CN103758707A - 垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置，包括同轴上下设置的用于与风轮固连的转子、固定设置的定子，在所述定子和转子相对的外表面之间留设有气隙，在气隙中于所述定子的外表面上沿圆周均布有两个以上的磁悬浮永磁体，各磁悬浮永磁体的一端N极或S极同时朝向相对的转子外表面，在气隙中于相对的转子外表面上绕圆周均匀布有成对设置的、用于通过磁力与磁悬浮永磁体相互作用的磁力驱动永磁体，每对的磁力驱动永磁体的其中一个为N极朝向相对的定子外表面、另一个为S极朝向相对的定子外表面，各磁力驱动永磁体朝向定子的磁极为N极、S极交替布设。上述启动装置具有结构简单、成本低廉、安装方便等特点。

Description

垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置
技术领域
本发明属于垂直轴风力发电机和磁力驱动机相结合的交叉技术领域，涉及一种结构简单、制造方便、成本低廉、易于安装维护的垂直轴风轮辅助启动的磁力驱动装置。 
背景技术
风能是一种清洁无污染的绿色可再生能源，已逐渐成为世界各国大力开发利用的一种新能源。我国风能资源丰富的“三北”（东北、华北、西北）地区经过多年“圈地”之后，风电开发已趋于饱和。风电运营商、风机制造业都将低风速风能资源利用作为新的重点发展方向之一。 
垂直轴风力发电机的风轮结构如2010105728229中公开的一种升阻融合翼板型垂直轴风轮，其旋转轴线与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行，具有无需对风向、无噪音、安全、可靠、外形美观和维护简单等优点，而且垂直轴风力发电机的风轮机塔架结构简单，操作和维修方便，叶片制造成本低廉，目前已经开始应用于城市中心区域的公共照明、居民家庭、大型户外广告、电信基站、油田、风电大楼、高速公路全程监控系统、游船、乡村电站等领域。 
垂直轴风力发电机根据气动力的不同主要分为两类，一类是利用空气产生的阻力作功的阻力型垂直轴风力发电机，典型的结构是萨布纽斯型风力发电机（有时也称为S 型风力发电机）；另一类是利用空气产生的升力作功的升力型垂直轴风力发电机，最典型的是达里厄（Darrieus）型垂直轴风力发电机和衍生出的H 型垂直轴风力发电机。 
阻力型的萨布纽斯型风力发电机通常由两枚转动轴线错开的半圆柱形叶片组成，也有用3 至4 枚的，这种风力发电机往往上、下重叠多层，其优点是启动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力更易产生振动，同时迎风面积大，抗风能力差，而且效率都很低，因此较难以商业化。 
而升力型的达里厄（Darrieus）型垂直轴风力发电机和衍生出的H 型垂直轴风力发电机的叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩，其叶片多为2-3 枚，装置简单，成本也较低，具有转速高、旋转惯性大、结构简单等优点，但其启动转矩小、启动性能差、存在“启动死点”，需要较高的启动风速，因而在低风、弱风情况下无法使用，直接影响该机型在低风速风能资源区的有效利用。 
发明内容
本发明的目的是提供一种提高垂直轴风力发电机的风轮的启动性能的垂直轴风力发电机。 
本发明的磁力辅助启动装置的技术方案是：一种垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置，包括同轴上下设置的用于与风轮固连的转子、固定设置的定子，在所述定子和转子相对的外表面之间留设有气隙，在气隙中于所述定子的外表面上沿圆周均布有两个以上的磁悬浮永磁体，各磁悬浮永磁体的一端N极或S极同时朝向相对的转子外表面，在所述气隙中于相对的转子外表面上绕圆周均匀布有成对设置的、用于通过磁力与磁悬浮永磁体相互作用的磁力驱动永磁体，每对的磁力驱动永磁体的其中一个为N极朝向相对的定子外表面、另一个为S极朝向相对的定子外表面，各磁力驱动永磁体朝向定子的磁极为N极、S极交替布设。 
所述的永磁体为瓦形永磁体，各瓦形永磁体的S极、N极分设于其内凹面和外凸面上。
所述定子上各磁悬浮永磁体为N极朝向转子，所述转子上各N极朝向定子的磁力驱动永磁体的磁感应强度为各S极朝向定子的磁力驱动永磁体的磁感应强度的2倍。 
所述定子上各磁悬浮永磁体为N极朝向转子，所述转子上各N极朝向定子的磁力驱动永磁体的宽度为各S极朝向定子的永磁体的宽度的2倍。 
还包括用于螺纹旋套在主轴上的气隙调整螺母，该气隙调整螺母的上端与所述定子的下部顶触配合。 
所述转子包括用于活动套设在主轴上的法兰盘及设于法兰盘下端面朝下凸设的直径由上至下逐渐缩小的圆锥台体，所述的磁力驱动永磁体固设于该圆锥台面上；所述定子包括套体，套体上挖设有供圆锥台体插入的、直径由上至下逐渐缩小的圆锥台孔，所述磁悬浮永磁体固设于该圆锥台孔的孔壁上。 
本发明的垂直轴风轮辅助启动磁力驱动装置结构简单、使用方便，转子和定子通过其间留设的0.5～1mm的气隙充分的利用磁力的吸力和斥力，使磁力辅助启动装置在发电机风轮的自身重力和定子与转子之间磁力的作用下形成一个“能量储放器”，与发动机工作过程中飞轮反复的储存—释放惯性能量以使曲轴不断越过死点的原理相类似，当配备该装置的风轮遇风微动但能量不足以越过风轮死点时，该装置的磁极间由于距离的变化却能阻碍将风轮微动的正向位移做功而转化为磁能储存起来而类似于水库储水，并通过与风轮转动死点位置的匹配，而在风轮微动抵达风轮的死点位置、恰好也在磁能储存到峰值时也即磁极的极性转换位置而如水库开闸一般泄放出驱动风轮正向位移做功的磁能，同时由于风力是持续作用在风轮上的，始终保持同向的持续驱动力，虽然平缓的风的力量不足以推动风轮越过死点，但是风力被磁力驱动装置储存并在合适的时机释放时，也即磁力释放的时机与风轮跨越的死点位置的时机对应相配合时，磁极的力量与风的力叠加后将产生大于单纯风的力量的合力，如该合力大于风轮启动所需的最小作用力即可跨越风轮死点，本装置如此反复的储存——泄放能量，就能像飞轮带动发动机曲轴一般带动风轮启动而持续旋转。需要注意的是，本发明中的磁力驱动装置并未凭空产生能量，仅是将持续作用的风能进行蓄能和适时的泄放而配合持续的风力跨越风轮的死点。 
进而，本发明的磁力辅助启动装置还有以下有益效果： 
1、本发明通过磁力驱动装置的磁路设计，利用永磁体的同性相斥及异性相吸原理，使得垂直轴风轮部分自重和磁性斥力得以平衡，从而减少垂直轴风机的启动摩擦阻力。
2、本发明通过磁力驱动旋转组件的永磁体磁感应强度大小、永磁体宽度、磁极间隔的布局以及磁悬浮固定盘组件的90°磁偏角设置，磁力驱动装置在静止状态处于临界平衡状态，稍有“风吹草动”便可使得垂直轴风轮启动旋转，解决了垂直轴风轮的“启动死点”难题。 
3、本发明通过60°的锥面夹角设计，不仅使得垂直轴风轮在轴向作为主要的垂直轴风轮辅助启动装置，而且在径向所存在的辅助分力可提高垂直轴风轮的对中性和运转平稳性。 
综上所述，本发明所述的装置具有结构简单、成本低廉、安装方便等特点，可为垂直轴风轮启动提供一种启动风力小、摩擦力小的软风辅助启动磁力驱动装置，从而提高垂直轴风机在低风速环境条件下的风能利用率。 
附图说明
图1为本发明的具体实施例的结构示意图； 
图2为图1中转子的仰视图；
图3为图1中定子的俯视图；
图4是本发明磁力辅助启动装置的仿真分析模型原料图；
图5是图4中仿真分析模型的磁力线分布图；
图6是图4中仿真分析模型的仿真分析曲线图。
具体实施方式
本发明的垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置应用于垂直轴风力发电机的结构如图1、图2、图3所示，该垂直轴风力发电机的实施例中包含了本发明中的磁力辅助启动装置的具体实施例。 
垂直轴风力发电机包括固定的主轴6和转动装配于主轴6上的风轮（图中未显示）以及设置于主轴6与风轮之间的磁力辅助启动装置。磁力辅助启动装置包括上下同轴设置的转子1、定子2及分设于转子1和定子2上的永磁体，转子1和定子2中心开孔并上下间隔的套设在垂直轴风力发电机的主轴6上。其中，转子1与主轴6转动配合并与风轮固连，定子2固定安装在主轴6上在工作时与主轴6一起保持固定状态。 
转子1包括用于与垂直轴风力发电机的风轮固定连接的法兰盘11和法兰盘11下端凸设的上大下小的圆锥台体12，圆锥台体12的圆锥面上围绕圆周均设的12个固定槽固定有12个磁力驱动永磁体4；定子2是固定安装在主轴6上的套体，套体中开设有供圆锥台体12插入的上大下小的圆锥台孔，在该圆锥台孔的孔壁上通过圆周均匀挖设的3个同心的弧形固定槽固定有3个弧形的磁悬浮永磁体5；转子1上的圆锥台体12的外锥面与主轴6的之间的夹角及定子2上圆锥孔的内锥面与主轴6之间的夹角均为60°，转子1与定子2之间的气隙则设置于两者的圆锥面之间。转子1上的各磁力驱动永磁体4的磁轴及定子2上各磁悬浮永磁体5的磁轴分别垂直于相应圆锥面上对应的法线，从而使得转子1上的各磁力驱动永磁体4一端磁极沿磁轴朝向定子2上的对应圆锥面，而定子2上的各磁悬浮轴承5的一端磁极沿其磁轴朝向转子1上的对应圆锥面，当转子1上的某一磁力驱动永磁体4在转动到相应位置时其磁轴与定子2上相对的磁悬浮永磁体5的磁轴平行或重合。具体的，转子1上的各磁力驱动永磁体朝向定子2的一端磁极为N极、S极交替分布，定子2上的各磁悬浮永磁体5朝向转子1的一端磁极均为N极或均为S极。本实施例中，安装于转子1上的各磁力驱动永磁体4均为弧形的瓦形永磁体，这种瓦形永磁体的两个磁极分设于其内凹面和外凸面上，各瓦形永磁体通过厌氧胶粘接固定在转子1的圆锥面上对应挖设的固定槽中，各瓦形永磁体的内凹面与转子1的圆锥面弧度一致。转子1上的N极朝向定子2的各磁力驱动永磁体4的磁感应强度是S极朝向定子2的各磁力驱动永磁体4的磁感应强度的两倍，同时，N极朝向定子2的各磁力驱动永磁体4的宽度也是S极朝向定子2的各磁力驱动永磁体4的宽度的两倍。而定子2上固定的各磁悬浮永磁体5的磁感应强度与转子1上的N极朝向定子2的各磁力驱动永磁体4的磁感应强度相等。 
而且，为调整转子1与定子2之间的气隙间距，定子2下部的主轴6上还螺纹旋装有气隙调整螺母3，该气隙调整螺母3的上端面上凸设有环形凸台，该环形凸台过盈插配于定子2圆锥孔下端而与定子2连接固定，同时，气息调整螺母3的上端面与定子2的下部挡止限位配合，使用时，旋转气隙调整螺母3，即可带动定子2沿主轴6上下移动，从而调整定子2与转子1之间的气隙间距，使气隙保持在0.5mm～1.5mm之间。 
本发明不局限于上述实施例，上述转子上的圆锥面于主轴之间的夹角以及定子上的圆锥面于主轴之间的夹角可以在0~90°之间同时调整，如果将上述实施例中的磁力辅助启动装置定位圆锥形磁力辅助启动装置，其当转子上圆锥面于主轴之间的夹角蜕变为0°时，定子2上端面挖设的孔形成圆柱孔，磁悬浮永磁体5则安装在圆锥孔的内孔壁上，而转子1形成插入该圆锥孔中的圆柱体结构，磁力驱动永磁体则安装在外圆柱面上，此时，磁力辅助启动装置则成为圆柱形磁力辅助启动装置；而当转子上圆锥面于主轴之间的夹角为90°时，转子1和定子2构成圆盘形磁力辅助启动装置；转子1上也可以采用S极朝向定子的各磁力驱动永磁体的磁感应强度和/或宽度为N极朝向定子的各磁力驱动永磁体的两倍，此时，定子上各磁悬浮永磁体均为S极朝向转子；转子1上的各磁力驱动永磁体的磁感应强度和宽度也可以相同，当各磁力驱动永磁体的磁感应强度相同时，该磁力辅助启动装置为等强磁力辅助启动装置，当各磁力驱动永磁体的宽度相同时，该磁力辅助启动装置为等宽磁力辅助启动装置，当各磁力驱动永磁体的磁感应强度于宽度均相同时，该磁力辅助启动装置为等宽等强磁力辅助启动装置。 
为进一步说明该磁力辅助启动装置的原理，下面用磁力辅助启动装置的模型通过仿真分析进行说明。该模型中，转子和定子均由铝材制成，转子外径40mm、内径25mm，转子上圆周均匀开设12个槽并交替镶嵌6个1000高斯和6个500高斯钕铁硼永磁体，各1000高斯永磁体的N极朝向定子，各500高斯永磁体的S极朝向定子。定子上圆周均匀开设三个槽，每个槽中镶嵌1000高斯钕铁硼永磁体且各永磁体的N极朝向转子，定子与转子之间的气隙为1mm。定子与转子装配后永磁体之间的磁力线分布如图5所示，当在转子上加载0.05NM的波形脉冲转矩信号，加载200毫秒后卸载，转子平稳运转20秒仍未出现衰减。 
在本发明的其他实施例中，转子上的磁力驱动永磁体的数量还可以采用4个、6个、8个等，只要转子上的磁力驱动永磁体成对设置，其中一个N极朝向定子，另一个S极朝向定子；定子上的磁悬浮永磁体也可以采用2个、4个或更多。 

Claims (6)

1.一种垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置，其特征在于，包括同轴上下设置的用于与风轮固连的转子、固定设置的定子，在所述定子和转子相对的外表面之间留设有气隙，在气隙中于所述定子的外表面上沿圆周均布有两个以上的磁悬浮永磁体，各磁悬浮永磁体的一端N极或S极同时朝向相对的转子外表面，在所述气隙中于相对的转子外表面上绕圆周均匀布有成对设置的、用于通过磁力与磁悬浮永磁体相互作用的磁力驱动永磁体，每对的磁力驱动永磁体的其中一个为N极朝向相对的定子外表面、另一个为S极朝向相对的定子外表面，各磁力驱动永磁体朝向定子的磁极为N极、S极交替布设。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置，其特征在于，所述的永磁体为瓦形永磁体，各瓦形永磁体的S极、N极分设于其内凹面和外凸面上。
3.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置，其特征在于，所述定子上各磁悬浮永磁体为N极朝向转子，所述转子上各N极朝向定子的磁力驱动永磁体的磁感应强度为各S极朝向定子的磁力驱动永磁体的磁感应强度的2倍。
4.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置，其特征在于，所述定子上各磁悬浮永磁体为N极朝向转子，所述转子上各N极朝向定子的磁力驱动永磁体的宽度为各S极朝向定子的永磁体的宽度的2倍。
5.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置，其特征在于，还包括用于螺纹旋套在主轴上的气隙调整螺母，该气隙调整螺母的上端与所述定子的下部顶触配合。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的垂直轴风力发电机的磁力辅助启动装置，其特征在于，所述转子包括用于活动套设在主轴上的法兰盘及设于法兰盘下端面朝下凸设的直径由上至下逐渐缩小的圆锥台体，所述的磁力驱动永磁体固设于该圆锥台面上；所述定子包括套体，套体上挖设有供圆锥台体插入的、直径由上至下逐渐缩小的圆锥台孔，所述磁悬浮永磁体固设于该圆锥台孔的孔壁上。
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Assignee: Beicun mould manufacturing (Kaifeng) Co.,Ltd.

Assignor: Henan University of Science and Technology

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Denomination of invention: Magnetically-assisted starter for vertical-axis wind turbines

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