CN102904402B - 一种多方式输出的风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种多方式输出的风力发电机，包括发电模块、转轴和叶轮，发电模块的数量为两个以上，发电模块包括线圈组件和磁钢组件，线圈组件的两侧外均设置有磁钢组件，线圈组件为圆盘形，圆盘形线圈组件上设置有用于切割磁感线的电路，磁钢组件包括磁钢和磁轭，磁钢和磁轭为圆盘形，磁钢上均匀间隔设置有复数块磁极，磁钢设置于磁轭的一侧，磁轭上设置有磁钢的一面朝向线圈组件，转轴穿过线圈组件和线圈组件两侧的磁钢组件的圆心，并且磁钢组件的磁轭的圆心与转轴连接，叶轮连接于转轴上，发电模块与发电模块之间通过并联连接或串联连接。通过本发明的设计，使得磁场密度大、均匀度高；线圈可以多组输出、任意组合；风能利用率高、启动风力低。

Description

一种多方式输出的风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，具体来说是一种能够采用多种电力输出方式的风力发电机。

背景技术

风能是一种可再生新能源，具有无污染、环保等优点。在现在这个提倡节能环保的时代，如何利用风能已经是一个很重要的研究课题。现有技术中，风力发电机已经被广泛的应用，但是现在的风力发电机还存在着诸多的缺陷，例如：在风力较小的时候，风力发电机的叶轮转动不起来，从而使得发电机不能运转；在风力很强的时候，发电机产生的电压又很大，容易对电路造成损害。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中风能发电机所存在的问题，提供一种能够采用多种电力输出方式的风力发电机来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种风力发电机，其特征在于，包括发电模块、转轴和叶轮，所述发电模块的数量为两个以上，所述发电模块包括线圈组件和磁钢组件，所述线圈组件的两侧外均设置有磁钢组件，所述线圈组件为圆盘形，所述圆盘形线圈组件上设置有用于切割磁感线的电路，所述磁钢组件包括磁钢和磁轭，所述磁钢和磁轭为圆盘形，所述磁钢上均匀间隔设置有复数块磁极，磁钢设置于磁轭的一侧，所述磁轭上设置有磁钢的一面朝向线圈组件，所述转轴穿过线圈组件和线圈组件两侧的磁钢组件的圆心，并且磁钢组件的磁轭的圆心与转轴连接，所述叶轮连接于转轴上，所述发电模块与发电模块之间通过以下方法之一连接：并联连接、串联连接。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述线圈组件为PCB板，所述PCB板的两侧表面均蚀刻有电路。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述线圈组件包括中空导线，中空导线内有冷却媒介经过。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁铁的磁极排布如下：一块N极朝向线圈组件的磁铁和一块N极朝向磁轭的磁铁间隔设置，N极朝向线圈组件的磁铁两侧侧还设置有两块N极45°朝向中间的磁铁。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁铁的磁极排布如下：一块N极朝向线圈组件的磁铁和一块N极朝向磁轭的磁铁间隔设置，N极朝向线圈组件的磁铁两侧侧还设置有两块水平朝向中间的磁铁。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述线圈组件、磁钢组件外设置有外壳。

本发明的有益效果为：通过本发明的设计，使得磁场密度大、均匀度高；线圈可以多组输出、任意组合；风能利用率高、启动风力低。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明的磁钢的正面结构图；

图3为本发明的线圈组件的其中一个实施方式示意图；

图4为本发明的线圈组件的另外一个实施方式示意图；

图5为磁钢上磁铁的磁极排布其中一个实施方式示意图；

图6为磁钢上磁铁的磁极排布另外一个实施方式示意图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

参看图1，一种多方式输出的风力发电机，包括线圈组件100、磁钢组件200、转轴300和叶轮(图中未示)，线圈组件100的两侧外均设置有磁钢组件200。并且在本实施例中，风力发电机包括两个以上线圈组件100，磁钢组件200的数量是线圈组件100的两倍，一个线圈组件100与它两侧的磁钢组件200构成一个发电模块400，发电模块400与发电模块400之间相互连接。

参看图3，线圈组件100为圆盘形，圆盘形线圈组件100上设置有用于切割磁感线的电路110，在本发明的其中一个优选实施方式中，线圈组件100为PCB板，PCB板的两侧表面均蚀刻有电路。

参看图1和图2，磁钢组件200包括磁钢210和磁轭220，磁钢210和磁轭220均为圆盘形，磁钢210上均匀间隔设置有复数块磁铁211，磁钢210就是由复数块磁铁211组合在一起形成的一块整体的磁钢210，磁钢210设置于磁轭220的一侧，磁轭220上设置有磁钢210的一面朝向线圈组件100，转轴300穿过线圈组件100和线圈组件100两侧的磁钢组件200的圆心，并且磁钢组件200的磁轭220的圆心与转轴300连接，叶轮连接于转轴300上。

工作的时候，风力带动转轴300旋转，转轴300带动磁钢组件200的磁轭220旋转，磁轭220再带动设置于磁轭220上的磁钢210旋转，而此时，线圈组件100两侧外的磁钢组件200之间产生磁场，并且磁钢组件200还在旋转之中，所以线圈组件100上的电路110开始切割磁感线，从而达到切割磁感线发电的效果。

并且由于本实施例中，一个风力发电机包含有多个发电模块400，而发电模块400与发电模块400之间的电路可以通过串联连接也可以通过并联连接。这样的设计在外部风力较大时，可以采用将发电模块400与发电模块400之间的电路并联连接，这样不仅减小了电压，保护了电路，同时还可以对多个用电器进行供电；在外部风力较大时，可以采用将发电模块400与发电模块400之间的电路串联连接，这样可以增大电压，在外部风力很小的情况下也能达到供电的效果。

参看图5，为了增强磁钢组件200之间的磁场强度，在本发明的其中一个优选实施方式中，磁钢210上的磁铁211的磁极排布如下：一块N极朝向线圈组件100的磁铁211和一块N极朝向磁轭220的磁铁211间隔设置，N极朝向线圈组件100的磁铁211两侧还设置有两块N极45°朝向中间的磁铁211。

参看图6，为了增强磁钢组件200之间的磁场强度，在本发明的另外一个优选实施方式中，磁钢210上的磁铁211的磁极排布如下：一块N极朝向线圈组件100的磁铁211和一块N极朝向磁轭220的磁铁211间隔设置，N极朝向线圈组件100的磁铁211两侧还设置有两块N极水平朝向中间的磁铁211。

通过以上两种磁极排布的组合，可以提高磁场的强度40%左右，达到了聚合磁场的效果。

由于常规设计的发电机在工作的时候，由磁轭产生的涡流发热，机械传动产生的摩擦发热，导线线圈组件发.为了进行降温,参看图4，线圈组件包括中空导线，中空导线内有冷却媒介经过，本发明的线圈组件100也可以为空心铜管110线路，空心铜管110内有冷水经过。首先铜材质的散热效果就很好，其次在空心铜管110内有冷却水流过，能够起到水冷的效果。

在本发明的其中一个优选实施方式中，线圈组件100、磁钢组件200外设置有外壳。

本发明的有益效果为：

（1）目前的风力发电机,由于采用常规的绕组形式和磁钢的组合安装方式,在发电机工作时,不可避免的产生大量的热量,这些主要有:由轭铁产生的涡流发热,机械传动产生的摩擦发热,导线电阻发热.并且主要的热量是由前两个产生.本发明磁钢固定在轭铁上,并和轭铁一起固定在转轴上,在一对磁钢的气隙中间产生恒定均匀的磁场,没有涡流发热.由于是风叶直接带动转轴,没有增速机构,机械摩擦仅仅是轴承的摩擦,所以摩擦发热就会很小.因此本发明的结构设计决定了整套发电机的发热量比起常规设计,会大大减少,对冷却的要求就会降低很多很多。

（2）本发明的磁钢组合和安装方式,使磁钢的磁能的利用率有极大的提高.磁钢几乎所有的磁场都集中在两组磁钢和轭铁组成的气隙中间,杂散磁场很小.气隙内磁场强度均匀,强度大,大型的风力发电机可以达到12000Gs以上,微型的风力发电机也可以达到6000Gs以上.高而均匀的磁场可以提高风电的效率,为后续的整流和变流提供稳定和充沛的能源。

（3）由于风力的不稳定性,风力有时很小,有时又很大,风能和风速的立方成正比.因此,常规设计的风力发电机,能利用的风速范围很窄.风速低了,启动不了,风速高了,恐烧毁设备,要强制停机.本发明可以解决这个问题,使风力发电机对风速要求大大降低,风速的可利用范围大大提高.具体的方法是:每个风力发电单元多组线圈输出,整套风力发电机的输出组数就会很多.再由外围的控制系统根据每组线圈的输出电压,进行不同数量的线圈输出串联,以达到一定范围内相对稳定的输出电压.再把这些达到要求输出电压的线圈组进行并联,就达到了增大输出功率的目的,尽可能高的利用了风能.例如:在最低风速时,可以有360个线圈串联,输出380伏电压,在高风速时,2个线圈串联就能达到380伏电压,这时可以有180组并联输出,输出极高的功率。

（4）通常的风力发电机设计,由于整机的发热很大,需要采用的磁钢要求很高,要求有高的磁能积和很高的Hc(矫顽力)才能正常稳定的长期工作,而这种磁钢的价格很高,这就造成了整台风力发电机的成本很高.本发明对磁钢的要求就不高,使用N牌号或M牌号的钕铁硼磁钢就能正常工作.在磁钢的费用上,可以节约50%左右.而按常规设计,使用SH牌号的钕铁硼,整台风力发电机的磁钢成本通常在25%左右。

（5）以前通常设计的风力发电机,它的磁钢是安装在转子的圆周上,转子在高速转动时,会产生很大的离心力,这就要求一方面磁钢必须安装得非常牢固,以防止磁钢松动,又要非常小心,以防止过分大的锁紧力对磁钢造成损伤.另一方面,由于转子的长度比较长,整个转子必须做动平衡试验,耗费的时间和费用很高.本发明磁钢安装在薄圆片的平面上,长径比很小,只要做静平衡就可以了方便了磁钢的安装和调试.另外转子工作时受力方向也和常规的完全不同,只是受到侧向的力,而这种力是很容易消除的.另外两组磁钢和轭铁相对组装,它们之间的气隙中,磁场强度均匀,强度高,并且可以根据不同的线圈尺寸,调整不同的气隙,很方便线圈的设计。

（6）通常设计的风力发电机,由于线圈是嵌在矽钢片的线槽内,矽钢片和磁钢之间的吸引力很大,并且有死点.这样风力发电机的启动必须要有很大的风力.同时,根据资料,目前的风力发电机的最大可以利用的风力也很低,大约到10级风,再大就不能利用.本发明的线圈中没有铁磁性材料,线圈和磁铁没有作用力,所以很小的风力就可以启动发电机.并且,通过线圈输出的不同组合,可以承受极高的输出功率.这样风力发电机的工作范围向风力小和风力大两个方向扩展,大大地提高了风能的利用率,也提高了风力发电机的利用率,很大程度上节约了风力发电的成本。

（7）如前面所介绍,在本发明中,在风速很低时,主轴的转速很慢,这时每组线圈的输出电压很低,这时很低的电压是几乎没有利用价值的,但是如果把几百个线圈输出的电压串联起来(即电压加起来),就可以得到一定电压值的有利用价值的输出.在很高风速时,主轴的转速很高,这时一个线圈的输出电压就有可能达到上百伏特甚至几百伏特,这样只有几个或者一个线圈的输出就达到了输出要求,这时把几个线圈组成一组再并联甚至每个线圈都并联起来,风力发电机就有了极高的输出功率.把风力发电机的定子线圈分成多组线圈,在分别连接到控制系统,控制系统根据每组线圈的输出电压大小,进行分组,进行串联或并联,可以极大改善风力发电机的工作状况,提高了风力发电机的性能,风力发电机的输出能量可以有几百倍的变化。

（8）线圈在几乎平行的磁场中直接做切割磁力线运动,由于线圈中没有铁芯,转子磁铁不会被常规设计中线圈里的铁芯吸引.所以理论上,本发明的风力发电机,可以在极微的风力中启动,只要克服轴承的阻力既可以工作。

（9）按照前面的介绍,本发明的风力发电机,其输出的功率从最小到最大,可以有1000倍的差距.所以它最低可以在2级风力正常工作,也可以在11级甚至以上的强风中工作.在强风中工作时,由于没有齿轮增速机构,风叶的转速也不会无限提高,因此不会出现发电机转子打飞车的现象。

（10）在本发明中,由风叶直接驱动发电机的转子,发电机的构造及其简单,只有轭铁和磁钢组成的转子,定子线圈,定位转子和线圈的机壳,适当的冷却系统组成,所以整个发电机的结构很紧凑,发电机的重量很轻.这对发电机的安装和维护产生了极大的方便.并大大的节约了制造成本。

（11）由于在大多数时候,风力比较小,风叶的转速会很低.因此常规的风力发电机的设计,需要有很多齿轮组成的增速机构,来提高转子的转速,达到可利用的输出电压,这样在齿轮传动过程中,造成了很多的能量损失,增加了发热,磨损,噪音等.本发明中,由于采用了独特的线圈分多组和有控制系统智能组合的办法,使得发电机转子在很低的转速下,也能得到可利用的输出电压,所以可以把齿轮增速机构省略,同时,在强风下发电机的转子也不会出现飞车现象.这样,在机械传动的能量损耗就就会没有了,运行中由机械产生的噪音也消失了,发电机的自重也省去了一大半,造价也低了很多.而且去掉了机械增速部分,发电机的维护周期也变得很长很长.常规的风力发电机,齿轮增速部分是经常出故障的地方。

（12）在本发明中,由于没有了涡流发热,机械的摩擦发热,所有的仅仅是线圈有电流流过时欧姆发热,因此发电机的发热功率大大减少,发出的热量也大大减少,这样冷却系统的负担就很轻,冷却系统就可以设计得很简单。

（13）在本发明中,由于发热少,冷却系统可以很简单,甚至不需要冷却系统,因此可以把发电机生产成密封型的,这样对延长发电机的寿命有很大的帮助.同时由于没有机械传动部分,发电机运行是噪音也有极大的降低。

（14）在示意图中可以看出,本发明设计简单,加工方便,组装简便,因此发电机的生产成本低廉。

（15）本发明涉及一种发电机,可以应用于稳定能源,如水力发电,汽轮发电,也可以应用在不稳定能源,如风能,潮汐能,波浪能等.发电机的应用范围很广。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围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要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种多方式输出的风力发电机，其特征在于，包括发电模块、转轴和叶轮，所述发电模块的数量为两个以上，所述发电模块包括线圈组件和磁钢组件，所述线圈组件的两侧外均设置有磁钢组件，所述线圈组件为圆盘形，所述圆盘形线圈组件上设置有用于切割磁感线的电路，所述磁钢组件包括磁钢和磁轭，所述磁钢和磁轭为圆盘形，所述磁钢上均匀间隔设置有复数块磁极，磁钢设置于磁轭的一侧，所述磁轭上设置有磁钢的一面朝向线圈组件，所述转轴穿过线圈组件和线圈组件两侧的磁钢组件的圆心，并且磁钢组件的磁轭的圆心与转轴连接，所述叶轮连接于转轴上，所述发电模块与发电模块之间通过以下方法之一连接：并联连接、串联连接；每个发电模块多组线圈输出,整套风力发电机的输出组数就会很多，再由外围的控制系统根据每组线圈的输出电压,进行不同数量的线圈输出串联,以达到一定范围内相对稳定的输出电压，再把这些达到要求输出电压的线圈组进行并联,就达到了增大输出功率的目的。

2.根据权利要求1所述的一种多方式输出的风力发电机，其特征在于，所述线圈组件为PCB板，所述PCB板的两侧表面均蚀刻有电路。

3.根据权利要求1所述的一种多方式输出的风力发电机，其特征在于，所述线圈组件包括中空导线，中空导线内有冷却媒介经过。

4.根据权利要求2或3所述的一种多方式输出的风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁极排布如下：N极朝向线圈组件的磁铁和N极朝向磁轭的磁铁间隔设置，N极朝向线圈组件的磁铁两侧还设置有两块N极45°朝向中间的磁铁。

5.根据权利要求2或3所述的一种多方式输出的风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁极排布如下：N极朝向线圈组件的磁铁和N极朝向磁轭的磁铁间隔设置，N极朝向线圈组件的磁铁两侧还设置有两块N极水平朝向中间的磁铁。

6.根据权利要求1所述的一种多方式输出的风力发电机，其特征在于，所述线圈组件、磁钢组件外设置有外壳。