个Ω形槽口的矽钢片铁芯(10)，所述矽钢片铁芯与其面对的导磁体铁芯(8)之间留有气隙，绕组(11)分别嵌入Ω形槽口内，信号线和导线(13)从主轴内孔引出，以备与控制器(12)连接。
2.一种垂直轴恒速风力发电机，包括：一个静盘(4)或N个静盘、两个动盘(2，7)或N+1个动盘、主轴(1)、端盖(18)、霍尔元件(6)，其中N＞1，每个静盘内分别设有线圈(5)，中心穿过主轴(1)固定；动盘由无磁材料制成，动盘中心设置供轴承穿过的圆孔或轴承，动盘面对静盘一侧的壁平面内铠装多个沿圆周方向按角度等间距排列的永磁体(3)，通过主轴由端盖和动盘中的轴承(17)支承，沿轴向分别并列在静盘的左右两侧；其特征在于：所述端盖(18)的圆周内壁的圆面积内设有多块沿圆周方向等间距排列、每块嵌装短路环的导磁体铁芯(8)，与面对一侧的主轴(1)上设置恒速驱动盘(9)，该恒速驱动盘的径向圆周外壁的圆面积内设置一圈开有多个Ω形槽口的矽钢片铁芯(10)，所述矽钢片铁芯与其面对的导磁体铁芯(8)之间留有气隙，绕组(11)分别嵌入Ω形槽口内，信号线和导线(13)从主轴内孔引出，以备与控制器(12)连接。
3.根据权利要求1或2所述的垂直轴恒速风力发电机，特征是：所述静盘(4)由无磁材料制成，每个静盘内部的线圈数量：单相发电机为1或2或2X只，其中X＞2，三相发电机为3或3X只，按角度沿圆周方向等间距排列嵌装在静盘内，线圈的连接方式为串联或并联或串并联连接。
4.根据权利要求1或2所述的垂直轴恒速风力发电机，特征是：所述线圈(5)，由高强度漆包线或粘包线绕制成圆形、条形、扇形、弧形或多边形片状体，铠装或压制包装在每个静盘的圆面积内部，根据发电机功率大小，制成无铁芯或有铁芯线圈，静盘的有效厚度范围为3～50MM。
5.根据权利要求1或2所述的垂直轴恒速风力发电机，特征是：所述动盘内铠装的永磁体(3)为釹铁硼永磁或钐钴永磁或铝镍钴永磁体，参考静盘线圈的数量和形状，平装或横插铠置在每个动盘的内壁，平装时：圆面积内的多块永磁体(3)的磁场极性，按照S-N-S-N……S的顺序圆形排列，横插铠置时：圆面积内的多块永磁体(3)的磁场极性，按S-N-导磁体-N-S-导磁体-S-N-导磁体-N……S的顺序圆形排列，每块永磁体之间设置大于永磁体体积的导磁体，以节省永磁体的使用量；在动盘与另一动盘之间，每块动盘中永磁体的S极磁场通过静盘线圈与另一侧动盘中的永磁体N极相对称吸引，构成顺磁通回路。
6.根据权利要求1或2所述的垂直轴恒速风力发电机，特征是：所述主轴(1)，由大口径钢管制成，静盘直径与主轴直径的比例范围为1∶0.2～0.7，轴(1)的中间位置径向设置多个凸挡(16)，分别作为动盘与静盘、动盘与恒速驱动盘、端盖之间的靠山定位限制，以精确控制动盘与静盘、导磁体铁芯(8)与恒速驱动盘矽钢片铁芯(10)之间的气隙，气隙范围为0.1～5MM。
7.根据权利要求1或2所述的垂直轴恒速风力发电机，特征是：所述的控制器(12)为：设有单片机系统、转速检测自动跟踪调速系统、供恒速驱动盘的驱动电路、功率放大电路、自动充电电路、过压、欠压、过流、漏电、防雷安全保护电路以及接触器、蓄电池、电源转换器组成的通用型自动控制器，以确保发电机正常使用，制造大型发电机时，扩展上述功能另设与之相匹配的大型控制屏。
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