CN102122872B - 带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明的带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，由发电机部分、永磁转子体、定子铁芯、绕组、转子轴、端盖构成，利用定转子间的铁磁吸引力在外力作用下产生的位移，导致一个针对外力的磁悬浮力。在本发明的风力发电机中，转子轴可以在轴承中沿轴向无约束自由移动，在垂直轴风机中可以由位移所产生的上浮磁力托起风轮机，在水平轴风机中同样可以利用磁力代替推力轴承，因此任何作用于轴向的力都将为磁悬浮力所抵消，将可在省略径向推力轴承的同时，彻底消除轴向的机械接触、机械磨损，减少机械故障和机械方面大的保养修理，机组具有噪声轻、起动风速低、可靠性好、效率高、维护保养成本小等诸多优点，成为风力发电中性价比很高的新型机种。

Description

带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机

技术领域

本发明属于发电机技术领域，具体地说，是提出一种带有磁悬浮轴承的永磁交流同步发电机结构。

背景技术

在风力发电领域，发电机是将机械能转变为电能的、必不可少的机电能量转换装置。为了从风中得到更多的能量，在风轮机确定的前提下，希望发电机有更低的起动风速，更小的机械阻力，更长的运行寿命，更低的机械噪声，更高的机电效率。带磁悬浮轴承的风力发电机可以同时得到上述诸多优点。但是，增加通常的全磁悬浮装置后，整个风机的成本上升，性价比下降，反而会增加发电成本，不利于风力发电机的推广应用，为此必须开发高性价比、低成本的新结构磁悬浮轴承风力发电机。

发明内容

本发明的目的是通过采用价格低廉、结构合理的轴向磁悬浮轴承，降低磁悬浮风力发电机的成本，从而使磁悬浮风力发电机的与普通非磁悬浮风机相比成本增加不多、甚至不增反降。

本发明的轴向磁悬浮轴承是这样实现的，在发电机机体内增加一组类似电机的转子体和定子铁芯的铁磁结构，利用转子永磁体和定子铁芯体间的径向铁磁吸引力，在外力所致的位置差下，产生一个轴向合力，成为磁悬浮力源，以无接触方式承载外力，替代轴向推力轴承。

一种带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，发电机部分(6)由永磁转子(61)、镶嵌有电枢绕组的定子铁芯(62)、轴承(3)、主轴(4)、端盖(5)组成，其特征为，在同一电机体内的主轴(4)上还有磁悬浮轴承，磁悬浮轴承由永磁转子体(1)、定子铁芯体(2)组成，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴(4)可以在轴承(3)中沿轴向自由移动。

在带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机中，当风轮机和/或发电机主轴受到风力的推力或重力作用在轴向移动时，就会产生一个回返原始位置的磁悬浮力，或者说，该磁悬浮力可以替代轴承，抵消或平衡推力或重力的作用。

不管是在大型或小型风力发电机中，也不管是在水平轴或垂直轴风力发电机中，主轴的轴向力必须由轴向推力轴承来承受，采用轴向磁悬浮轴承后，轴向推力轴承可以省略。因此，由轴向推力轴承产生的电机摩擦阻力、磨损、噪音可大大降低，维护保养量减少，且增加了发电机的可靠性和寿命，从而在各个方面都利于降低风力发电的成本。

附图说明

图1为本发明的带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机轴向剖面结构示意图。

图2为带有轴向磁悬浮轴承的垂直轴风力发电机轴向剖面结构示意图。

图3为带有双环形磁体轴向磁悬浮轴承的风力发电机轴向剖面结构示意图。

图4为双环形磁体轴向磁悬浮轴承的磁路图。

图5为利用发电机转子磁场产生磁悬浮力的直接式风力发电机轴向剖面结构示意图。

图6为能增加磁悬浮力的多绕组的二段直接式风力发电机轴向剖面结构示意图。

图7为能增加磁悬浮力的单绕组的二段直接式风力发电机轴向剖面结构示意图。

具体实施方式

不管是小型风力发电机还是大型风力发电机，发电机组中的机械结构一直是一个薄弱环节，由于风力状况变幻莫测，又受到高低悬殊的环境温度变化的影响，以及维护保养方面的困难，轴系轴承、齿轮的磨损非常严重。对于大型风力发电机而言，变化的轴向力一直困扰着整个传动系统。

在图1中所示的轴向力F可能是一个由风力变化而呈现的变量。如果使轴能在前后二个水平轴承间自由移动，那么一旦有轴向力，轴就可以按轴向力所示方向移动；而一旦产生移动，在永磁转子体(1)和定子铁芯体(2)间的径向磁力线都会被拉长，所有被拉长的磁力线形成一个轴向合力，这个合力就是磁悬浮力，磁悬浮力的方向与推力F方向相反。在一定的F范围内，位移量与F成正比，而所产生的磁悬浮力刚好抵消F力的影响。与普通发电机中原有的轴向推力轴承相比，磁悬浮轴承是非接触的，在用磁悬浮轴承替代有机械接触的推力轴承后，由于没有机械接触，也就没有机械磨损，没有机械噪声，没有机械阻力，可以得到更低的起动转速、更长的运行寿命、更高的运行可靠性，和更高的机电效率。

由于水平轴式风力发电机组中转子的重力P作用在前后轴承上，与轴向磁悬浮成直交而无关联，对于水平轴式风力发电机组而言，本发明的结构不能对重力产生磁悬浮效果。相比较而言，本发明的磁悬浮轴承结构更适合垂直轴风力发电机，图2所示为本发明的磁悬浮轴承在垂直轴风力发电机中的应用。在垂直轴风力发电机中，普通风力发电机的转子和透平风轮机的合成重力P，通常必须由轴向推力轴承来承受。本发明的磁悬浮结构用在垂直轴风力发电机中，由于转子轴在轴向可以自由移动，就可以构成一个托起整个转动体的磁悬浮力结构，其特征为，主轴(4)垂直于水平面，且主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴(4)可以在轴承(3)中沿轴向自由移动，受重力P作用，永磁转子体(1)相对于定子铁芯体(2)会有一定的下沉，永磁转子体(1)和定子铁芯体(2)间的磁力线被拉长，所有被拉长的磁力线产生一个向上的轴向合力，与重力P相平衡。合力的方向与P相反，磁悬浮的效果充分体现。在带有本发明的磁悬浮轴承的垂直轴风力发电机中，无风时轴的上下二个轴承几乎没有受力，所以这些轴承与水平轴机中的轴承相比，不承受巨大的重力作用，应该更耐用。

本发明中的轴承(3)不同于现有的带推力的普通轴承，因为现有风力发电机的主轴是不允许在轴向自由移动的。为了解决本发明中主轴(4)在轴承(3)中沿轴向自由移动问题，必须使主轴(4)与轴承(3)采取动配合。只需采用动配合，轴承(3)同样可以采用普通的滚动轴承，如滚珠轴承，也可采用滑动轴承，例如浦司轴承(bushingbearing)，如将含油轴衬镶嵌在端盖上所构成的轴承，很适合小型风力发电机使用。

在图1和图2中，轴向磁悬浮轴承的磁体和发电机磁体均采用N极和S极间隔布置、磁力线在垂直于转轴的径向平面内流动的相同结构。发电机是必须这样布置以便定子各点上磁场产生变化，否则就不能在绕组中产生磁力线的切割感应出交流电势。但是对于磁悬浮轴承来说，这样一种结构布置在永磁转子体(1)转动时，定子铁芯(2)上各点的磁场都在变化，这会在铁芯中产生一定的磁滞损失和涡流损失，所以定子铁芯(2)必须像发电机定子一样采用电磁损失较小的硅钢片。但是，如果将永磁转子体(1)换成二个环状磁体的双环结构，使磁力线在轴向平面内流动，二个环的外环的磁场极性相反，并使二个环隔开一定的距离套在转子磁轭上，如图3所示，用这样的永磁转子体(1)在转动时，定子铁芯(2)上任何位置上的磁场都不会因转子转动而变化，就不会产生任何电磁损失。双环结构永磁转子体(1)可以使定子铁芯(2)采用普通铁磁材料或者直接利用电机的铁壳体代替，从而降低磁悬浮轴承的成本和造价，图3所示为带有双环形磁体轴向磁悬浮轴承的风力发电机轴向剖面结构示意图。

本发明的双环形磁体轴向磁悬浮轴承风力发电机，磁悬浮轴承由永磁转子体(1)和定子铁芯体(2)构成，其特征为，永磁转子体(1)由二个环形磁体(11)隔开一定距离套在转子磁轭(12)上，磁体外环分别为S和N极，一个磁场向内，而另一个磁场向外，环形磁体的磁场均布，磁力线在磁轭的轴向平面内流动，并穿过气隙和定子铁芯体(2)的磁轭构成一条条轴向磁环链。

图4为双环形磁体轴向磁悬浮轴承的磁路图。由图中可以看出，不论转子怎么旋转，定子铁芯各处的磁场状况都不会发生变化，磁悬浮轴承不会产生附加的电磁损耗。

既然图1和图2的磁悬浮轴承具有与永磁发电机相似磁结构的永磁转子体(1)和定子铁芯体(2)，那么可以设想，使永磁发电机既起到发电机作用，又兼具磁悬浮轴承的功能，这样的结构就是直接式磁悬浮轴承发电机，直接式的含义就是由发电机直接兼具磁悬浮轴承的功能。直接式磁悬浮轴承发电机(6)由永磁转子(61)、镶嵌有电枢绕组的定子铁芯(62)、轴承(3)、主轴(4)和端盖组成，其特征为，永磁发电机与磁悬浮轴承合为一体，永磁转子(61)、镶嵌有电枢绕组的定子铁芯(62)同时构成磁悬浮轴承，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴可以在二个轴承中沿轴向自由移动。图5所示为利用发电机转子磁场产生磁悬浮力的直接式磁悬浮风力发电机轴向剖面结构示意图。

和前述非直接式机种相同，在直接式磁悬浮风力发电机中，当受到轴向的推力F或重力P作用，永磁转子体(1)受力向右或向下产生一定的位移，使永磁转子体(1)与定子铁芯体(2)间的的径向磁力线被拉长，所有被拉长的磁力线形成一个轴向合力，这个合力就是磁悬浮力，磁悬浮力的方向与F或P方向相反。在一定的力范围内，位移量与F或P成正比，而所产生的磁悬浮力刚好抵消F或P的影响，达到力平衡。

图5即为利用发电机转子磁场产生磁悬浮力的直接式风力发电机轴向剖面结构示意图。在相同的转速下，发电机的输出功率有所下降，称为落差。但是，由于采用诸如钕铁硼等超强磁体时的磁力很大，所以所设计的位置落差并不大，发电机功率的降低也就不会很大，这一点在发电机设计制造时应适当增加一定的功率裕量。

为了减少直接式磁悬浮发电机(6)因采用磁悬浮结构而降低的功率容量，特别是当转子体的合成推力或重力较大，引起转子右移或下沉太多时，可能减少发电机的功率，为此可以将发电机定转子分成二段甚至多段，各段之间保持一定的间距，在同样的下沉距离时，磁悬浮力可以成倍增加；或者说在同样的外力作用下，右移或下沉距离可以大为缩小。图6为能增加磁悬浮力的多绕组二段直接式风力发电机轴向剖面结构示意图。

二段或多段直接式磁悬浮发电机(6)由永磁转子(61)、镶嵌有电枢绕组的定子铁芯(62)组成，其特征为，永磁发电机与磁悬浮轴承合为一体，发电机(6)由间隔一定距离的二段或多段定转子组成，各段定子中都有各自独立的绕组，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴可以在二个轴承中沿轴向自由移动。

图6中的绕组分布在二段或多段定子的齿槽中，数量增多，绕制不便，实际上也可以将同一轴线上的各段中的绕组合并为同一绕组，这样，绕组数减少，便于绕制，图7为能增加磁悬浮力的单绕组的二段直接式风力发电机轴向剖面结构示意图。单绕组的二段或多段直接式风力发电机由永磁转子(61)、镶嵌有电枢绕组的定子铁芯(62)组成，其特征为，永磁发电机与磁悬浮轴承合为一体，发电机(6)由间隔一定距离的二段或多段定转子组成，同一轴线上的各段中的绕组合并为同一绕组，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴可以在二个轴承中沿轴向自由移动。

图7即为能增加磁悬浮力的单绕组的二段直接式风力发电机轴向剖面结构示意图。可以看出，该结构与留有铁芯散热间隙的电力系统大型发电机的叠片结构相类似。

Claims (7)

1.一种带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，发电机部分(6)由永磁转子(61)、镶嵌有电枢绕组的定子铁芯(62)、轴承(3)、主轴(4)、端盖(5)组成，其特征为，在同一电机体内的主轴(4)上还有磁悬浮轴承，磁悬浮轴承由永磁转子体(1)、定子铁芯体(2)组成，主轴(4)垂直于水平面，且主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴(4)在轴承(3)中沿轴向自由移动，受重力P作用，永磁转子体(1)相对于定子铁芯体(2)会有一定的下沉，永磁转子体(1)和定子铁芯体(2)间的磁力线被拉长，所有被拉长的磁力线产生一个向上的轴向合力，与重力P相平衡。

2.根据权利要求1所述的带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，其特征为，轴承(3)为滚动轴承，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴(4)在轴承(3)中沿轴向自由移动。

3.根据权利要求1所述的带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，其特征为，轴承(3)为滑动轴承，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴(4)在轴承(3)中沿轴向自由移动。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，其特征为，永磁转子体(1)由二个环形磁体(11)隔开一定距离套在转子磁轭(12)上，磁体外环分别为S和N极，一个磁场向内，而另一个磁场向外，环形磁体的磁场均布，磁力线在磁轭的轴向平面内流动，并穿过气隙和定子铁芯体(2)的磁轭构成一条条轴向磁环链。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，其特征为，永磁发电机与磁悬浮轴承合为一体，永磁转子(61)、镶嵌有电枢绕组的定子铁芯(62)同时构成磁悬浮轴承，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴在二个轴承中沿轴向自由移动。

6.根据权利要求5所述的带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，其特征为，永磁发电机与磁悬浮轴承合为一体，发电机(6)由间隔一定距离的二段或多段定转子组成，各段定子中都有各自独立的绕组，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴在二个轴承中沿轴向自由移动。

7.根据权利要求5所述的带有轴向磁悬浮轴承的风力发电机，其特征为，永磁发电机与磁悬浮轴承合为一体，发电机(6)由间隔一定距离的二段或多段定转子组成，同一轴线上的各段中的绕组合并为同一绕组，主轴(4)与轴承(3)采取动配合，主轴在二个轴承中沿轴向自由移动。