CN104234935A - 一种垂直轴磁悬浮风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴磁悬浮风力发电机，由叶片、转轴、发电机、径向永磁轴承、径向混合磁轴承、轴向永磁轴承、上保护轴承和下保护轴承组成。所述的风力机上端径向二自由度是由永磁轴承来完成的，中间是发电机，下端二自由度由径向混合磁轴承来支承，最下面是轴向永磁轴承，用来支承风力机的整体重量，在外扰力很小接近于零时，不消耗电功率就能实现主轴系统的五自由度稳定悬浮。该转轴支承结构仅有下端径向混合磁轴承，可通过改变线圈内的电流，来实现下端径向二自由度主动控制。这种磁悬浮支承方案从根本上消除了传统机械支承形式的机械摩擦，降低了起动阻力矩，从而降低了风力发电机起动风速，提高了风能的利用率。

Description

一种垂直轴磁悬浮风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及一种垂直轴风力发电机，具体是一种小型磁悬浮支承结构的垂直轴风力发电机。

背景技术

随着人们对风能开发利用的强烈追捧，促使各种各样的风力发电机得到了蓬勃发展，传统的风力发电机常采用机械轴承支承转子系统，风机运行时，旋转部分和静止部分存在较严重的摩擦和磨损，增加了风机维护成本。同时，起动转矩和起动风速也都较大，严重影响了风能转换的效率，为了能充分利用低风区的风能资源，降低风力发电机的起动风速，采用磁悬浮支承技术将转子悬浮于空间，从根本上消除了传统支承形式的机械摩擦，降低了起动阻力矩，从而降低了风力发电机起动风速，提高了风能的利用率。

 公开号为CN101034861A，名称为“全永磁悬浮风力发电机”的专利文献采用的磁悬浮支承结构中仍有轴向机械调整结构，因为在轴向上轴通过机械轴承与机架相连，因此依然存在旋转部分与静止部分的机械摩擦与磨损。近年来，稀土资源已被列为我国未来发展的重要战略资源，因而稀土永磁材料的价格涨幅很大。由于，此公开专利文献中采用大量的永磁体，势必会增加磁悬浮风力发电机的制造成本，且装配精度也大受考验，同时也不利于向大型磁悬浮风力发电机研究与开发的方向发展。公开号为CN201714584U，名称为“一种新型磁悬浮风力发电机”的专利文献，前、后径向磁轴承，以及轴向磁轴承均为主动式磁悬浮轴承，这样不仅增加磁悬浮轴承控制系统的规模，还大大增加风力发电机的制造和运行成本，不利于磁悬浮支承技术在风力发电机中的推广应用。公开号为CN101701573A，名称为“一种水平轴悬浮风力发电机”的专利文献采用锥形结构的磁环，由于锥形结构的偏移量与受力关系复杂，因此对安装精度要求较高，并且会出现破损情况，设计过程中，不利于磁悬浮支承结构的精确设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，采用主被动结合的磁轴承支承系统，旋转部分与静止部分完全分离，实现垂直轴磁悬浮风力发电机五自由度稳定悬浮，从根本上消除存在的机械摩擦和磨损，减小维护和运行成本，降低起动风速，提高低风区的风能利用率。

本发明的技术解决方案：一种垂直轴磁悬浮风力发电机，由静止部分和旋转部分组成，其特征在于：静止部分包括径向永磁轴承静磁环部分、发电机定子、六极式径向混合磁轴承定子、轴向永磁轴承下端永磁环和隔磁环、上端保护轴承、下端保护轴承、风力机外壳和风力机塔架；旋转部分包括：叶轮、风力机转轴、挡板、径向永磁轴承动磁环部分、发电机转子、六极式径向混合磁轴承转子、轴向永磁轴承上端永磁环；

叶轮包括叶片和轮毂；

沿转轴方向安装有叶片、挡板、上端保护轴承、径向永磁轴承、发电机、六极式径向混合磁轴承、下端保护轴承、轴向永磁轴承上端永磁环；

其中叶片安装在轮毂上，轮毂直接与转轴相连；

上端保护轴承和下端保护轴承安装在风力机外壳上；上、下保护轴承与转轴保持一定的径向间隙，挡板与上端保护轴承形成轴向保护间隙；

所述径向永磁轴承包括径向永磁轴承动磁环部分和径向永磁轴承静磁环部分；径向永磁轴承静磁环部分安装风力机外壳上，径向永磁轴承动磁环部分位于径向永磁轴承静磁环部分的径向内侧，且两者之间为上端径向工作气隙；

所述径向永磁轴承动磁环部分包括动磁环隔磁支架、动磁环组；

所述径向永磁轴承静磁环部分包括静磁环隔磁支架、静磁环组；

其中，径向永磁轴承动磁环隔磁支架、动磁环组和转轴固定连接；

其中，动磁环组、静磁环组分别镶嵌在动磁环隔磁支架、静磁环隔磁支架中，并通过连杆固定，以保持永磁环之间间隙为零。

所述发电机包括发电机转子和发电机定子；所述发电机定子安装在风力机外壳上，发电机转子位于发电机定子的径向内侧，且两者在径向上形成了发电机的工作气隙。

所述六极式径向混合磁轴承包括六极式径向混合磁轴承定子和六极式径向混合磁轴承转子，所述转子和转轴固定连接，六极式径向混合磁轴承定子安装在风力机外壳上；所述转子位于所述定子的径向内侧，且两者配合形成下端径向工作气隙；

所述的六极式径向混合磁轴承，还包括永磁体、第一电磁线圈、第二电磁线圈、永磁磁极、控制磁极、径向工作气隙和定子磁轭；所述永磁体嵌装在永磁磁极上，径向混合磁轴承电磁线圈缠绕在控制磁极上。

挡板和径向永磁轴承，径向永磁轴承和发电机，发电机和六极式径向混合磁轴承，六极式径向混合磁轴承和轴向磁轴承上端永磁环，都是通过转轴相连在一起的；

轴向永磁轴承下端永磁环通过轴与风力机外壳相连接；风力机外壳固定在风力机塔架上，塔架固定在地面上。

所述的轴向永磁轴承包括轴向永磁轴承上端永磁环、轴向永磁轴承下端永磁环、轴向工作气隙、隔磁环和轴；

所述的轴向永磁轴承下端永磁环包括轴向永磁轴承下端内磁环和轴向永磁轴承下端外磁环；

所述下端内磁环、下端外磁环和隔磁环通过轴与风力机外壳相连接。

上述的径向永磁轴承的定子和转子是由轴向平行磁化的多环经轴向叠加而成的，完成风力机转子上端径向两个自由度的稳定悬浮。径向永磁轴承永磁体环的层数为4，径向永磁轴承的动静磁环在径向上的工作气隙为1.5~3mm。所述的六极式径向混合磁轴承的定子与其转子之间形成的径向工作气隙为0.1~0.3mm。所述的轴向永磁轴承上端永磁环与其下端永磁环之间形成的轴向工作气隙为1.5~3mm。所述的上端保护轴承3、下端保护轴承5与转轴10的径向间隙应小于径向磁轴承和轴向磁轴承的工作气隙，为0.2~0.5mm。

基于上述结构，本发明的垂直轴磁悬浮风力发电机具有以下优点：本发明利用径向和轴向永磁轴承分别完成了转轴上端径向二自由度和轴向单自由度的悬浮，六极式径向混合磁轴承完成了转轴下端径向二自由度的悬浮，不但实现了转轴五自由度悬浮，消除了机械摩擦和磨损，减少了维护成本，降低了起动风速，而且简化了磁悬浮支承结构，降低了磁轴承系统损耗，提高了风能的利用率。相对传统的垂直轴风力发电机，本发明具有结构简单、成本低廉、起动风速低和风能利用率高等优点，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明的垂直轴磁悬浮风力发电机结构平面示意图。

图2是本发明的径向永磁轴承的轴向剖面图和端面图，其中图2(a)为轴向剖面图，图2(b)为端面图。

图3是本发明的六极式径向混合磁轴承的轴向剖面图和端面图，其中图3(a)为轴向剖面图，图3(b)为端面图。

图4是本发明的轴向永磁轴承的轴向剖面图和端面图，其中图4(a)为轴向剖面图，图4(b)为端面图。

附图标记说明：

叶片-1、轮毂-2、上端保护轴承-3、径向永磁轴承-4、下端保护轴承-5、发电机-6、六极式径向混合磁轴承-7、轴向永磁轴承上端永磁环-8、轴向永磁轴承下端永磁环-9、转轴-10、挡板-11、风力机外壳-12、隔磁环-13、轴-14、风力机塔架-15、径向永磁轴承动磁环部分-41、径向永磁轴承静磁环部分-42、发电机转子-61、发电机定子-62、六极式径向混合磁轴承转子-71、六极式径向混合磁轴承定子-72、轴向永磁轴承下端内磁环-91、轴向永磁轴承下端外磁环-92、动磁环隔磁支架-411、静磁环隔磁支架-421、动磁环组-412、静磁环组-422、径向工作气隙-711、第一电磁线圈-721、永磁体-722、永磁磁极-723、第二电磁线圈-724、控制磁极-725、定子磁轭-726、轴向工作气隙-81。

具体实施方式

如图1所示，一种垂直轴磁悬浮风力发电机，由静止部分和旋转部分组成，其特征在于：静止部分从上到下包括上端保护轴承3、径向永磁轴承静磁环部分42、发电机定子62、六极式径向混合磁轴承定子72、下端保护轴承5、轴向永磁轴承下端内磁环91、轴向永磁轴承下端外磁环92、隔磁环13、风力机外壳12和风力机塔架15；

旋转部分从上到下包括：叶片1、轮毂2、风力机转轴10、挡板11、径向永磁轴承动磁环部分41、发电机转子61、六极式径向混合磁轴承转子71、轴向永磁轴承上端永磁环8；沿转轴10方向从上到下安装有叶片1、挡板11、上端保护轴承3、径向永磁轴承4、发电机6、六极式径向混合磁轴承7、下端保护轴承5、轴向永磁轴承上端永磁环8；

叶轮包括叶片1和轮毂2；

其中叶片1安装在轮毂2上，轮毂直接与转轴10相连；上端保护轴承3和下端保护轴承5安装在风力机外壳12上；上、下保护轴承3、5与转轴10保持一定的径向间隙，挡板11与上端保护轴承3形成轴向保护间隙；径向永磁轴承静磁环部分42安装风力机外壳12上，其径向内侧为永磁轴承动磁环部分41，两者之间为上端径向工作气隙；发电机定子62安装在风力机外壳12上，其径向内侧为发电机转子61，两者在径向上形成了发电机的工作气隙；六极式径向混合磁轴承定子72安装在风力机外壳12上，其径向内侧为六极式混合磁轴承的转子71，两者配合形成下端径向工作气隙；挡板11和径向永磁轴承4，径向永磁轴承4和发电机6，发电机6和六极式径向混合磁轴承7，六极式径向混合磁轴承7和轴向磁轴承上端永磁环8，都是通过转轴10相连在一起的；轴向永磁轴承下端永磁环9通过轴14与风力机外壳12相连接；风力机外壳12固定在风力机塔架15上，风力机塔架15固定在地面上。

图2所示为本发明的径向永磁轴承的轴向剖面图和端面图，其中图2(a)为轴向剖面图，图2(b)为端面图，该径向永磁轴承为被动磁轴承，采用多对磁环轴向叠加的方式，完成风力机转轴在上端径向两自由度的稳定悬浮，该径向永磁轴承4由径向永磁轴承动磁环部分41和径向永磁轴承静磁环部分42组成。径向永磁轴承动磁环部分41由动磁环隔磁支架411、动磁环组412和转轴10组成；径向永磁轴承静磁环部分42由静磁环隔磁支架421、静磁环组422组成；动磁环组412、静磁环组422分别镶嵌在动磁环隔磁支架411、静磁环隔磁支架421中，并通过连杆固定，以保持永磁环之间间隙为零；径向永磁轴承静磁环部分42安装风力机外壳12上。径向永磁轴承静磁环部分42和动磁环部分41之间存在一定的上端径向工作气隙413，工作气隙范围为1.5~3mm，本实例中取为1.5mm。径向永磁轴承动磁环隔磁支架411、动磁环组412和转轴10固定连接，是风力机转轴的一部分，其余为静止部分。

图3为本发明所采用的一种永磁偏置、电磁控制的六极式径向混合磁轴承的轴向剖面图和端面图，其中图3(a)为轴向剖面图，图3(b)为端面图，该永磁偏置、电磁控制的六极式径向混合磁轴承，完成风力机转轴下端径向两自由度的控制，该六极式径向混合磁轴承7主要由径向混合磁轴承转子71、永磁体722、第一电磁线圈721和第二电磁线圈724、永磁磁极723、控制磁极725、径向工作气隙711和定子磁轭726组成；六极式径向混合磁轴承定子72的永磁体722嵌装在永磁磁极723上，为径向混合磁轴承提供偏置磁场，径向混合磁轴承电磁线圈721缠绕在控制磁极725上，在转子发生径向偏移时，产生必要的控制磁场，使转子重新回到平衡位置处；径向混合磁轴承转子71和转轴10固连，是风力机的旋转部分，永磁体722、第一电磁线圈721和第二电磁线圈724、永磁磁极723、控制磁极725、定子磁轭726和其它部件组成六极式径向混合磁轴承定子部分72，安装在风力机外壳12上，属于静止部分。

图4为本发明用的一种永磁被动轴向磁轴承的轴向剖面图和端面图，其中图4(a)为轴向剖面图，图4(b)为端面图，该永磁被动轴向磁轴承，均采用轴向磁化的方式，利用磁性材料间的斥力作用，完成对整个风力机重量的支承，该轴向永磁轴承由上端永磁环8、轴向永磁轴承下端内磁环91、轴向永磁轴承下端外磁环92、轴向工作气隙81、隔磁环13和轴14组成，其中上端永磁环8与转轴10固定连接，是风力机转轴的一部分。下端内磁环91、下端外磁环92和隔磁环12通过轴14与风力机外壳12相连接，风力机外壳12固定在风力机塔架15上，风力机塔架15固定在地面上。

Claims (9)

1.一种垂直轴磁悬浮风力发电机，包括叶轮，转轴（10），发电机（6），风力机外壳（12），风力机塔架（15），叶轮固定在转轴（10）上，发电机（6）固定在转轴（10）上，转轴（10）固定在风力机塔架（15）上，风力机外壳（12）固定在风力机塔架（15）上，塔架（15）固定在地面上，其特征在于，

还包括上端保护轴承（3），下端保护轴承（5），径向永磁轴承（4），六极式径向混合磁轴承（7），轴向永磁轴承上端（8）和轴向永磁轴承下端（9）； 

转轴（10）上依次设有挡板（11），径向永磁轴承（4），发电机（6），六极式径向混合磁轴承（7），轴向永磁轴承上端（8）；

轴向永磁轴承下端永磁环（9）通过轴（14）与风力机外壳（12）相连接； 

上端保护轴承（3）和下端保护轴承（5）安装在风力机外壳（12）上；

上端保护轴承（3）、下端保护轴承（5）与转轴（10）保持径向间隙，挡板（11）与上端保护轴承（3）形成轴向保护间隙；

所述径向永磁轴承4包括径向永磁轴承动磁环部分（41）和径向永磁轴承静磁环部分（42）；径向永磁轴承静磁环部分（42）安装风力机外壳（12）上，径向永磁轴承动磁环部分（41）位于径向永磁轴承静磁环部分（42）的径向内侧，且两者之间为上端径向工作气隙（413）；

所述六极式径向混合磁轴承（7）包括六极式径向混合磁轴承定子（71）和六极式径向混合磁轴承转子（72），所述转子（71）和转轴（10）固定连接，六极式径向混合磁轴承定子（72）安装在风力机外壳（12）上；所述转子（71）位于所述定子（72）的径向内侧，且两者配合形成下端径向工作气隙（711）；

所述轴向永磁轴承上端永磁环（8）与转轴（10）固定连接；

轴向永磁轴承下端永磁环（9）通过轴（14）与风力机外壳（12）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述径向永磁轴承动磁环部分（41）和径向永磁轴承静磁环部分（42），两者之间的上端径向工作气隙（413）的范围为1.5~3mm。

3.根据权利要求2所述一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，

所述径向永磁轴承动磁环部分（41）包括动磁环隔磁支架（411）、动磁环组（412）；

所述径向永磁轴承静磁环部分（42）包括静磁环隔磁支架（421）、静磁环组（422）；

其中，径向永磁轴承动磁环隔磁支架（411）、动磁环组（412）和转轴（10）固定连接；

其中，动磁环组（412）、静磁环组（422）分别镶嵌在动磁环隔磁支架（411）、静磁环隔磁支架（421）中，并通过连杆固定，以保持永磁环之间间隙为零。

4.根据权利要求1所述的一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述发电机（6）包括发电机转子（61）和发电机定子（62）；所述发电机定子（62）安装在风力机外壳（12）上，发电机转子（61）位于发电机定子（62）的径向内侧，且两者在径向上形成了发电机的工作气隙。

5.根据权利要求1所述的一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述的六极式径向混合磁轴承（7），还包括永磁体（722）、第一电磁线圈（721）、第二电磁线圈（724）、永磁磁极（723）、控制磁极（725）、径向工作气隙（711）和定子磁轭（726）；

所述永磁体（722）嵌装在永磁磁极（723）上，径向混合磁轴承电磁线圈（721）缠绕在控制磁极（725）上。

6.根据权利要求5所述的一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述的六极式径向混合磁轴承的定子（72）与其六极式径向混合磁轴承转子（71）之间形成的径向工作气隙（711）为0.1~0.3mm。

7.根据权利要求1所述的一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述的轴向永磁轴承包括轴向永磁轴承上端永磁环（8）、轴向永磁轴承下端永磁环（9）、轴向工作气隙（81）、隔磁环（13）和轴（14）；

所述的轴向永磁轴承下端永磁环（9）包括轴向永磁轴承下端内磁环（91）和轴向永磁轴承下端外磁环（92）；

所述下端内磁环（91）、下端外磁环（92）和隔磁环（13）通过轴（14）与风力机外壳（12）相连接。

8.根据权利要求7所述的一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述轴向工作气隙（81）为1.5~3mm。

9.根据权利要求1所述的一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述的上端保护轴承（3）、下端保护轴承（5）与转轴（10）的径向间隙应小于径向磁轴承和轴向磁轴承的工作气隙，所述径向间隙为0.2~0.5mm。