CN102230452A - 小型外转子永磁直流风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机领域，提供了一种小型外转子永磁直流风力发电机，其采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机来作为外转子永磁直流发电机。由于电动摩托车的外转子永磁直流电动机在我国具有批量化、标准化、市场化、产业链成熟的巨大优势，利用它改成小型外转子永磁直流风力发电机，可以大大降低小型外转子永磁风力发电机的成本，提高产品质量，因此，对小型外转子永磁风力发电机产业链的稳定和成熟有很好的促进作用。

Description

小型外转子永磁直流风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电机领域，尤其涉及一种小型外转子永磁直流风力发电机(5kw以下)，其采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机来作为外转子永磁直流发电机。

背景技术

目前的小型外转子永磁直流风力发电机(5kw以下)，发电量低，价格很贵。按照目前的永磁钢的价格，发电机发出的电的出厂价格是人民币3元/瓦左右(+20％/-10％的范围浮动，取决于不同的工厂的成本控制和不同的功率)。

发电量低，价格贵的原因是因为小型风力发电机买卖市场并没有成熟，小型风力发电机买卖市场没有成熟的原因是：

1)卖方没有成熟是因为：

1.1)目前在小型发电市场，比较多的是太阳能发电系统和风力发电系统。相对于太阳能发电系统，风力发电系统专业性、技术性强，复杂很多。一般的消费者不容易安装、维修这个系统。

参阅图1，图1所示的小型外转子永磁直流风力发电机包括风轮91、发电机92、尾舵93、支撑轴94、电缆95、充电控制器96、蓄电池组97、逆变器98，发电机92的转轴水平设置，风轮91和尾舵93固设于发电机92的机壳上，支撑轴94垂直设置，风轮91和发电机92固设于支撑轴94上，发电机92通过电缆95依次与充电控制器96、蓄电池组97、逆变器98电连接。

参阅图2，图2所示的风力发电系统包括能量转换装置(风力发电机组)、控制装置、检测显示装置、储能装置、备用电源、电能负荷装置。

从图1和图2可以看出，风力发电机和风力发电系统比较复杂，还牵涉到地基的安装和系统的调试、维修，由于系统复杂，牵涉到许多不同学科的产品，比如控制器、蓄电池、逆变器等技术含量高的产品，系统中的任何一个产品的质量和价格都牵动着整个系统的质量和价格。

1.2)整个发电机系统中的产品，在技术上都没有成熟和稳定。由于风力发电系统在我国是近二十内才初步成形的，技术上还有很多的缺陷和短板，从而影响了整个产业的发展。比如：在目前，我们国家的控制器和逆变器，很多的企业还没有顺利拿到国外的产品认证，比如GS、UL等国外的强制性认证。因为没有这些认证，国外的客户很难采购。

1.3)技术上的不成熟和不稳定，必然带来成本的高企(比如时间成本、质量成本、采购成本、维修成本、生产成本)，国内外的客户很难采购。

1.4)风力发电系统的风轮是旋转机械，工作环境相当恶劣，因此带来的成本上涨很快。

2)买方的不成熟是因为：

2.1)新兴的市场，也需要买方去开拓和培养。由于目前的消费者还没有形成统一的、主流的共识，买方只能买少量的不同功率的风力发电系统去试。

2.2)因为风力系统的复杂性，也需要买方专业，也就是说买方需要时间去认识和掌握它。

2.3)购买成本和安装、维修成本高，买方也需要资金雄厚，自然买方就会少。

总之，由于目前的小型外转子永磁直流风力发电机的买卖双方都不成熟带来的直接后果就是买单少，工厂无法形成批量化、标准化生产，从而导致了价格高企、质量低下的不利情况，这种不利情况更加直接不利于整个产业链的发展，进而影响了买单，买单少和价格高之间形成了恶性循环。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的小型外转子永磁直流风力发电机买单少和价格高的问题，提供一种可批量化、标准化生产的小型外转子永磁直流风力发电机，从而降低成本，提高销售量。

本发明是这样实现的，一种小型外转子永磁直流风力发电机，包括风轮、发电机、支撑轴、充电控制器、蓄电池组、逆变器，所述发电机的转轴水平设置，所述风轮固设于所述发电机的机壳上，所述支撑轴垂直设置，所述风轮和发电机固设于所述支撑轴上，所述发电机通过电缆依次与所述充电控制器、蓄电池组、逆变器电连接，所述发电机采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机。

所述电动摩托车的外转子永磁直流电动机包括定子组件和转子组件，所述转子组件设于所述定子组件的外部；

所述转子组件包括前端盖、后端盖、转子壳、永磁体，所述前端盖和后端盖分别与所述转子壳固定配合，所述永磁体固设于所述转子壳内壁，所述风轮固设于所述转子壳上；

所述定子组件包括支柱、定子铁芯、轴承，所述定子铁芯固设于所述支柱上，所述支柱通过所述轴承分别与所述前端盖和后端盖转动连接，所述转子壳和定子铁芯之间设有间隙。

所述发电机还同轴连接有尾舵。

本发明提供的另一种小型外转子永磁直流风力发电机，包括风轮、发电机、支撑轴、充电控制器、蓄电池组、逆变器，所述支撑轴和所述发电机的转轴均垂直设置，所述支撑轴和所述发电机的机壳连接，所述风轮固设于所述支撑轴上，所述发电机通过电缆依次与所述充电控制器、蓄电池组、逆变器电连接，所述发电机采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机。

所述电动摩托车的外转子永磁直流电动机包括定子组件和转子组件，所述转子组件设于所述定子组件的外部；

所述转子组件包括前端盖、后端盖、转子壳、永磁体，所述前端盖和后端盖分别与所述转子壳固定配合，所述永磁体固设于所述转子壳内壁，所述风轮固设于所述转子壳上；

所述定子组件包括支柱、定子铁芯、轴承，所述定子铁芯固设于所述支柱上，所述支柱通过所述轴承分别与所述前端盖和后端盖转动连接，所述转子壳和定子铁芯之间设有间隙。

所述风轮由至少两个沿所述支撑轴轴向设置且弯折为螺旋形的风叶组成，所述风叶与支撑轴之间通过横梁连接。

所述各风叶围合成一俯视图为圆形的360°风轮。

所述风叶为三个。

所述风叶的螺旋方向为左旋或右旋。

本发明提供的小型外转子永磁直流风力发电机，采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机来作为外转子永磁直流发电机。由于电动摩托车的外转子永磁直流电动机在我国具有批量化、标准化、市场化、产业链成熟的巨大优势，利用它和它的产业链改成小型外转子永磁直流风力发电机，可以大大降低小型外转子永磁风力发电机的成本，提高产品质量，因此，对小型外转子永磁风力发电机产业链的稳定和成熟有很好的促进作用。

附图说明

图1是现有技术提供的小型外转子永磁直流风力发电机的示意图；

图2是现有技术提供的风力发电系统的示意图；

图3所示为本发明提供的直流电动机工作原理示意图；

图4所示为本发明提供的直流发电机工作原理示意图；

图5是本发明实施例一提供的小型外转子永磁直流风力发电机的示意图；

图6是图5中的风轮、发电机和尾舵的装配图；

图7是图5中的风轮、发电机和尾舵的分解示意图；

图8是本发明实施例一提供的电动摩托车的外转子永磁直流电动机的装配图；

图9是本发明实施例一提供的电动摩托车的外转子永磁直流电动机的分解示意图；

图10是本发明实施例二提供的小型外转子永磁直流风力发电机的示意图；

图11是本发明实施例二提供的电动摩托车的外转子永磁直流电动机的装配图；

图12是本发明实施例二提供的电动摩托车的外转子永磁直流电动机的分解示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作为电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；当它作为发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

1)永磁直流电动机/永磁直流发电机的原理：

1.1)永磁直流电机的可逆运行原理

一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载(或电网)，对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷、换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。

1.2)永磁直流电动机和永磁直流发电机：

从理论上说，一台直流电机既可作电动机使用，也可作为发电机来用，其原理分别建立在电磁力和电磁感应的基础上。图3所示为直流电动机工作原理示意图，图4所示为直流发电机工作原理示意图。图3和图4中，两个空间固定的永久磁铁北极(N)和南极(S)之间，安放一个空心的筒状形铁心，称为电枢铁心；电枢铁心和磁极之间的缝隙称为气隙；在电枢铁心的空筒内安放一个线圈(abcd)，称为电枢绕组；绕组的两端焊接在两个互相绝缘的半圆形铜换向片上，由两个换向片构成的圆柱体称为换向器；为了把电枢和外电路相连，安装了与空间固定不动的两个碳质电刷A和B；电刷与换向器接触；当电枢转动时，电枢铁心、电枢绕组以及换向器是旋转的，而主磁极及电刷在空间固定不动。

1.3)永磁直流电动机的工作原理

永磁直流电动机是把直流电能转换成机械能，带动轴上的生产机械做功。如图3所示，在电刷A和B上通入直流电源，当电动机在图3所示位置时，导体ab段正好在N极下，而cd段在S极上。直流电流由电源正极经电刷A流入电枢绕组，在线圈内部电流的方向是由a到b，由c到d，然后经电刷B返回电源负极。如果导体所处的磁通密度为B，导体有效长度为l，电流为i，根据电磁力定律可知，这时导体的受力F＝Bli。受力方向由左手定则判定，即导体ab和cd受力产生的转矩均为逆时针方向，使电动机转子转动。当电动机转子转过180°时，导体的ab段与cd段正好对换，这时导体cd段在N极下，导体ab段在S极上。电流经电刷A由d端流入线圈，在线圈内部方向是由d到c，再由b到a，仍如图中箭头所示。根据左手定则判定导体d和cd受力产生的转矩仍为逆时针方向。由此可知，虽然导体内部电流方向变了，但受力产生的转矩方向不变，因此转子连续旋转。

1.4)永磁直流发电机的工作原理

永磁直流发电机是把机械能转换为直流电能，如图4所示，由原动机拖动电枢(转子)沿逆时针方向旋转，当转子转到如图4所示位置时，导体ab段正好在N极下，而导体cd段正好在S极下。如果这时导体所处的磁通密度为B，导体有效长度为l，导体的线速度为v，则根据法拉第电磁感应定律，每根导体感应电动势瞬时值为e＝Blv，其方向用右手定则决定，N极下的ab导体电动势方向由b到a，而S极上的cd导体电动势方向由到d到c，即如图4中箭头所示。线圈abcd的电动势大小恰好是由ab导体电动势(或cd导体电却势)的2倍，方向为a端为正，d端为负。此时电刷A极性为正，电刷B极性为负。当转子转过180°时，导体的ab段与cd段正好对换，这时导体cd段在N极下，导体ab段在S极上，导体cd电动势方向由c到d，导体ab电动势方向由a到b，仍如图中箭头所示。此时线圈abcd的电动势方向是d端为正，a端为负，但由于电刷不随换向片转动，仍然有电刷A极性为正，电刷B极性为负。可见转子连续旋转时，电刷A引出的总是N极下导体的正电动势，而电刷B引出的总是S极上导体的负电动势。经过电刷和换向器，即把电枢绕组内的感应交变电动势变成了由电刷A-B间输出的直流电动势。

在实际电动机中，电枢不只是一个线圈，而是由许多按一定规律连接起来的线圈组成的。这样电动势的脉振程度也会减少。由上述分析可知，同一台直流电机，只要改变外界的条件，既可作直流电动机工作，也可当直流发电机运行。这种用同一台电机在外界条件不同情况下，既可用作电动机，也可作发电机运行的原理，不仅适用于直流电机，同样也适用于交流电机，这是电机理论中的普遍原理。

2)选择目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机来改成用于风力发电系统的外转子风力发电机的理由：

2.1)根据以上的原理，我们知道永磁直流电动机是可以改成永磁直流发电机的。

2.2)我们国家对于电动摩托车(包括其中的永磁直流电动机)已经制定了详细的国家标准，这意味着永磁直流电动机是标准化的产品，相对于目前小型风力发电机的标准的贫乏，生产和质量更有保证。

从《标准网》上获悉：国家标准化管理委员会于2009年8月7日，在《标准网》上刊发了中华人民共和国国家标准批准发布公告——2009年第8号(总第148号)。公告第32至35号公布了四条关于电动摩托车和电动轻便摩托车的相关标准：

GB24155-2009电动摩托车和电动轻便摩托车安全要求

GB/T24156-2009电动摩托车和电动轻便摩托车动力性能试验方法

GB/T24157-2009电动摩托车和电动轻便摩托车能量消耗率和续驶里程试验方法

GB/T24158-2009电动摩托车和电动轻便摩托车通用技术条件

标准于2009年6月25日批准，2010年1月1日起实施

ISO 7176-21-2003轮椅.第21部分：电动轮椅和小型电动摩托车的电磁兼容性要求和试验方法

QC/T 792-2007电动摩托车和电动轻便摩托车用电机及其控制器技术条件

QC/T 791-2007电动摩托车和电动轻便摩托车定型试验规程

GB 24155-2009电动摩托车和电动轻便摩托车安全要求

GB/T 24156-2009电动摩托车和电动轻便摩托车动力性能试验方法

GB/T 24157-2009电动摩托车和电动轻便摩托车能量消耗率和续驶里程试验方法

GB/T 24158-2009电动摩托车和电动轻便摩托车通用技术条件

2.3)在我们国家，电动摩托车(包括其中的永磁直流电动机)的生产厂家多达2万多家，整个产业链完整，成熟。这意味着电动摩托车(包括其中的永磁直流电动机)是批量化生产的产品，批量化是保证低成本，质量好的有力的途径。

而目前专业生产小型风力发电机及其配套产品(控制器，逆变器等)的厂家只有2千家左右，市场竞争力和社会财富远不如电动摩托车这个行业。市场竞争力和社会财富是小型风力发电机工厂的最大的缺陷。

2.4)电动摩托车的外转子永磁直流电动机是用蓄电池来驱动的，蓄电池的电压是直流24v/48v/60v等；而小型风力发电机经过控制器后的电压就是直流24v/48v/60v等，恰恰吻合。

2.5)电动摩托车的外转子永磁直流电动机的额定转速是在一定的额定功率下衡量的；而风力发电机的额定功率是在一定的额定转速下的衡量的，根据电机的可逆运行原理也恰恰吻合。比如，一款电动摩托车的外转子永磁直流电动机的额定转速250转/分钟是在额定功率为1千瓦时获得，而风力发电机的额定功率1千瓦是在一定的额定转速250转/分钟下衡量的。

总之，由于电动摩托车的外转子永磁直流电动机在我国具有批量化、标准化、市场化、产业链成熟的巨大优势，利用它和它的产业链改成小型外转子永磁风力发电机，可以大大降低小型外转子永磁直流风力发电机的成本，提高产品质量，因此，对小型外转子永磁风力发电机产业链的稳定和成熟有很好的促进作用。

本发明的有益效果是：可以利用电动摩托车的外转子永磁直流电动机在我国具有批量化、标准化、市场化、产业链成熟的巨大优势，方便地采购到小型风力发电机所需要的价格便宜、质量稳定的定子和转子。比如1kw/250rpm的水平轴风力发电机，如果用目前的风力发电机的定子和转子的成本是人民币1300元，而用电动摩托车的外转子永磁直流电动机的定子和转子是人民币800元，减少了500元。

实施例一

如图5、6、7、8、9所示，本发明实施例提供的一种小型外转子永磁直流风力发电机，其属于水平轴风力发电机，其包括风轮11、发电机12、支撑轴13、充电控制器14、蓄电池组15、逆变器16，发电机12的转轴水平设置，风轮11固设于发电机12的机壳上，支撑轴13垂直设置，风轮11和发电机12固设于支撑轴13上，发电机12通过电缆17依次与充电控制器14、蓄电池组15、逆变器16电连接，发电机12还同轴连接有尾舵18。与现有技术不同，本发明的发电机12采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机，其技术效果前面已有详细表述，此处不再赘述。

如图8和图9所示，该电动摩托车的外转子永磁直流电动机包括定子组件和转子组件，转子组件设于定子组件的外部；转子组件包括前端盖121、后端盖122、转子壳123、永磁体124，前端盖121和后端盖122分别与转子壳123固定配合，永磁体124固设于转子壳123内壁，风轮11固设于转子壳123上；定子组件包括支柱125、定子铁芯126、轴承(未示出)，定子铁芯126固设于支柱125上，支柱125通过轴承分别与前端盖121和后端盖122转动连接，转子壳123和定子铁芯126之间设有间隙。

本实施例一的小型外转子永磁直流风力发电机工作时，风力驱动风轮11转动，风轮11带动电动摩托车的外转子永磁直流电动机的转子壳123转动，然后按照前述的永磁直流发电机的工作原理开始发电(参阅图4和1.4))。

实施例二

如图10、11、12所示，本发明实施例提供的一种小型外转子永磁直流风力发电机，其属于垂直轴风力发电机，其包括风轮21、发电机22、支撑轴23、充电控制器(未示出)、蓄电池组(未示出)、逆变器(未示出)，支撑轴23和发电机22的转轴均垂直设置，且支撑轴23和发电机22的机壳连接，风轮21固设于支撑轴23上，发电机22通过电缆(未示出)依次与充电控制器、蓄电池组、逆变器电连接。与现有技术不同，本发明的发电机22采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机，其技术效果前面已有详细表述，此处不再赘述。

如图11和图12所示，该电动摩托车的外转子永磁直流电动机包括定子组件和转子组件，转子组件设于定子组件的外部；转子组件包括前端盖221、后端盖222、转子壳223、永磁体224，前端盖221和后端盖222分别与转子壳223固定配合，永磁体224固设于转子壳223内壁，风轮21固设于转子壳223上；定子组件包括支柱225、定子铁芯226、轴承(未示出)，定子铁芯226固设于支柱225上，支柱225通过轴承分别与前端盖221和后端盖222转动连接，转子壳223和定子铁芯226之间设有间隙。

本实施例二的小型外转子永磁直流风力发电机工作时，风力驱动风轮21转动，风轮21带动电动摩托车的外转子永磁直流电动机的转子壳223转动，然后按照前述的永磁直流发电机的工作原理开始发电(参阅图4和1.4))。

本实施例二中，风轮21由至少两个沿支撑轴23轴向设置且弯折为螺旋形的风叶211组成，风叶优选三个，风叶211与支撑轴23之间通过横梁212连接，风叶211的螺旋方向为左旋或右旋，风叶211的螺旋角度介于90°～140°之间。

另外，本实施例二中，各风叶211围合成一俯视图为圆形的360°风轮21。本发明采用螺旋形风叶211围合成一俯视图为圆形的360°风轮21，保证了风轮21可以360°迎风，从而使得风轮21旋转时，风叶211始终都有最佳攻角，便于风轮21在低风速时的启动，避免了风轮21在同样的条件下的停止转动的可能，保证了发电机能在低风速时发电，解决了现有的直片式风叶在低风速时风轮旋转造成的攻角的改变而带来的输出功率降低和在低风速下容易停止转动的问题。

以上描述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和原则的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小型外转子永磁直流风力发电机，包括风轮、发电机、支撑轴、充电控制器、蓄电池组、逆变器，所述发电机的转轴水平设置，所述风轮固设于所述发电机的机壳上，所述支撑轴垂直设置，所述风轮和发电机固设于所述支撑轴上，所述发电机通过电缆依次与所述充电控制器、蓄电池组、逆变器电连接，其特征在于：所述发电机采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电动机。

2.如权利要求1所述的小型外转子永磁直流风力发电机，其特征在于：所述电动摩托车的外转子永磁直流电动机包括定子组件和转子组件，所述转子组件设于所述定子组件的外部；

所述转子组件包括前端盖、后端盖、转子壳、永磁体，所述前端盖和后端盖分别与所述转子壳固定配合，所述永磁体固设于所述转子壳内壁，所述风轮固设于所述转子壳上；

所述定子组件包括支柱、定子铁芯、轴承，所述定子铁芯固设于所述支柱上，所述支柱通过所述轴承分别与所述前端盖和后端盖转动连接，所述转子壳和定子铁芯之间设有间隙。

3.如权利要求1或2所述的小型外转子永磁直流风力发电机，其特征在于：所述发电机还同轴连接有尾舵。

4.一种小型外转子永磁直流风力发电机，包括风轮、发电机、支撑轴、充电控制器、蓄电池组、逆变器，所述支撑轴和所述发电机的转轴均垂直设置，所述支撑轴和所述发电机的机壳连接，所述风轮固设于所述支撑轴上，所述发电机通过电缆依次与所述充电控制器、蓄电池组、逆变器电连接，其特征在于：所述发电机采用目前的电动摩托车的外转子永磁直流电机。

5.如权利要求4所述的小型外转子永磁直流风力发电机，其特征在于：所述电动摩托车的外转子永磁直流电动机包括定子组件和转子组件，所述转子组件设于所述定子组件的外部；

所述转子组件包括前端盖、后端盖、转子壳、永磁体，所述前端盖和后端盖分别与所述转子壳固定配合，所述永磁体固设于所述转子壳内壁，所述风轮固设于所述转子壳上；

所述定子组件包括支柱、定子铁芯、轴承，所述定子铁芯固设于所述支柱上，所述支柱通过所述轴承分别与所述前端盖和后端盖转动连接，所述转子壳和定子铁芯之间设有间隙。

6.如权利要求4或5所述的小型外转子永磁直流风力发电机，其特征在于：所述风轮由至少两个沿所述支撑轴轴向设置且弯折为螺旋形的风叶组成，所述风叶与支撑轴之间通过横梁连接。

7.如权利要求6所述的小型外转子永磁直流风力发电机，其特征在于：所述各风叶围合成一俯视图为圆形的360°风轮。

8.如权利要求6所述的小型外转子永磁直流风力发电机，其特征在于：所述风叶为三个。

9.如权利要求6所述的小型外转子永磁直流风力发电机，其特征在于：所述风叶的螺旋方向为左旋或右旋。

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