CN101895182A

CN101895182A - 积木式风力发电机

Info

Publication number: CN101895182A
Application number: CN 201010201243
Authority: CN
Inventors: 张国光
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-13
Filing date: 2010-06-13
Publication date: 2010-11-24

Abstract

本发明公开了一种积木式风力发电机，包括一组围成一圈的小发电机，每个小发电机包括定子和转子，每个小发电机的线圈绕组可加载或卸载，转子为U形永磁铁，U形永磁铁围成一圈固定在圆筒上构成整个电机的转子；与每个U形永磁铁对应的位置设有定子，定子排布成一圈围绕在整个电机的转子外围构成整个电机的定子。本发明的积木式风力发电机突破传统思维，将一台发电机转化为几百个发电绕组(小发电机)，在机械不发生变化的前提下，每个小发电机都能自由加载或卸载，可以根据风能大小而改变，能够大大提高风能利用率和发电量，同时能够降低重量，在使用过程中，操作简单、组装灵活、安装方便，有利于扩大生产和推广使用。

Description

积木式风力发电机

技术领域

本发明涉及一种发电机，具体涉及一种可用于风力发电和三峡发电，并且风能利用率高、发电能力强，在使用时可以根据风力大小加载或卸载而且成本低廉的积木式风力发电机。

背景技术

目前，在节约能源和保护环境以及发展创新型经济的大趋势下，同时在各级政府的大力支持下，风力发电事业得到高度重视和迅速发展。在风力发电的过程中，风能带动风力发电机的桨叶旋转，进而带动转子旋转，使线圈切割磁力线产生电流。现有的风力发电机，其线圈绕组和磁场强度都固定，风力发电机的电压频率与转子的转动速率成正比，只要转速恒定，风力发电机的电压频率就能维持不变。但是，大自然中的风能大小是不确定的，风能对桨叶的推动力也会随之发生变化，从而影响转子的转速，最终导致发电机的电压频率发生变化，输出电压并不稳定。

而且，现有的发电机还存在风能浪费的问题：当风能过小时，发电机不工作；当风能过大时，发电机也不能充分利用全部风能进行发电。现在，世界范围内的发电厂对风能的利用率最高不超过20％。

现有的发电机是一个整体，其负载不能跟随风力大小变化而变化。现有发电机采用矽钢片，涡流损耗大，体积大而重，不能用于高频发电机。三峡的升压变压器有几层楼高，电机尺寸过大，重量大、占地面积大，搬运不便，设计和制造工艺复杂，成本极高。在现在的发电机中，‘转子’的‘爪子’的磁力线方向是顺着‘爪子’的方向。它与工作时需要磁力线方向是相互垂直的，实际上‘爪子’表面的磁力线是在空中转了一个90度的弯，对N、S极都一样，而‘爪子’中的磁力线大多都没有发挥作用。这是一个很大的浪费。据调查数据显示，现有的风力发电厂在三级至四级以下风力时有高达60％发电机停转不发电，导致全年的风能利用率大大降低。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种风能利用率高和发电能力强、在使用时可以根据风力大小加载或卸载并且成本低廉的积木式风力发电机。

技术方案：为实现上述目的，本发明的积木式风力发电机，包括一组围成一圈的小发电机，每个小发电机包括定子和转子，每个小发电机的线圈绕组可加载或卸载。几百个小发电机作为一组，当用于风力发电时，每个小发电机可跟随风力大小加载或卸载，风能的大部分转化为电能。本发明是利用计算机开关电源的高频工作原理，把发电机的工作频率提高一定倍数。因为电压U＝df(x)/dt，频率与时间成反比，在公式中频率扩大一定倍数，电压就扩大同样的倍数；我们不要求电压加大，而是电压不变，线圈绕组的圈数缩小同样倍数。这样提高频率后就可以加大变化率，最终提高磁场变化效率。

所述转子为U形永磁铁，所述U形永磁铁围成一圈固定在圆筒上构成整个电机的转子；每个U形永磁铁的中心线都通过所围成的圆圈的中心；与每个U形永磁铁对应的位置设有定子，所述定子排布成一圈围绕在整个电机的转子外围构成整个电机的定子。U形永磁铁的N、S极爪子的外形不是方形，而更像大写英文字母“U”，很多个U形永磁铁叠加成一对N、S“爪子”条，几百条围成一圈构成整个电机的转子，U形永磁铁的磁力线几乎全部用于发电。

所述定子为铁氧体软磁铁，所述转子的N、S极爪子为铁氧体永磁铁。铁氧体是绝缘体，涡流损耗小，适合于高频工作。

所述定子为凹字形，定子上设有用于缠绕线圈绕组的凹口，相邻两凹口间的距离为5～20毫米。凹口较小，只要放几十圈线圈绕组即可，线圈宽度大大变窄，几乎能节省一半的铜线，发热量也随之降低。

所述定子和转子之间的间隙为1～5毫米。

所述定子和转子之间的间隙为1毫米。

所述的一组小发电机的个数为100～800个。小发电机的个数要根据风机的变速输出来决定，当转速为1500r/min时，小发电机的个数为200个，整个积木式风力发电机的直径小一些；当转速为500r/min时，小发电机的个数为600个，整个积木式风力发电机的直径大一些。又如，当转速为3000r/min时，小发电机的个数为100个；当转速为375r/min时，小发电机的个数为800个。每一组围成一圈的小发电机的个数越多，总发电机的工作频率越高。用积木发电绕组排列组合方法，可以在低转速下继续发电，从理论上讲，甚至于0.5r/min(齿轮箱输出)都能发电。

在低风速情况下，可对发电机的绕组用串联的方式提高输出电压。可将两个或多个小发电机的绕组串联。从理论上讲，有多少个小发电机绕组，都能串成一个大绕组，这些都由计算机来控制。可通过继电器或双向可控硅控制。

所述的一组围成一圈的可控小发电机作为一个模块，在该模块的轴向可以叠加若干同样的模块。模块的数量越多，总发电机的发电功率越高。

每个小发电机的线圈绕组由计算机控制加载或卸载。当用于风力发电的时候，运用计算机根据风力大小进行控制。

有益效果：本发明的积木式风力发电机，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明的积木式风力发电机突破传统思维，将一台发电机转化为几百个发电绕组(小发电机)，在机械不发生变化的前提下，每个小发电机都能自由加载或卸载，可以根据风能大小而改变，能够大大提高发电量，对风能的利用率也超过公认的20％，发电成本大大降低；

2、本发明的积木式风力发电机的体积大大变小，而且可以实现模块化叠加组装，能够像堆积木块一样将多台叠加组合，安装方便，一、二拾台模块结构都可叠加在一起，可以节省设计成本；

3、本发明的积木式风力发电机基本上是由一台发电机的原材料，制造出几百台同功率的小发电机组，发电效率极大提高的同时发电机成本大大下降，本发明的造价不到原有发电机的十分之一；

4、本发明的积木式风力发电机用作三峡的发电机时，升压变压器的体积可以大大变小，涡流损耗大大减少，能够降低重量，安装成本也随之降低；

5、本发明的积木式风力发电机，操作简单、安装方便、组装灵活，有利于扩大生产和推广使用。

附图说明

图1为本发明的积木式风力发电机的结构示意图；

图2为图1中每个小发电机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的积木式风力发电机，包括一组围成一圈的小发电机，每个小发电机包括定子1和转子2，每个小发电机的线圈绕组可加载或卸载。几百个小发电机作为一组，当用于风力发电时，每个小发电机可跟随风力大小加载或卸载，风能的大部分转化为电能。转子2为U形永磁铁，U形永磁铁围成一圈固定在圆筒上构成整个电机的转子；U形永磁铁固定在圆筒上时，可以用卡子固定；每个U形永磁铁的中心线都通过所围成的圆圈的中心；与每个U形永磁铁对应的位置设有定子1，定子1排布成一圈围绕在整个电机的转子外围构成整个电机的定子。定子1为铁氧体软磁铁，转子2的N、S极爪子为铁氧体永磁铁。铁氧体是绝缘体，涡流损耗小，适合于高频工作。U形永磁铁的参数与大小，要通过工作中的实际情况进行校正，一般来说是越小越好。而磁铁的不同配方比和加工工艺，也会对该参数产生较大的影响。

通常，为了节省铜线和降低热量，将定子1设计为为凹字形，定子1上设有用于缠绕线圈绕组的凹口3，相邻两凹口3间的距离为5～20毫米。凹口3较小，只要放几十圈线圈绕组即可，线圈宽度大大变窄，几乎能节省一半的铜线，发热量也随之降低。定子1和转子2之间的间隙为1～5毫米，如果技术允许，最好将定子1和转子2之间的间隙为设置为1毫米。

本发明的积木式风力发电机是利用计算机开关电源的高频工作原理，把发电机的工作频率扩大一定倍数。因为电压U＝df(x)/dt，频率与时间成反比，在公式中频率扩大一定倍数，电压就扩大同样的倍数；我们不要求电压加大，而是电压不变，线圈绕组的圈数缩小同样倍数。这样提高频率后就可以加大变化率，最终提高磁场变化效率。

U形永磁铁的N、S极爪子的外形不是方形，而更像大写英文字母“U”，很多个U形永磁铁叠加成一对N、S“爪子”条，几百条围成一圈构成整个电机的转子，U形永磁铁的磁力线几乎全部用于发电。

本发明的积木式风力发电机在使用时，围成圆圈的一组小发电机的个数为100～800个。小发电机的个数要根据风机的变速输出来决定。例如，当转速为1500r/min时，小发电机的个数为200个，整个积木式风力发电机的直径小一些；当转速为500r/min时，小发电机的个数为600个，整个积木式风力发电机的直径大一些。又如，当转速为3000r/min时，小发电机的个数为100个；当转速为375r/min时，小发电机的个数为800个。围成圆圈的一组小发电机的个数越多，总发电机的工作频率越高。用积木发电绕组排列组合方法，可以在低转速下继续发电，从理论上讲，甚至于0.5r/min(齿轮箱输出)都能发电。

本发明的积木式风力发电机在使用时，围成一圈的可控小发电机作为一个模块，在该模块的轴向可以叠加若干同样的模块。模块的数量越多，总发电机的发电功率越高。根据工作需要而定，可以像堆积木块一样将多个模块叠加组合，一、二拾个模块都可叠加在一起，安装方便，可以节省设计成本。

本发明的积木式风力发电机在使用时，每个小发电机的线圈绕组由计算机控制加载或卸载。当用于风力发电的时候，运用计算机根据风力大小进行控制。当整个发电机在工作时，如果风力发生变化，则其对发电机桨叶的推动力也将不断发生变化。为了保证发电机的输出电压频率恒定，就要求转子时刻保持恒定的转速。就要求发电机的总的阻力矩必须时刻随风力的变化进行调整：当风力变大时，发电机的阻力矩应该相应变大；反之，发电机的阻力矩随风力的变小而减小。当风力变大时，可以通过计算机发出增大电机阻力矩的命令，进而增多开通的小发电机的定子绕组的数量，使发电机的力矩增大，转子的转速降低。

当用于三峡发电的时候，不需要每个小发电机由计算机控制其加载或卸载，而主要是为了提高发电机频率和降低发电机重量，发电机重量可降到原来的发电机重量的百分之一；同时，变压器的体积和整流电容也大大降低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种积木式风力发电机，其特征在于：包括一组围成一圈的小发电机，每个小发电机包括定子(1)和转子(2)，每个小发电机的线圈绕组可加载或卸载。

2.根据权利要求1所述的积木式风力发电机，其特征在于：所述转子(2)为U形永磁铁，所述U形永磁铁围成一圈固定在圆筒上构成整个电机的转子；每个U形永磁铁的中心线都通过所围成的圆圈的中心；与每个U形永磁铁对应的位置设有定子(1)，所述定子(1)排布成一圈围绕在整个电机的转子外围构成整个电机的定子。

3.根据权利要求2所述的积木式风力发电机，其特征在于：所述定子(1)为铁氧体软磁铁，所述转子(2)的N、S极爪子为铁氧体永磁铁。

4.根据权利要求3所述的积木式风力发电机，其特征在于：所述定子(1)为凹字形，定子(1)上设有用于缠绕线圈绕组的凹口(3)，相邻两凹口(3)间的距离为5～20毫米。

5.根据权利要求3所述的积木式风力发电机，其特征在于：所述定子(1)和转子(2)之间的间隙为1～5毫米。

6.根据权利要求5所述的积木式风力发电机，其特征在于：所述定子(1)和转子(2)之间的间隙为1毫米。

7.根据权利要求1至6任一项所述的积木式风力发电机，其特征在于：所述的一组小发电机的个数为100～800个。

8.根据权利要求1至6任一项所述的积木式风力发电机，其特征在于：所述的一组围成一圈的可控小发电机作为一个模块，在该模块的轴向可以叠加若干同样的模块。

9.根据权利要求1至6任一项所述的积木式风力发电机，其特征在于：每个小发电机的线圈绕组由计算机控制加载或卸载。