CN104632528A - 一种风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风力发电机，包括叶片（1）、磁铁（2）、线圈（4）、电机支撑叶片（6）、主轴（24）、外转子轮圈（13）以及电机支撑杆（9），其中，所述电机支撑杆（9）径向支撑所述外转子轮圈（13），所述电机支撑叶片（6）的一端斜支撑所述外转子轮圈（13），且所述电机支撑杆（9）与电机支撑叶片（6）的另一端支撑于所述转子轴套（20）上，其中，所述叶片（1）与所述外转子轮圈（13）连接，所述叶片（1）的迎风面积为0.1-10m2。本发明提供一种风机，可通过调节一些因素，来使风机获得50瓦-20千瓦的功率。

Description

一种风力发电机
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，更具体地说，是一种能够微风软风启动的民用或工业用分布式风力发电机组。
背景技术
现有技术中的风力发电机都是利用叶片截取风能，风轮机带动发电机发电。通常使用的发电机有水平轴和垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机的发电机大多都是盘式无芯结构，线圈排列方向垂直于转轴，线圈外围和内围切割磁力线速度不同，虽然能够微风启动，但是效率低，重量偏重，成本高，适合风向不定的城市。水平轴风力发电机普遍包含3个叶片，少数具有5-6个叶片，叶片是典型的悬臂梁结构，叶片根部承受巨大应力，在强风中易折断。因而水平轴风力发电机的叶片根部都很粗壮，这大大增加了重量，尤其对于兆瓦级大功率风力发电机，叶片越长，转速反而越低，力矩增大，更增加了叶片根部的应力。
大型兆瓦级风力发电机，一般都有变速齿轮箱增速，使发电机得以工作在50HZ，并网发电。由于齿轮箱普遍比较笨重，因此微风时难以启动。一般的风力发电机，为了增加磁场交链密度，线圈都是绕在铁芯上，跟磁铁会产生吸力，即便是优化磁路，一般都要3米每秒的风速启动，另外铁芯会产生震动，磁滞涡流，总体效率不高。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在缺陷，提供一种具备较大功率，且功率可调节的风力发电机。
本发明提供的一种垂直轴微风启动高效空芯风力发电机，包括叶片（1）、磁铁（2）、线圈（4）、电机支撑叶片（6）、主轴（24）、外转子轮圈（13）以及电机支撑杆（9），
其中，所述电机支撑杆（9）径向支撑所述外转子轮圈（13），所述电机支撑叶片（6）的一端斜支撑所述外转子轮圈（13），且所述电机支撑杆（9）与电机支撑叶片（6）的另一端支撑于所述转子轴套（20）上，
其中，所述叶片（1）与所述外转子轮圈（13）连接固定，其中，所述叶片（1）的迎风面积为0.1-10m2。
可选地，所述线圈可以为无芯线圈。
可选地，所述磁铁（2）具有多个，磁铁（2）以其南北极面平行于外转子轮圈（13）旋转轴线的方向布满安装于外转子轮圈（13）内壁的外转子内铁质圈（21）上，且相邻两个磁铁南北极反向，
可选地，所述相邻两个磁铁间具有大体为二分之一磁铁宽度间隙，
可选地，还包括内定子铁质圈（22），定子支撑片（5），所述定子支撑片（5）的一端支撑所述内定子支撑圈（22），所述定子支撑片（5）另一端支撑于主轴（24），所述线圈（4）安装于所述内定子铁质圈（22）上，线圈（4）具有多组，每组线圈（4）的线圈平面与所述内定子铁质圈（22）的圆周表面大体平行；
可选地，所述内定子铁质圈（22）与外转子内铁质圈（21）构成的发电机半径是叶片（1）外端部扫过圆半径的十分之一至十分之九；
可选地，还包括整流桥堆二极管（12），将多组线圈（4）的输出整流成直流输出。
可选地，所述风力发电机主轴（24）上具有一对双列角接触球轴承（7），所述电机支撑杆（9）和电机支撑叶片（6）分别支撑于两个轴承。
可选地，所述风力发电机的主轴（24）内沿轴线设有注油管（8），主轴（24）前端具有与注油管（8）连通的注油口（15）；注油管（8）末端在主轴（24）末端，油从注油管（8）末端流出，通过转子轴套（20）内壁润滑两个轴承。
可选地，所述定子支撑片（5）根部具有外防水圈（10），转子轴套（20）一端设有内防水圈（25），所述内防水圈（25）设于所述外防水圈（10）内，且内防水圈（25）的内孔直径比主轴（24）直径大1毫米。
可选地，所述外防水圈（10）底部设有用于流出多余油和雨水的出水出油孔（11）。
可选地，所述发电机主轴（24）下端外轴套（20）内壁上设有铜片刷，铜片刷与所述导电滑环（17）弹力接触。
可选地，所述叶片（1）的根部梁（26）为一插片状，且与所述叶片插槽（23）公母配合，
可选地，所述叶片（1）的根部梁（26）为公槽，所述叶片插槽（23）为母槽，铸模在外转子轮圈（13）上，公母槽在近两侧端点处同一个位置上设有2个固定螺丝孔（27），由固定螺丝（28）加固插片根部梁（26）与插槽（23）的连接。
可选地，所述叶片（1）为呈弧形45度的长方形，叶片根部梁（26）为T形公槽，所述叶片（1）的长度为100-2000mm，宽度为100-500mm，厚度为1-100mm。
可选地，所述线圈的长度为30-200mm，宽为10-50mm，高度为4-10mm。
可选地，所述磁铁（2）的长度为30-200mm，宽为4-50mm，高度为4-10mm。
可选地，所述磁铁（2）的个数为30-300个，所述磁铁的内径为20-2000mm。
可选地，所述磁铁与无芯线圈的间隙为0.3-7mm。
可选地，所述线圈为铜线，所述铜线的直径为0.2-1mm。
本发明的风力发电机功率通过调节上述因素可在50瓦-20千瓦之间调节。
附图说明
图1为本发明实施例无芯风力发电机的正视图；
图2为本发明实施例无芯风力发电机的侧视图；
图3A为本发明实施例无芯风力发电机外转子轮圈插槽的结构示意图；
图3B为本发明实施例无芯风力发电机叶片的侧视图；
图3C为本发明实施例无芯风力发电机叶片的正视图；
图4为本发明实施例无芯风力发电机组立式侧面图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
参见图1-4所示，揭示一种微风启动无芯风力发电机的实施例，包括叶片1、磁铁2、无芯线圈4、主轴24，还包括外转子轮圈13、电机支撑杆9径向支撑该外转子轮圈13、电机支撑叶片6的一端斜支撑该外转子轮圈13，且该电机支撑杆9与电机支撑叶片6的另一端支撑于该转子轴套20上，叶片1根部梁26插入该外转子轮圈13上的叶片插槽23中，叶片1插片根部梁26与插槽23的结构设计成公母槽，叶片1插片根部梁26为公槽，插槽23为母槽，铸模在外转子轮圈13上，公母槽在近两边端点处同一个位置上设有2个固定螺丝孔27，由固定螺丝28加固插片根部梁26与插槽23的连接。该磁铁2具有多个，磁铁2以其南北极面平行于外转子轮圈13旋转轴线的方向布满安装于外转子轮圈13内壁的外转子内铁质圈21上，且相邻两个磁铁南北极反向，相邻两个磁铁间具有大约二分之一磁铁宽度间隙；内定子铁质圈22，定子支撑片5支撑该内定子支撑圈22，定子支撑片5另一端支撑于主轴24，无芯线圈4安装于该内定子铁质圈22上，无芯线圈4具有多组，每组线圈4的线圈平面与该内定子铁质圈22的圆周表面平行；该内定子铁质圈22与外转子内铁质圈21构成的发电机半径是叶片1外端部扫过圆半径的十分之一至十分之九；整流桥堆二极管12，将多组无芯线圈4的输出整流成直流输出。
单机发电机水平放置，发电机主轴自然垂直于地面，固定在地面支架或支柱上。风从任意方向吹来，吹动叶片1顺时针旋转，发电机主轴24上除了旋转扭力不受其它方向的力的影响。弧形的叶片1有多组，弧形的正面凹面为受风受力面，推动风机的旋转，弧形的背面为卸风卸力面，受风的阻力小，不会使风机反转。电机支撑叶片6的一端斜支撑外转子轮圈13，电机支撑叶片6与外转子轮圈13的倾斜角度在45度，倾斜角度上风口方向与叶片1的受风方向相一致，从而确保风机的旋转方向为顺时针。
其中，如图3A、图3B、图3C所示，叶片1的下端设计成插片型，可以更加方便的更换叶片1，比如在一年四季不同的季节里，风速有明显的不同，在大风的季节里防止因风电机高速旋转而损坏叶片1，就可以便捷的更换成小型叶片1，反之亦然。一旦发生有损坏的叶片1，就能及时替换，即使不更换叶片，也不会影响发电机的工作状态。相比，原有的插杆式的叶片容易在大风或长时间的转动过程中造成叶片与发电机的角度发生改变，影响发电机功率。再则，当叶片被大风吹断以后，插杆断杆留在发电机支撑杆9中，不能很方便地取出，影响整台发电机的工作。
插片式叶片1是弧形45度的长方形，形状如菜刀状，叶片根部为T型公槽。叶片1的长度可为100-2000mm，宽度可为100-500mm，厚度可为1-100mm。
叶片1插片根部梁26与插槽23的结构设计成公母槽，叶片1插片根部梁26为公槽，插槽23为母槽，铸模在外转子轮圈13上，公母槽在近两边端点处同一个位置上设有2个固定螺丝孔27，由固定螺丝28加固插片根部梁26与插槽23的连接。
气流从迎风方向或同时从电机组底部向上吹来，吹动叶片1和电机支撑叶片6，带动外转子轮圈13和磁铁2转动（磁力线垂直于主轴），切割线圈（线圈排列平行于主轴方向），磁力线通过气隙切割线圈，产生电流，多相线圈4经过整流桥堆二极管12整流成直流。由于磁铁2及无芯线圈4非常多，电机口径大，转速很低的情况都能产生让充电器工作的最低电压。
为防止磁铁2和无芯线圈4之间很小的气隙擦碰，电机的轴承要用双列角接触球轴承7，它能承受径向（风的推力）和轴向（外转子电机重量和转动时候的离心力）受力，水平偏移极小，保证磁铁和线圈之间的0.3-7毫米左右的气隙，长时间工作不会擦碰。
磁铁2和无芯线圈4表面都用环氧树脂包裹，进风侧与外转子轮圈13注模一体形成有挡尘立面，隔离颗粒大的沙吹进气隙，防止擦碰线圈和磁铁。转子轴套20带动内防水圈25转动，内防水圈25的内孔直径比主轴24直径大1毫米左右，外防水圈10固定在定子支撑片5上，水不会进到轴承里，大雨的时候少量的残水从出水出油孔11流出来。
风力发电机工作一段时间，润滑油氧化变质，加注润滑油的时候，旋开注油口15，把油加压力灌入，注油管8沿主轴24中间的空心到两个轴承7前面，把氧化的润滑油挤出来，残余的油从转子轴套20带动的内防水圈25内孔和主轴24之间1毫米左右的缝隙中孔流出，从出水出油孔11流出来。
发电机主轴24下端外轴套20内壁上设有铜片刷，铜片刷与该导电滑环17弹力接触。两个导电滑环17固定在发电机主轴24上，直流输出导线19从发电机主轴外轴套20中间引出，导电滑环17对应的外轴套20位置安装两个铜片刷，铜片刷靠弹力压在导电滑环17上，导电滑环17能把电流导出，从直流输出导线19输出直流电。
由于是多相线圈，输出线头多，三相就有六条输出线，交流输出需要的导电滑环17多，所以经过整流桥堆二极管12整流成直流，只需要正负两条直流输出导线19，简单可靠。由于风力发电机工作在风吹日晒雨淋的恶劣环境下，接触性部件越少越好，寿命越长。这样的微风启动风力发电机接触性部件少，只有轴承2个，导电滑环2个。
另如图4所示，多机多层式结构发电机组通过长主轴24串联组合，由每个风机主轴24上的立轴键槽29固定在主轴24上，主轴24底端固定安装在立轴底座18上，并与主轴24上端盖3，,外支架顶端固定点16，外支撑框架14连接共同固定住发电机组。
进一步地，本发明实施例对功率的调节因素做了研究，发现风机的功率受如下一些因素影响，
首先，风机中的磁铁规格越厚，磁力线越强，功率越大，反之，功率则小。线圈：多相线圈3-6相，线圈厚度薄，磁力线切割次数越多，磁力线强，内阻小，电流输出大，功率越大，反之，功率则小；磁铁与线圈的间隙：间隙越小，磁力线越强，功率越大，反之，功率则小。其中，经过一系列实验研究，磁铁线圈1毫米间隙，低风速频率的时候约2米线圈长度有1伏特输出，中风风速频率约1.5米线圈长度有1伏特输出，大风风速频率约1米线圈长度有1伏特输出，超高风速频率约0.5米线圈长度有1伏特输出，线性度好。
进一步地，发明人通过大量的综合实验发现，在设计风机时的各参数在如下范围内最优，且本领域技术人员如需获得特定的功率，可根据本发明提供的技术方案，调节下列因素。
本发明实施例的风机功率可设置在50瓦-20千瓦，其中，线圈铜线的直径可优选为0.2-1mm，线圈铜线的直径小，线圈厚度小，磁力线强，内阻小，电流输出大，当直径小于0.2mm，发出的电流会更大，实际应用上受到限制，但也可以制作超小型风力发电机，本领域技术人员可视实际应用需要再开发这类小型风电机；线圈铜线的直径大，线圈如果厚，虽然电压高很多，但线圈上下磁力线强度差别大，上下线圈内阻差别大，就如同新电池和旧电池串联，内阻大，底层的大电流在顶层的线圈流过电阻大，实际上则没有薄线圈功率大。如果线圈铜线的直径大于1mm，反而线圈材料消耗多，增加成本。
磁铁的长，宽，高可优选为30＊10＊4mm-200＊50＊10mm。大直径空芯电机，因直径大，所用磁铁多。每块磁铁的弧度小，如果用长方块磁铁成本低，用弧形的（瓦形）磁铁比长方块磁铁成本就高2倍左右，因为切割丢料多，用略厚一点长方形磁铁，磁力线强，磁铁线圈间隙如设定在间隙0.5-1.5毫米，效果好过同样价格而厚度低很多的弧形磁铁。磁铁小于30＊10＊4mm，磁力线很弱，发挥的作用不大；磁铁大于200＊50＊10mm，虽然磁力线强很多，但成本会加大很多，实际在安装时也增加了很大的难度。
线圈的长度可优选设置在30-200mm，宽度设置在10-50mm，高度设置在4-10mm：当线圈的尺寸小于30＊10＊4，在制作上难度加大，势必要减少铜线的直径，功率就会减小；当线圈的尺寸大于200＊50＊10，会增加成本，磁铁也不能很好的覆盖整个线圈的有效面积，发电功率会受到影响。
线圈的个数可优选为30-300个，线圈在安装方式上采用多相线圈，比如3-6相，这样可以防止震动，输出的电压整流波形好，数量小于30个，就会影响电机功率；数量大于300个，成本会大大增加，不利于产品销售。
磁铁与线圈的间隙可优选在0.3-7mm：磁铁与线圈的间隙是影响电机功率的关键因素，理论上间隙越小功率越大，但是间隙小于0.3mm，会增加制作难度，还要考虑风机在高速旋转的时候外轮圈的稍微变形的可能，一旦发生细微变形，就有可能发生与线圈的摩擦，几根铜线漆包膜破损就会造成发电机的烧毁；间隙大于7mm，磁力线减弱，发电功率变小。经过试验，磁铁线圈1毫米间隙，低风速频率的时候约2米线圈长度有1伏特输出，中风风速频率约1.5米线圈长度有1伏特输出，大风风速频率约1米线圈长度有1伏特输出，超高风速频率约0.5米线圈长度有1伏特输出，线性度好。
磁铁圈内径可优选为20-2000mm：磁铁圈内径小于20mm，制作难度增加，精度要求高；磁铁圈内径大于2000mm，在实际应用中没有必要再制作这个型号的风机，单个的风机叠加起来的功率就可以达到设计的要求。
受力叶片的截风面积可优选为0.1-10m2：垂直轴受力叶片的截风面积小于0.1m2，风能利用率太低，功率就不高；反之，受力叶片的截风面积大于10m2，叶片与风机的比例也失衡，在强风情况下有损坏发电机的潜在危险。
多个发电柱或发电柱墙可以实现高功率发电，广泛用于海岛，渔船，海水淡化，灌溉提水，草原牧区，水产养殖加温，边防哨所，路灯，楼房照明，野外通讯站，别墅，寺院，小企业等民用工业并网发电等。
本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改和变型落入所附权利要求书以及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种风力发电机，包括叶片（1）、磁铁（2）、线圈（4）、电机支撑叶片（6）、主轴（24）、外转子轮圈（13）以及电机支撑杆（9），
其中，所述电机支撑杆（9）径向支撑所述外转子轮圈（13），所述电机支撑叶片（6）的一端斜支撑所述外转子轮圈（13），且所述电机支撑杆（9）与电机支撑叶片（6）的另一端支撑于所述转子轴套（20）上，
其中，所述叶片（1）与所述外转子轮圈（13）连接，
其中，所述叶片（1）的迎风面积为0.1-10m2。
2.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：还包含多个磁铁（2），所述磁铁（2）以其南北极面平行于外转子轮圈（13）旋转轴线的方向布满安装于外转子轮圈（13）内壁的外转子内铁质圈（21）上，且相邻两个磁铁南北极反向。
3.如权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述磁铁（2）的长度为30-200mm，宽为10-50mm，高度为4-10mm。
4.如权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述线圈（4）的长度为30-200mm，宽为10-50mm，高度为4-10mm。
5.如权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述线圈（4）的个数为30-300个，所述线圈（4）的圈的内径为20-2000mm。
6.如权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述磁铁（2）与线圈（4）的间隙为0.3-7mm。
7.如权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述线圈（4）为铜线，所述铜线的直径为0.2-1mm。
8.如权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述磁铁（2）圈内径为20-2000mm。
9.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：还包括内定子铁质圈（22），定子支撑片（5），所述定子支撑片（5）的一端支撑所述内定子支撑圈（22），所述定子支撑片（5）另一端支撑于主轴（24），所述线圈（4）安装于所述内定子铁质圈（22）上，线圈（4）具有多组，每组线圈（4）的线圈平面与所述内定子铁质圈（22）的圆周表面大体平行。
10.如权利要求9所述的风力发电机，其特征在于：所述内定子铁质圈（22）与外转子内铁质圈（21）构成的发电机半径是叶片（1）外端部扫过圆半径的十分之一至十分之九。
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