CN104653414A - 一种变耦合超低风速启动风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变耦合超低风速启动风力发电机，包括可以旋转的主轴、固定在主轴一端的叶轮、环绕在主轴上的非磁衬套、固定在非磁衬套上的转子、起保护作用的外壳以及固定在外壳上的定子，变耦合超低风速启动风力发电机设置转子位移驱动装置，转子位移驱动装置一端固定在非磁衬套上，另一端固定在外壳上，转子位移驱动装置含有伸缩部件，伸缩部件从原长压缩到最短的过程中，转子与定子的相对位置从零耦合逐渐移动至完全耦合。本发明公开的变耦合超低风速启动风力发电机在微风条件下即可开始发电，随着风力的增强，发电效率也逐渐增大，风能源和发电机的利用率更高，发电量更大。

Description

一种变耦合超低风速启动风力发电机

技术领域

本发明的实施方式涉及风能源开发技术领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种变耦合超低风速启动风力发电机。

背景技术

现有的中小型风力发电机的机理都是靠线圈和矽钢片组成的副磁极同由永磁性磁钢和矽钢片或者软铁加工而成的主磁极之间构成强耦合从而产生大量的磁力线，当两者之间进行相对旋转时，磁力线被切割从而产生电能，其磁钢为不可缺少的主体。

由于发电机内部有磁钢同矽钢片或者软铁加工而组成的主磁极筒线圈和矽钢片组成的副磁极之间相互吸引而产生强耦合，相对而言，使得转子的旋转产生了一定的磁阻，当我们用手旋转主轴时会立即感觉到有一愣一愣的强阻力。这样在外环境中只有当风速达到一定速度使叶片获得的动力能够克服这个阻力时，叶片才能够开始旋转，这就是风力发电机的起动风速的由来。

现有的中小型风力发电机由于转子和定子之间的强耦合，只有在风速达到起动风速的大小才能够被起动，在风速小于起动风速的条件下，现有的中小型风力发电机并不能够被起动，因此完全不能利用起动风速以下的风力进行发电，这在内地风速较低的地区，比较浪费资源。

发明内容

本发明克服了现有技术中中小型风力发电机不能使用低风速风力发电的不足，提供一种变耦合超低风速启动风力发电机的实施方式，该发电机在超低风速的条件下即可被启动发电，随着风速的加快，风力的增大，发电机发电的效率也逐渐增大。

为解决上述的技术问题，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：

一种变耦合超低风速启动风力发电机，包括可以旋转的主轴、固定在主轴一端的叶轮、环绕在主轴上的非磁衬套、固定在非磁衬套上的转子、起保护作用的外壳以及固定在外壳上的定子，所述变耦合超低风速启动风力发电机设置转子位移驱动装置，所述转子位移驱动装置一端固定在非磁衬套上，另一端固定在外壳上，所述转子位移驱动装置含有伸缩部件，所述伸缩部件从原长压缩到最短的过程中，转子与定子的相对位置从零耦合逐渐移动至完全耦合。

根据本发明的一个技术方案，本发明的转子位移驱动装置为弹簧弹力驱动装置，其伸缩部件为环绕在主轴上的弹簧，所述弹簧一端环绕在非磁衬套上，另一端环绕在外壳内部的突起上。

根据本发明的另一个技术方案：本发明的转子位移驱动装置为电力定位驱动装置，其伸缩部件的结构包括步进电机、转速传感器和位移传感器，所述步进电机一端固定在外壳上，另一端设置表面具有螺纹的旋转定位轴，所述旋转定位轴通过一个滑块与非磁衬套连接，所述位移传感器一端固定在外壳上，另一端固定在所述滑块上，所述转速传感器设置在主轴旁。

更进一步的技术方案是：所述滑块中央设置一个圆柱形穿孔，所述圆柱形穿孔表面具有螺纹，所述圆柱形穿孔表面的螺纹与所述旋转定位轴上的螺纹匹配。

更进一步的技术方案是：所述主轴与非磁衬套固定成为一个整体。

更进一步的技术方案是：所述主轴与非磁衬套滑动连接。

更进一步的技术方案是：所述步进电机为两个，所述转速传感器为一个，所述位移传感器为一个。

更进一步的技术方案是：所述转子包括转子软铁芯和固定在转子软铁芯上的铌铁硼磁钢。

更进一步的技术方案是：所述定子包括定子线圈和固定在定子线圈上的定子矽钢片铁芯。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：本发明公开的变耦合超低风速启动风力发电机通过改变转子与定子之间的耦合强度来改变起动风力的大小，在微风的条件下，该风力发电机即可以开始发电，随着风力的增强，发电效率也逐渐增大，风能源和发电机的利用率更高，发电量更大。

附图说明

图1为现有技术中中小型风力发电机的内部结构剖面图。

图2为风力发电机输出特性曲线。

图3为本发明实施例1变耦合超低风速启动风力发电机在无风条件下的内部结构状态图。

图4为本发明实施例1变耦合超低风速启动风力发电机在强风条件下的内部结构状态图。

图5为本发明实施例2变耦合超低风速启动风力发电机在无风条件下的内部结构状态图。

图6为本发明实施例2变耦合超低风速启动风力发电机在强风条件下的内部结构状态图。

图7为本发明变耦合控制系统电原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，风力发电机主要是靠定子（主要由定子矽钢片106、定子线圈102组成）与转子（主要由转子软铁体103、铌铁硼磁钢104组成）之间的强耦合产生磁场，转子相对于定子旋转，对磁场产生切割，因此发电。定子固定在外壳101上，转子固定在非磁衬套105上，非磁衬套105环绕主轴107。主轴107的一端设有叶轮，风使叶轮转动带动主轴107转动，主轴107与非磁衬套105和转子固定为一体，主轴107的转动可带动转子旋转切割磁场。

扫略面积是判断发电效率的一个要素。我们通常所说的叶片的扫略面积都认为是单个叶片长度为半径计算出来的圆面积为扫略面积。事实上在静止状态下的扫略面积仅仅是叶片自身正投影的物理面积，在旋转开始以后其扫略面积仅仅是转速的一个函数。随着转速的增加其函数也在增加，直至达到一定的转速后才可以认为实际的扫略面积等同于理论扫略圆面积。由此看出：其扫略效率是一个可变值，转速起着决定性的作用。提高了转速即是提高了扫略效率也就是提高了发电效率，在内地的低风速区尤为明显，如图2所示。

由图1、图2对风力发电进行原理的解释的基础上，下面对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

如图3所示的变耦合超低风速启动风力发电机，其叶轮301安装在主轴302上，叶轮301的旋转带动主轴302旋转。图3是无风力条件下变耦合超低风速启动风力发电机的内部结构状态，定子（包括定子线圈306、定子矽钢片铁芯307）固定在外壳303上，转子（包括转子软铁芯304、铌铁硼磁钢305）固定在非磁衬套309上，非磁衬套309环绕主轴302。非磁衬套309一端较小，被弹簧308环绕从而固定弹簧308，弹簧308环绕主轴302并位于非磁衬套309和外壳303之间，弹簧308与外壳相邻的一端环绕固定在外壳内部的突起上。弹簧308可以被压缩和拉伸。弹簧308在无风状态下处于非压缩状态或者略压缩状态，这时，转子与定子处于零耦合状态，即图3所示的状态。当有风时，叶轮301旋转，对弹簧308产生压力，压力随着风力的强弱不断改变，风越强压力越大，当风力达到能够将弹簧308压缩到最短状态时，如图4所示，定子和转子处于完全耦合的状态，即风力发电的强耦合状态，这时发电的效率达到最大。箭头401表示风力方向和风力给弹簧308的压力方向。由于主轴302和非磁衬套309固定成为一个整体，那么主轴302的旋转带动非磁衬套309的旋转，风力逐渐增大时，转子不断旋转的同时，与定子之间的耦合也越来越强，发电率也逐渐增大，当风力减小，则弹簧308受到的压力也减小，逐渐恢复原长，转子与定子之间耦合减小，则他们之间因耦合对旋转产生的阻力也会减小，因此起动叶轮旋转的所需要的起动风速也会减小，这就是本发明变耦合超低风速启动风力发电机超低风速启动风力发电的原理。

实施例2

如图5所示的变耦合超低风速启动风力发电机，其定子（包括定子线圈505、定子矽钢片铁芯506）固定在外壳502上，转子（包括转子软铁芯503、铌铁硼磁钢504）固定在非磁衬套507上，非磁衬套507环绕主轴501但并不固定在主轴501上，它们之间是滑动连接关系，非磁衬套507与主轴501之间可以相对滑动。本实施例实现超低风速启动风力发电的主要设备在于与非磁衬套507连接的电力定位驱动装置（包括步进电机511、转速传感器512和位移传感器510），步进电机511一端固定在外壳502上，另一端有一个表面具有螺纹的旋转定位轴509，旋转定位轴509穿过一个滑块508，滑块508中央有一个圆柱形穿孔，该圆柱形穿孔内表面也有螺纹，该螺纹与旋转定位轴509表面的螺纹匹配，旋转定位轴509与滑块508之间可以相对旋转滑动。滑块508被固定在非磁衬套507上，因此当滑块508相对于旋转定位轴509滑动时，非磁衬套507也做相应的滑动。位移传感器510一端固定在外壳502上，另一端固定在滑块508上，位移传感器510可以测定滑块508相对于旋转定位轴509的移动距离和相对位置。

如图5所示，本实施例的步进电机511为两个，转速传感器512为一个，位移传感器510也为一个，根据电机功率的大小，可以适当增加上述几个设备的数量。

图5和图6示出了变耦合超低风速启动风力发电机在无风和强风两个条件下发电机设备内部结构状态图，图5为无风时的结构状态图，转子与定子之间同样处于零耦合状态，这时转速传感器512检测到转速为零，若是位移传感器510不是处于零位置，则其单片机输出驱动信号， 通过电流放大器放大后直接驱动步进电机511将转子拖到零耦合位置；当转速传感器512检测到转速不为零时，单片机根据实际测得的转速信号、功率信号同预设的位移值进行比较，若是位移传感器510不是处于预设位置，单片机则输出驱动信号，通过电流放大器放大后直接驱动步进电机511将转子拖到预设位置。预设定位置由检测平台确定的最佳转速－功率曲线来确定，使得风轮转速始终处于其扫掠效率的最佳状态。随着风速和转速的增加，风轮的扫略效率越来越高，等效于扫略面积越来越大，其转速也越来越高，控制用单片机采集转速信号、位移信号和输出功率信号，其电原理如图7所示，并控制螺杆组成的变耦合驱动器使得转子组合后移至预设定位置以调整转定子之间的耦合度，风力越大则后移越大，耦合越深，发电效率亦越高，直至全耦合的限位止点为止，如图6所示，图中箭头601表示风力方向。

如实施例1和实施例2所示的两种变耦合超低风速启动风力发电机，其零耦合分别采用了弹簧弹力驱动置零和电力定位驱动置零两种方式，其实质原理相似，弹簧弹力驱动置零型主要用于1kW以下的小型机，电力定位驱动置零型主要用于1KW及1KW以上的中小机型。弹簧弹力驱动置零和电力定位驱动置零两种类型的风力发电机的叶轮在微风（0.2～0.4米/秒）的情况下即可起动。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。 

Claims (9)

1.一种变耦合超低风速启动风力发电机，包括可以旋转的主轴、固定在主轴一端的叶轮、环绕在主轴上的非磁衬套、固定在非磁衬套上的转子、起保护作用的外壳以及固定在外壳上的定子，其特征在于：所述变耦合超低风速启动风力发电机设置转子位移驱动装置，所述转子位移驱动装置一端固定在非磁衬套上，另一端固定在外壳上，所述转子位移驱动装置含有伸缩部件，所述伸缩部件从原长压缩到最短的过程中，转子与定子的相对位置从零耦合逐渐移动至完全耦合。

2.根据权利要求1所述的变耦合超低风速启动风力发电机，其特征在于：所述转子位移驱动装置为弹簧弹力驱动装置，其伸缩部件为环绕在主轴上的弹簧，所述弹簧一端环绕在非磁衬套上，另一端环绕在外壳内部的突起上。

3.根据权利要求1所述的变耦合超低风速启动风力发电机，其特征在于：所述转子位移驱动装置为电力定位驱动装置，其伸缩部件的结构包括步进电机、转速传感器和位移传感器，所述步进电机一端固定在外壳上，另一端设置表面具有螺纹的旋转定位轴，所述旋转定位轴通过一个滑块与非磁衬套连接，所述位移传感器一端固定在外壳上，另一端固定在所述滑块上，所述转速传感器设置在主轴旁。

4.根据权利要求3所述的变耦合超低风速启动风力发电机，其特征在于：所述滑块中央设置一个圆柱形穿孔，所述圆柱形穿孔表面具有螺纹，所述圆柱形穿孔表面的螺纹与所述旋转定位轴上的螺纹匹配。

5.根据权利要求1或2所述的变耦合超低风速启动风力发电机，其特征在于：所述主轴与非磁衬套固定成为一个整体。

6.根据权利要求1或3所述的变耦合超低风速启动风力发电机，其特征在于：所述主轴与非磁衬套滑动连接。

7.根据权利要求3所述的变耦合超低风速启动风力发电机，其特征在于：所述步进电机为两个，所述转速传感器为一个，所述位移传感器为一个。

8.根据权利要求1所述的变耦合超低风速启动风力发电机，其特征在于：所述转子包括转子软铁芯和固定在转子软铁芯上的铌铁硼磁钢。

9.根据权利要求1所述的变耦合超低风速启动风力发电机，其特征在于：所述定子包括定子线圈和固定在定子线圈上的定子矽钢片铁芯。