CN105673331B - 一种自动调向式永磁直驱风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自动调向式永磁直驱风力发电机，涉及风力发电机技术领域。包括发电机、风轮、测风速风向仪、传感器、控制器和蓄电池；发电机装在支架的上端平台上，发电机的两边各设有一个轴承座，水平式主轴装在轴承座上；水平式主轴的两端部固定有风轮，所述风轮呈塞内加尔式结构；所述上端平台与支柱本体间装有轴承。当风向与水平式主轴不垂直时或超过某一设定值时，本发明可使发电机呈电动状态，使水平式主轴向与风力垂直的方向发生偏转，直到呈垂直状态，并自动恢复为发电状态发电；本发明启动风速低，输出转矩稳定，风机的使用寿命长，发电效率高，结构简单，占用空间面积少。

Description

一种自动调向式永磁直驱风力发电机
技术领域
本发明专利涉及风力发电机技术领域。
背景技术
随着煤炭资源的日渐枯竭，发电领域急需寻找新的清洁无污染能源予以代替。风能资源具有分布广泛、取之不尽、用之不竭、清洁等优点，受到了国内外学者的关注。目前广泛应用的是水平轴风机，水平轴风机具有风能利用率高、制作加工成熟等优点。但是由于其控制结构复杂，一般需要有齿轮箱、偏航系统等，受到了限制。垂直轴风机控制结构简单，具有运行风速范围宽，启动风速低，制造工艺简单，造价低，叶片类型多样，噪声污染少等优点；但是垂直轴风机风能利用率低，不易于自启动，难以控制失速。目前，这两种类型风机都得到了学者的广泛研究，并提出了各自的模型及想法，但都具有局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其风机集水平轴风机与垂直轴风机的优点于一身，做到了优势互补，该风机旋转样式为水平轴，当风向改变时，可借助风力被动偏转或在此基础上自动控制发电机做进一步的主动偏转，重新使风轮对准风向，以提高的风能利用率；其启动风速低，输出转矩稳定，易于电能整流储存，风机的使用寿命长，发电效率高，结构简单，占用空间面积少。尤其适用于中小型风力发电或中小功率场合使用。其推广应用，有利于产生较大的经济效益和社会效益。
本发明的主要技术方案是：一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于主要包括：发电机、水平式主轴或转轴、轴承座、风轮、支架、测风速风向仪、传感器、控制器和蓄电池；所述发电机装在支架的上端平台上，水平式主轴或转轴的中部固定在发电机的转子上，发电机的两边各设有一个轴承座，水平式主轴或转轴装在2个轴承座上；水平式主轴或转轴的两端部均对称地固定有风轮，所述风轮呈塞内加尔式结构，即风轮由并排的2个以上的风轮组构成，每个风轮组包括2块竖圆盘，竖圆盘的中心固定在水平式主轴或转轴上，2块竖圆盘间横向对称斜向装有3个以上断面为圆弧或曲线的柱状式叶片；所述支架的上端平台与支柱本体间还装有轴承，平台与支柱本体转动配合；当风向与水平式主轴或转轴（不垂直时或超过某一设定值时，可使发电机呈电动状态，使水平式主轴或转轴向与风力垂直的方向发生偏转，直到呈垂直状态，此时发电机自动恢复为发电状态发电。
优选的，所述叶片为3片，其断面为半圆弧形。
优选的，所述风轮均为并排的3个风轮组，即内组、中组和外组，内组与中组，中组与外组的相对应的叶片安装在圆周方向均错开35º-45º的角度。
优选的，所述内组与中组，中组与外组的相对应的叶片安装在圆周方向均错开40º的角度。
优选的，其特征在于所述转子与水平式主轴或转轴的连接结构为：发电机为双侧轴式结构，发电机的转子通过转子轴套筒与两根短的水平式主轴或转轴相连。
优选的，所述的上端平台与支柱本体间的轴承为平面轴承。
改进的，所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于还设有反接制动刹车装置，当风速过大时，控制器使其制动，保护风轮不因过大风速而失速。
优选的，所述的发电机为转轴偏转式永磁发电机，所述的轴承座为滑轨轴承，水平式主轴或转轴能自转，同时能偏转；当风向与水平式主轴或转轴不垂直度在一设定范围内时，可使转轴偏转式永磁同步发电机临时处于电动状态，而使水平式主轴或转轴发生偏转调整到与风向垂直状态。
优选的，所述的转轴偏转式永磁发电机，其结构为：包括定子、转子和发电机外壳，定子固定于发电机外壳上，转子在定子的外部，转子包括导磁材料制成的环形转子磁轭内芯，水平式主轴或转轴的中部为转子磁轭内芯，所述转子磁轭内芯的周围上分布有若干转子永磁体，在圆周方向上各转子永磁体的N极和S极交错排列，每相邻的两个转子永磁体之间设有非导磁材料制成的隔磁片；定子内侧面设有定子槽，槽内嵌有分布式绕组，发电机处于发电状态时使用；定子的与转子相对侧为凹面形状，与转子的凸面形状匹配，之间具有间隙；所述的水平式主轴或转轴为双侧轴，水平式主轴或转轴与转子磁轭内芯连接；所述的转子外形具有单层圆鼓状外形或球状凸面，相对应的定子具有与之匹配的凹面；当水平式主轴或转轴转动时，转子磁轭内芯也一起旋转，当水平式主轴或转轴偏转时，转子磁轭内芯也照样旋转；发电机处在发电状态时，分布式绕组导通，由原动机带动发电机发电；转子磁轭内芯与水平式主轴或转轴连接，发电机的两边的轴承座为设有滑轨轴承的轴承座，滑轨轴承起支撑水平式主轴或转轴并使水平式主轴或转轴得以旋转的作用；所述定子包括由导磁材料制成的定子磁轭，定子磁轭包括均匀等分的定子极靴，定子极靴间为定子槽，定子极靴上设有定子集中式绕组；集中式绕组在发电机中间平面两侧均匀对称分布有两层；当发电机处在电动状态时，集中式绕组导通供电，电能由外部输入，能驱动转子发生偏转；之后又能转变为发电状态。
优选的，所述的定子内侧面设有36个定子槽，在导磁材料制成的定子磁轭的每一层上套有均匀等分的12个匝数可调的集中式绕组；所述的分布式绕组为单层链式绕组，漆包线绕制，绕层间没有绝缘层，定子槽型为梨形槽。
本发明的积极效果是，与现有技术相比，其风机集水平轴风机与垂直轴风机的优点于一身，做到了优势互补，该风机旋转样式为水平轴，当风向改变时，可自动控制或由发电机被动偏转，重新使风轮对准风向，能围绕风轮360度无死角利用风能，提高的风能利用率；其启动风速低，输出转矩稳定，易于电能整流储存，风机的使用寿命长，发电效率高，结构简单，占用空间面积少，自动调整快。当风向与水平式主轴或转轴（5）不垂直度在一设定范围内时，可仅靠转轴偏转式永磁发电机使水平式主轴或转轴（5）发生偏转而调整到与风向垂直状态。风轮结构采用水平阶梯式设置，能更稳定地输出转矩，同时转轴与风轮、发电机直接相连，精简了结构，避免了齿轮箱等部件的摩擦损耗；通过被动与主动偏转调节相结合，对风向的功能更加准确，提高了风能利用率。风机系统输出电能直接经过整流后可并网或为蓄电池充电。本发明尤其适用于中小型风力发电或中小功率场合使用。其推广应用，有利于产生较大的经济效益和社会效益。
为了更好地理解本发明，以下结合实施例及其附图作解释说明，但本发明要求保护的范围不仅局限于本实施例表示的范围。
附图说明
图1为为本发明的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图1的立体结构示意图。
图4为图1中发电机及水平式主轴安装部分的剖视图。
图5为图4的B-B剖面图。
图6为图4的俯视图。
图7为图6中轴承座10的横剖面结构示意图。
图8为图6中轴承座10为滑轨轴承座时的横剖面结构示意图。
图9为图8的滑轨轴承座的滑轨槽结构及其滑动原理示意图。
图10为发电机为单自由度永磁同步发电机时的控制原理框图。
图11为发电机为转轴偏转式永磁发电机、轴承座10为滑轨轴承座时的控制原理框图。
图12为发电机为转轴偏转式永磁发电机、轴承座10为滑轨轴承座时的驱动器控制程序及算法流程图。
图13为转轴偏转式永磁发电机实施例的结构示意图。
图14为图13中的转子和线圈的轴剖示意图。
图中各标号说明:1—风轮，2—端部圆片，3—发电机罩，4—转子轴套筒，5—水平式主轴或转轴，6—支架，7—底座，8—发电机，9—螺栓， 10—轴承座，11—轴承（或盘状平面轴承）；12-转子永磁体，13-转子磁轭内芯，14-隔磁片；15-分布式绕组，16-集中式绕组，17-定子磁轭。
具体实施方式
参见附图1-14，该自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于主要包括：发电机8、水平式主轴或转轴5、轴承座10、风轮1、支架6、测风速风向仪、传感器、控制器和蓄电池；所述发电机8装在支架6的上端平台上，水平式主轴或转轴（5）的中部固定在发电机8的转子上，发电机8的两边各设有一个轴承座10，水平式主轴或转轴5装在2个轴承座10上；水平式主轴或转轴5的两端部均对称地固定有风轮1，所述风轮1呈塞内加尔式结构，即风轮由并排的2个以上的风轮组构成，每个风轮组包括2块竖圆盘，竖圆盘的中心固定在水平式主轴或转轴5上，2块竖圆盘间横向对称斜向装有3个以上断面为圆弧或曲线的柱状式叶片；所述支架6的上端平台与支柱本体间还装有轴承，平台与支柱本体转动配合；当风向与水平式主轴或转轴5不垂直时或超过某一设定值时，可使发电机8呈电动状态，使水平式主轴或转轴5向与风力垂直的方向发生偏转，直到呈垂直状态，此时发电机8自动恢复为发电状态发电。所述叶片为3片，其断面为半圆弧形。所述风轮均为并排的3个风轮组，即内组、中组和外组，内组与中组，中组与外组的相对应的叶片安装在圆周方向均错开40º的角度。所述的发电机8采用双侧轴式结构。优选的，所述的水平式主轴或转轴5的中部通过转子轴套筒4固定在发电机8的转子上。所述的轴承为平面轴承，如转盘平面轴承等。
所述的发电机8可为转轴偏转式永磁发电机，所述的轴承座10为滑轨轴承座，水平式主轴或转轴5能自转，同时能偏转；当风向与水平式主轴或转轴5不垂直时在某一设定值内时，可仅通过转轴偏转式永磁发电机使水平式主轴或转轴5发生偏转而调整到垂直状态。
所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于还设有反接制动刹车装置，当风速过大时，控制器使其制动，保护风轮不因过大风速而失速。
根据成本和调整风轮方向精度需要，可以选用普通单自由度永磁同步发电机或转轴偏转式永磁发电机。与使用普通单自由度永磁同步发电机相比，该风力发电机使用转轴偏转式永磁发电机较好，调整风轮方向较准确，其具有可实现主动偏转、结构简单、发电效率高、占用空间面积少等优点。同时，本发明中采用转轴偏转式永磁发电机时，通过控制可以进入电动状态运行，实现两个自由度的旋转，即转轴在实现自转的基础上可同时实现一定角度范围的主动偏转（偏转范围），并且使风轮直接与发电机相连，达到节省材料、简化设备结构的目的。发电机8所在平台与支架之间用盘状平面轴承（11）连接，平台在风力作用下可以绕支架6的轴转动。当风轮自转时，发电机处于发电状态，风轮主动偏转时，发电机处于电动状态。
如图11所示，是采用转轴偏转式永磁发电机时的控制系统框图，控制器采用单片机，主要功能在于发电机发电和电动状态的控制、各种信号的检测和与上位机的通信等。单片机实时检测发电机的各种信号，通过对电压、电流和转速信号的检测，获取发电机的状态信息，与测得的风速风向信号进行比较，可知转轴与风向的垂直情况。若采用转轴偏转式永磁发电机，还需进一步控制，过程为：首先通过风速风向测量仪器测量风速在风机运行范围内，然后测量判断风向是否与转轴垂直，若基本垂直，直接控制发电机使其发电，当风向不与转轴垂直时，在支架上部随风力作用借助盘状平面轴承被动偏转的基础上，发电机控制器控制发电机进入电动状态，再使风轮发生一定角度的主动偏转，以更准确地达到与风向的基本垂直，再控制发电机处在发电状态，使风机发电运行。工作人员可通过上位机，观测显示数据，了解发电相关信息，同时可以通过键盘按键操作，控制风机起动、停止、运行等状态。
本发明专利中的转轴偏转式永磁发电机可以用在风力发电领域，实现直驱运行，亦可用在其它领域，其转子具有一定角度范围的主动偏转能力的优点使其应用领域广，可以省去复杂的传动与柔性轴连接等，且可方便地实现发电与电动状态的切换。主绕组为发电运行的分布式绕组，用以产生电动势并外接输出电能，定子上同时设置了用于实现电动偏转运行的集中式绕组，用以实现转子的主动偏转进而调节风轮转轴方向，转子为永磁转子。
高效自动调向式永磁直驱风力发电机在低尖速比范围内有较高的风能利用率，本发明中风机对材料强度要求略高，比一般的水平轴风机的风轮略显复杂，所以适合应用在中小功率风力发电。一般建议风机功率设定在5kw以内，更高功率的风机对叶片要求更高，使用材料也更多，在达到要求后亦可再有所推广。
图13、14所示，为转轴偏转式永磁发电机实施例，结构为：包括定子、转子和发电机外壳，定子固定于发电机外壳上，转子在定子的外部，转子包括导磁材料制成的环形转子磁轭内芯13，水平式主轴或转轴5的中部为转子磁轭内芯13，所述转子磁轭内芯13的周围上分布有若干转子永磁体12，在圆周方向上各转子永磁体12的N极和S极交错排列，每相邻的两个转子永磁体12之间设有非导磁材料制成的隔磁片14；定子内侧面设有定子槽，槽内嵌有分布式绕组15，发电机处于发电状态时使用；定子的与转子相对侧为凹面形状，与转子的凸面形状匹配，之间具有间隙；所述的水平式主轴或转轴5为双侧轴，水平式主轴或转轴5与转子磁轭内芯13连接；所述的转子外形具有单层圆鼓状外形或球状凸面，相对应的定子具有与之匹配的凹面；当水平式主轴或转轴5转动时，转子磁轭内芯13也一起旋转，当水平式主轴或转轴5偏转时，转子磁轭内芯13也照样旋转；发电机处在发电状态时，分布式绕组15导通，由原动机带动发电机发电；转子磁轭内芯13与水平式主轴或转轴5连接，发电机8的两边的轴承座10为设有滑轨轴承10的轴承座，滑轨轴承10起支撑水平式主轴或转轴5并使水平式主轴或转轴5得以旋转的作用；所述定子包括由导磁材料制成的定子磁轭17，定子磁轭17包括均匀等分的定子极靴，定子极靴间为定子槽，定子极靴上设有定子集中式绕组16；集中式绕组16在发电机中间平面两侧均匀对称分布有两层；当发电机处在电动状态时，集中式绕组16导通供电，电能由外部输入，能驱动转子发生偏转；之后又能转变为发电状态。所述的定子内侧面设有36个定子槽，在导磁材料制成的定子磁轭17的每一层上套有均匀等分的12个匝数可调的集中式绕组16；所述的分布式绕组15为单层链式绕组，漆包线绕制，绕层间没有绝缘层，定子槽型为梨形槽。
如图12所示，是本发明中采用转轴偏转式永磁发电机控制运行算法流程图，是以蓄电池充电储能过程为例进行说明，具体步骤如下：
步骤S1，启动风力发电机；
步骤S2，启动风机控制器；
步骤S3，判定风速风向，当风速过高时，进入步骤S4，接下来判定风向；当风向与转轴不垂直时，进入步骤S5；当风向与转轴垂直时，进入步骤S6；
步骤S4，当风速过高时，启动反接制动，刹车保护风机系统；
步骤S5，当转轴与风向不垂直时，结合控制器计算出的发电机转子位置信号，控制器控制发电机使得转轴发生一定角度的偏转，此时发电机处在电动状态，蓄电池为发电机供电，最终使风轮旋转方向与风向垂直；
步骤S6，风向与转轴垂直，控制器控制风机发电，此时发电机处在发电状态，蓄电池处在充电状态；
步骤S7，控制器判定充电电压，若电压过高，进入步骤S8，若电压低于充电电压，进入步骤S9；当电压处在可充电范围内，进入步骤S10；
步骤S8，当电压过高时，控制器进行卸负荷工作；
步骤S9，当电压过低时，控制器控制电路进行升压工作；
步骤S10，经过电压变化，或直接充电给蓄电池；
步骤S11，判定充电电量，当未满时，继续充电，当电量已满，结束风机运行。
如图10所示，是采用普通单自由度永磁同步发电机时的控制系统框图，与图11相比，除无法进行主动偏转调节外，其余部分完全相同，对应控制运行算法亦是如此。
以上未述及部分本专业技术人员均可实施。
该风力发电系统也可以与太阳能电池板配合使用，做成风光互补控制系统，亦适合多台使用构成风力发电机群组，达到综合利用的目的。
上述风机发电系统流程是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于主要包括：发电机(8)、水平式主轴或转轴(5)、轴承座(10)、风轮(1)、支架(6)、测风速风向仪、传感器、控制器和蓄电池；所述发电机(8)装在支架(6)的上端平台上，发电机(8)的转子固定在水平式主轴或转轴(5)的中部，发电机(8)的两边各设有一个轴承座(10)，水平式主轴或转轴(5)装在2个轴承座(10)上；水平式主轴或转轴(5)的两端部均对称地固定有风轮(1)，所述风轮(1)呈塞内加尔式结构，即风轮由并排的2个以上的风轮组构成，每个风轮组包括2块竖圆盘，竖圆盘的中心固定在水平式主轴或转轴(5)上，2块竖圆盘间横向对称斜向装有3个以上断面为圆弧或曲线的柱状式叶片；所述支架(6)的上端平台与支柱本体间还装有轴承，平台与支柱本体转动配合；当风向与水平式主轴或转轴(5)不垂直时或超过某一设定值时，可使发电机(8)呈电动状态，使水平式主轴或转轴(5)向与风力垂直的方向发生偏转，直到呈垂直状态，此时发电机(8)自动恢复为发电状态发电。
2.根据权利要求1所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于所述叶片为3片，其断面为半圆弧形。
3.根据权利要求1所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于所述风轮均为并排的3个风轮组，即内组、中组和外组，内组与中组，中组与外组的相对应的叶片安装在圆周方向均错开35°-45°的角度。
4.根据权利要求1所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于所述转子与水平式主轴或转轴(5)的连接结构为：发电机(8)为双侧轴式结构，发电机(8)的转子通过转子轴套筒(4)与两根短的水平式主轴或转轴(5)相连。
5.根据权利要求1所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于所述的上端平台与支柱本体间的轴承为平面轴承。
6.根据权利要求1所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于还设有反接制动刹车装置，当风速过大时，控制器使其制动，保护风轮不因过大风速而失速。
7.根据权利要求1所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于所述的发电机(8)为转轴偏转式永磁发电机，所述的轴承座(10)为滑轨轴承座，水平式主轴或转轴(5)能自转，同时能偏转；当风向与水平式主轴或转轴(5)不垂直度在一设定范围内时，可使转轴偏转式永磁同步发电机临时处于电动状态，而使水平式主轴或转轴(5)发生偏转调整到与风向垂直状态。
8.根据权利要求7所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于所述的转轴偏转式永磁发电机，结构为：包括定子、转子和发电机外壳，定子固定于发电机外壳上，转子在定子的外部，转子包括导磁材料制成的环形转子磁轭内芯(13)，水平式主轴或转轴(5)的中部为转子磁轭内芯(13)，所述转子磁轭内芯(13)的周围上分布有若干转子永磁体(12)，在圆周方向上各转子永磁体(12)的N极和S极交错排列，每相邻的两个转子永磁体(12)之间设有非导磁材料制成的隔磁片(14)；定子内侧面设有定子槽，槽内嵌有分布式绕组(15)，发电机处于发电状态时使用；定子的与转子相对侧为凹面形状，与转子的凸面形状匹配，之间具有间隙；所述的水平式主轴或转轴(5)为双侧轴，水平式主轴或转轴(5)与转子磁轭内芯(13)连接；所述的转子外形具有单层圆鼓状外形或球状凸面，相对应的定子具有与之匹配的凹面；当水平式主轴或转轴(5)转动时，转子磁轭内芯(13)也一起旋转，当水平式主轴或转轴(5)偏转时，转子磁轭内芯(13)也照样旋转；发电机处在发电状态时，分布式绕组(15)导通，由原动机带动发电机发电；转子磁轭内芯(13)与水平式主轴或转轴(5)连接，发电机(8)的两边的轴承座(10)为设有滑轨轴承(10)的轴承座，滑轨轴承(10)起支撑水平式主轴或转轴(5)并使水平式主轴或转轴(5)得以旋转的作用；所述定子包括由导磁材料制成的定子磁轭(17)，定子磁轭(17)包括均匀等分的定子极靴，定子极靴间为定子槽，定子极靴上设有定子集中式绕组(16)；集中式绕组(16)在发电机中间平面两侧均匀对称分布有两层；当发电机处在电动状态时，集中式绕组(16)导通供电，电能由外部输入，能驱动转子发生偏转；之后又能转变为发电状态。
9.根据权利要求8所述的一种自动调向式永磁直驱风力发电机，其特征在于所述的定子内侧面设有36个定子槽，在导磁材料制成的定子磁轭(17)的每一层上套有均匀等分的12个匝数可调的集中式绕组(16)；所述的分布式绕组(15)为单层链式绕组，漆包线绕制，绕层间没有绝缘层，定子槽型为梨形槽。
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