CN102904491A - 盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示的盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，是结合日本无芯盘式发电机、国内多款垂直轴盘式内转子发电机和斥力型磁悬浮垂直轴盘式发电机多种机型的特点，在此基础上的集成创新，创新点在于吸力型磁悬浮垂直轴风力发电机组，吸力型机型比斥力型机型材料省、成本低，且本发明的机组无须额外电源和控制器，即能实现自适应平衡，使机组具有较高的性价比和市场前景。

Description

盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组
技术领域
本发明属于同步发电机技术领域，具体地说，是提出一种带有准磁悬浮功能的永磁盘式(轴向磁场)发电机结构。
背景技术
在风力发电机技术领域，发电机是将机械能转变为电能所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，如何减小轴承摩擦力，成为改善风机性能的关键。希望发电机具有更低的机械噪声、更高的机电效率、更小的机械阻力，更长的运行寿命，以及最小的起动阻力矩，而磁悬浮结构成为首选的解决方案。
带磁悬浮功能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很多，致使整机性价比下降，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、低成本的新型结构的磁悬浮功能的盘式风力发电机。
发明内容
本发明的目的是通过采用价格低廉的吸力型磁悬浮结构，可以在减小轴承摩擦力的同时，有效降低磁悬浮风力发电机的整机成本，从而使磁悬浮风力发电机有一个较高的性价比，可以在低成本的前提下降低发电成本。
盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组是这样构思设计的，利用现有发电机转子永磁体与定子磁轭间产生的向上磁吸力，形成准磁悬浮力，将发电机整个转子和风轮(透平)机的重力，通过磁吸力直接转移到定子上，而不再通过轴承转移到机座上，从而降低了轴承上的轴向压力，减少轴承机械磨损和噪音，在不增加成本的前提下达到最佳的技术效果。
本发明装置是这样实现的，一种盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，发电机组主体结构由定子轴(3)、永磁体(1)、转子磁轭(2)、定子绕组(4)、端盖和轴承(6)、风轮透平机(7)组成，风轮透平机(7)安装在上端盖或与上端盖相连接的平台上，其特征为，在定子绕组(4)的上方还有一个定子磁轭(5)，永磁体(1)与定子磁轭(5)二者之间产生的磁性吸力，使转子和风轮透平机总成的重力，由原来应该作用在轴承上的轴向压力，通过定子磁轭(5)转移到机座上，对轴承而言，相当于提供了一个向上的、抵消重力的磁悬浮力；发电机自上而下的结构顺序为：风轮透平机、上端盖、定子磁轭、定子绕组、永磁体、转子磁轭和下端盖；定子磁轭(5)、定子绕组(4)与定子轴(3)相固定；转子磁轭(2)与永磁体(1)和上下端盖相固定；下端盖与上端盖构成发电机外壳。
由于在传统的垂直轴风力发电机中，转子体和风轮透平机总有一个向下的重力，该重力形成的轴向压力作用在轴承上。当风轮机转动时，该压力将增加轴承的磨损，而磁悬浮力可以转移或平衡转子体和风轮(透平)机的重力，降低轴向推力轴承的压力，从而可以降低轴承噪音和轴承磨损，降低维护成本，也有利于减少机组的起动阻力矩、转动摩擦力损耗，且提高发电机效率，同时也增加了发电机的可靠性和寿命。
相比较而言，斥力型磁悬浮垂直轴风力发电机需要增加至少一对二片永磁体来产生悬浮斥力，而与之相比，本发明不需要额外增加永磁体，即能产生磁悬浮吸力，具有明显的技术优势和成本优势，有利于从风中获得更多能量，有利于风力发电机的推广应用。
附图说明
图1为本发明的盘式磁悬浮外转子垂直轴风力发电机组结构图。
图2为发电机内磁场磁力线流向示意图。
图3为发电机外壳构造图。
具体实施方式
图1为本发明的盘式磁悬浮外转子垂直轴风力发电机组结构图。从图中可以清楚看出本发明中发电机的结构。风轮透平机(7)安装在上端盖上，是将风力动能转化为发电机转子的机械转动能量的重要部件，图1中所画的风轮透平机只是风轮透平机中的一种，即达里厄型风轮机，而风轮透平机也可以有多种其它形式，例如H型、S型、风杯型、弗来纳等型，或他们的复合型。风轮透平机安装的具体位置，可视风轮机的具体形式和结构而定，例如，可以直接安装在上端盖或下端盖，也可以安装在侧面，图中则是通过与上端盖相连接的平台而间接安装在上端盖。
发电机中的永磁体(1)可以采用多种磁体，例如铁氧永磁体、钐钴永磁、铝镍钴永磁或稀土永磁等等，稀土永磁中的钕铁硼永磁具有很高的磁能积，性价比高。我国又是稀土资源大国，资源丰富，钕铁硼永磁在风力发电机中获得广泛应用，永磁体(1)总是呈偶数极设计选用，且以异极性相邻均匀分布在以轴心为圆心的某一半径的同心圆周上，磁体形状根据定子绕组结构和需要设计，可以是圆形、矩形或梯形，气隙磁力线方向沿轴向流动。
定子磁轭(5)是一个平板导磁体，用以降低空气中的磁阻，一般采用导磁系数较高的铁质、镍质或其它导磁合金材料，由于定子磁轭(5)中的磁力线是交变的，所以应该选择高电阻率的导磁材料，例如采用硅钢片或非晶导磁体材料，以减少由磁场交变和涡流所产生的额外功率损耗，防止电机发热、提高发电机的效率。转子磁轭(2)材料可以与定子磁轭(5)相同，也可以用导磁铁，甚至可以省略并以导磁的下端盖，例如铁质端盖代替。
图2为发电机内磁场磁力线流向示意图，从图中可以看出，该磁力线一方面在轴向穿越发电机气隙，产生气隙磁通并在定子绕组内形成磁链，即形成发电机的主磁通，在转子转动时，在绕组内发生磁力线切割变化感生电动势；另一方面，它还通过定子磁轭(5)完成回路，使定子磁轭对整机转动部分产生一个向上的引力，这就是本发明装置的准磁悬浮力。
定子轴(3)实际上只是定子体的中心轴或固定轴，轴上有法兰(图中未画出)，供机组安装在塔架上，并不是发电机的转轴，发电机的转轴即为风轮机轴。
定子绕组(4)采用平面绕组的形式，绕组成型后安置在特制的线圈架上，线圈架与定子磁轭(5)固定，或者直接将绕组粘贴在定子磁轭上，绕组的端线从发电机定子轴的内孔中引出。
图3为发电机外壳构造图。其中，a)图为对合的盒盖式构造，将二个相同或相近尺寸盒盖合成一个电机壳体；b)图为平板式，即上下端盖都是平板或接近平板状的圆盘，在二者之间加上一个圆环，围成一个三件空间，图1所示为这一三件结构加上一块中间板；c)图为圆杯式，即由一个圆杯加上一个平板圆盖围成电机空间。发电机外壳可以是但不限于图中所列形式。在壳体的外部可以增加散热筋或加强筋，以提高散热性能或结构强度。
通常的垂直轴发电机中，轴承是保证转子自由旋转所必须配置的动静连结构件。在垂直轴发电机中，由于在静止状态时，发电机中主要的结构受力均在垂直方向，成为轴向推力作用于轴承，轴承不承受水平压力，只有在水平风吹动发电时，才有水平方向的推力，所以轴承也仅起限位和约束作用，就是把转子限制在垂直轴线转动的范围内。在本发明的装置中，依然需要保留轴承的约束和定位作用，但轴向推力被磁悬浮结构转移到定子轴，不再作用于轴承上。只存在风吹动时的推力，明显改善了轴承受力，由轴承所产生的噪声、磨损、润滑、保养、机械阻力引起的效率损失、起动阻力矩、可靠性和工作寿命等等问题都被迎刃解决。
本发明的另一显著特点是，并没有为达到磁悬浮目标而增加额外的永磁体或增加任何附件，这就可能大大降低机组成本，提高性价比，创造产品在市场上的竞争优势。
本发明的发电机，在设计时，应该通过计算，使永磁体(1)与定子磁轭(5)之间所产生的磁悬浮力，等于或接近于风轮透平机和发电机转子二部分相加的重力之和，此时轴承上所受的轴向力最小，转动时发生的磨损和噪音也最小。

Claims (9)

1.一种盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，发电机组主体结构由定子轴(3)、永磁体(1)、转子磁轭(2)、定子绕组(4)、端盖和轴承(6)、风轮透平机(7)组成，风轮透平机(7)安装在上端盖或与上端盖相连接的平台上，其特征为，在定子绕组(4)的上方还有一个定子磁轭(5)，永磁体(1)与定子磁轭(5)二者之间产生的磁性吸力，使转子和风轮透平机总成的重力，由原来应该作用在轴承上的轴向压力，通过定子磁轭(5)转移到机座上，对轴承而言，相当于提供了一个向上的、抵消重力的磁悬浮力；发电机自上而下的结构顺序为：风轮透平机、上端盖、定子磁轭、定子绕组、永磁体、转子磁轭和下端盖；定子磁轭(5)、定子绕组(4)与定子轴(3)相固定；转子磁轭(2)与永磁体(1)和上下端盖相固定；下端盖与上端盖构成发电机外壳。
2.权利要求1所述的盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，其特征为，风轮透平机(7)为H型、S型、风杯型、弗来纳型等机型中的一种，或者是这些机型的复合型。
3.权利要求1所述的盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，其特征为，发电机中的永磁体(1)为稀土永磁体、铁氧永磁体、钐钴永磁体或铝镍钴永磁体、钕铁硼稀土永磁体中的一种。
4.权利要求1所述的盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，其特征为，定子磁轭(5)是一个平板导磁体，采用导磁系数较高的铁质、镍质或其它导磁合金材料，如硅钢片或非晶导磁体材料。
5.权利要求1或权利要求4所述的盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，其特征为，转子磁轭(2)的材料可以与定子磁轭(5)相同，也可以不同。
6.权利要求1所述的盘式磁悬浮内转子型垂直轴风力发电机组，其特征为，发电机中的转子磁轭(2)省略不用，而以导磁材料，例如导磁铁材料构成的下端盖所代替。
7.权利要求1所述的盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，其特征为，发电机中的定子绕组(4)采用平面绕组的形式，绕组成型后安置在特制的线圈架上，线圈架与定子磁轭(5)固定，或者直接将绕组粘贴在定子磁轭上，绕组的端线从发电机外壳引出。
8.权利要求1所述的盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，其特征为，发电机中的永磁体(1)与定子磁轭(5)之间所产生的磁悬浮力，在制造装配前已事先通过设计计算，等于或接近于风轮透平机和发电机转子二部分相加的重力之和，以使轴承上所受的轴向力最小，磁悬浮效果也最好。
9.权利要求1所述的盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组，其特征为，发电机壳体构造为下列三种中的一种，a)对合式，将二个相同或相近尺寸盒盖合成一个电机壳体；b)平板式，即上下端盖都是平板或接近平板状的圆盘，在二者之间加上一个圆环，围成一个三件空间；c)圆杯式，即由一个圆杯加上一个平板圆盖围成电机空间。发电机外壳可以是但不限于上述所列形式。在壳体的外部可以增加散热筋或加强筋，以提高散热性能或结构强度。
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