CN105840430A - 一种小型垂直轴磁悬浮风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型垂直轴磁悬浮风力发电机，包括静止部分和转动部分。静止部分含沿轴向依次由外向内对称固定在垂直定子支撑轴上的上下端盖挡环，上下保护轴承，上下径向磁轴承定子以及中间固定的发电机定子，下端盖挡环上固定有轴向磁轴承静磁环，定子支撑轴支撑在地面的塔架上；转动部分含固定在风力机外壳上的风力机叶片，外壳上下端盖内分别连接发电机双外转子，双外转子内分别嵌装有径向磁轴承转子，外壳下端盖内孔嵌装轴向磁轴承动磁环。本发明上下径向磁轴承分别实现左右前后四个自由度悬浮，轴向动、静磁环间斥力和动磁环与压紧螺母之间吸力支撑风力机重量并保持轴向自由度平衡，可实现稳定悬浮，且无噪声、无摩擦损耗、启动风速低。

Description

一种小型垂直轴磁悬浮风力发电机

技术领域

本发明涉及一种垂直轴磁悬浮风力发电机，尤其是一种轴向长度短、结构紧凑、径向和轴向受力稳定的小型垂直轴磁悬浮风力发电机。

背景技术

小型低风速风力发电机非常适用于无电网的边远地区，可以作为分布式电源给这些地区提供所需电力。与水平轴风力发电机相比较，垂直轴风力发电机结构简单，可以捕捉不同的风向，具有可分散、单独使用以及小型化的特点，特别适用于牧场、海岛、山区、楼顶等场合。

但是自然的风力大小和方向在不断的变化，根据风速大小分为0~12级，其中0~2级称为轻微风，相应微风风速是0.55~1.67m/s，轻风为1.94~3.33m/s。现有的风力发电机启动风速较大，一般为3~5m/s风速启动，最低为2m/s。

为了减少机械摩擦，实现“轻风启动，微风发电”，中国专利公开号为CN102338038A，名称为“盘式磁悬浮内转子型垂直轴风力发电机组”的专利文献利用永磁转子和定子铁芯的吸力，减少机械轴承承受的轴向力，但是径向自由度仍需要机械轴承，不能完全消除摩擦力。中国专利公开号为CN104389741A，名称为“一种竖直轴外转子磁悬浮风力发电机”的专利文献利用上、下轴向磁轴承和上、下径向磁轴承来实现无摩擦悬浮，并利用电励磁调节使其稳定悬浮。中国专利公开号为CN204283732U，名称为“一种垂直轴磁悬浮风力发电机”的专利文献利用径向混合磁轴承和轴向磁轴承实现五自由度悬浮，完全消除了机械摩擦，这两种方法磁轴承沿轴向分布过长，控制复杂，还增加了永磁体的用量，会增加成本，不利于风力机缩小体积，减轻重量。

发明内容

本发明目的是在于克服现有技术不足，提出一种小型垂直轴磁悬浮风力发电机。它能实现转动部分五自由度悬浮，转动部分与静止部分完全消除机械摩擦和磨损，磁悬浮轴承在发电机内部，充分利用发电机内部空间，大大减少轴向长度，结构紧凑，并且轴向利用吸力和斥力来分别承受轴向力和保持轴向稳定悬浮。

本发明采用的技术方案为：一种小型垂直轴磁悬浮风力发电机，包括静止部分和转动部分。所述静止部分包括沿轴向依次由外向内对称固定在垂直定子支撑轴上的上、下端盖挡环，上、下保护轴承，上、下径向磁轴承定子，以及中间固定的发电机定子，下端盖挡环上固定有轴向磁轴承静磁环，所述定子支撑轴支撑在地面的塔架上；所述转动部分包括风力机叶片，风力机叶片固定在风力机外壳上，风力机外壳上、下端盖内分别连接发电机双外转子，发电机双外转子上分别粘贴有永磁体，发电机双外转子内分别嵌装有径向磁轴承转子，所述风力机外壳下端盖内孔嵌装轴向磁轴承动磁环。

所述上、下径向磁轴承定子分别是由与所述定子支撑轴螺纹连接的压紧螺母将定子永磁环、隔磁材料固定在与所述定子支撑轴固定连接的磁环台上而成；径向磁轴承转子是通过转子永磁环、隔磁材料嵌入到发电机转子而成；径向磁轴承定子与径向磁轴承转子间的工作气隙范围为1.5~3mm。

进一步，所述径向磁轴承定子磁环和转子磁环为相对径向充磁，相互排斥形成径向推力。当风力大小改变时，径向所受承载力使其发生左右摇动，径向磁轴承定子磁环和转子磁环间工作气隙小的一侧会产生较大的斥力，来维持径向自由度平衡，完成风力机转子径向四个自由度平衡。

进一步，所述轴向磁轴承为轴向充磁且同极相背，由轴向磁轴承动磁环与压紧螺母之间的吸力和轴向磁轴承动磁环与静磁环间的斥力支撑发电机转动部分的整体重量和保持轴向自由度稳定悬浮。当风力变大时，轴向所受承载力变大，轴向动、静磁环间的工作气隙变小，斥力变大，使风力机旋转部分保持上、下自由度平衡。

进一步，发电机双外转子上粘贴的永磁体，轴向磁轴承动、静磁环，以及径向磁轴承所用的永磁环均为高磁能积的钕铁硼材料。

优选的，所述上端盖挡环和风力机外壳上端盖间保护间隙范围为0.5~1mm。

优选的，风力机外壳上端盖和上保护轴承间的保护间隙、风力机外壳下端盖和下保护轴承间的保护间隙范围均为0.5~1mm。

所述发电机定子是集中绕组，其中心圆盘部分与磁环台直径大小一样，并固定在所述定子支撑轴上，中心以外部分圆盘是由环氧树脂浇注而成。

所述上、下端盖挡环与其对应的所述定子支撑轴部分螺纹连接。

优选的，所述轴向磁轴承包括动磁环、静磁环、隔磁材料，其中动磁环、隔磁材料内嵌在风力机外壳下端盖内孔处，静磁环固定在下端盖上，轴向动、静磁环间为轴向工作气隙范围为1~2mm，轴向磁轴承动磁环与压紧螺母之间为轴向工作气隙范围为1.5~3mm，轴向磁轴承动磁环与下保护轴承之间为保护间隙范围为0.5~1mm。

优选的，发电机定子和发电机转子侧永磁体间的工作气隙为1~2mm。

基于上述，本发明小型垂直轴磁悬浮风力发电机具有以下优点：

本发明利用径向、轴向磁轴承实现五自由度悬浮，完全消除机械摩擦，并且轴向利用动磁环和压紧螺母间的吸力和轴向动、静磁环间的斥力来支撑风力机旋转部分整体重量并且实现轴向稳定悬浮，减少永磁体厚度，降低发电机成本。

径向、轴向磁轴承安装在发电机本体内部，充分利用发电机内部空间，使发电机轴向长度大大缩短，减小风力机整体重量。

综合上述优点，本发明一种垂直轴磁悬浮风力发电具有无噪声、启动风速低、无摩擦、体积小、重量轻、结构简单紧凑、径向和轴向实现稳定悬浮、成本低的特点，能够实现“轻风启动，微风发电”。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的径向磁轴承轴向剖面图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是本发明的轴向磁轴承轴向剖面图。

图中各标号：1是风力机叶片，2和7是风力机外壳上、下端盖，31和31′是径向磁轴承定子，32和32′是径向磁轴承转子，310是径向工作气隙，311和311′是压紧螺母，312是定子永磁环，321是转子永磁环，322是隔磁材料，41和61是发电机双外转子，42和62是粘贴在发电机双外转子上的永磁体， 5是发电机内定子， 8是沉头螺钉，90是风力机外壳2与上保护轴承12间的保护间隙，91是轴向磁轴承动磁环，93、95是轴向工作气隙，94是轴向磁轴承静磁环，11是风力机塔架，12和13是保护轴承，14和15是风力机外壳上、下端盖挡环，141是风力机外壳上端盖与上端盖挡环间的保护间隙。

具体实施方式

下面结合附图对发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，一种小型垂直轴磁悬浮风力发电机，包括静止部分与转动部分：

所述静止部分包括沿轴向依次由外向内对称固定在垂直定子支撑轴上的上、下端盖挡环14、15，上、下保护轴承12、13 ，径向磁轴承定子31、31′，以及中间固定的发电机定子5，下端盖挡环15上粘贴有轴向静磁环94，所述定子支撑轴支撑在地面的塔架11上。上、下端盖挡环14、15均为隔磁材料，上、下端盖挡环与其对应的定子支撑轴螺纹连接。

所述转动部分包括风力机叶片1，风力机叶片1固定在风力机外壳上，风力机外壳上、下端盖2、7内分别连接发电机双外转子41和61，发电机双外转子41和61上分别粘贴有永磁体42和62，发电机双外转子41和61内嵌装有径向磁轴承转子32和32′，风力机外壳下端盖7内孔嵌装轴向磁轴承动磁环91，轴向磁轴承动磁环91与下端盖挡环15上粘贴的轴向磁轴承静磁环94，同极相背，形成轴向斥力。风力机的上、下壳用沉头螺钉8固定，上、下壳内壁分别固定有双外转子41、61，双外转子分别粘贴有永磁体42、62，其粘贴剂可用KH5319结构胶，永磁体和磁轴承永磁环均用高磁能积的钕铁硼材料，发电机定子是无槽无铁芯结构，采用集中绕组，其中心圆盘部分与磁环台直径大小一样，并固定在定子支撑轴上，中心以外部分圆盘是由环氧树脂浇注而成，这样利于加工、安装，定子无槽无铁芯不仅减轻了电机重量而且消除了与之相关的齿槽转矩和铁芯损耗。

如图2所示，径向磁轴承定子31是由与所述定子支撑轴螺纹连接的压紧螺母311将定子永磁环312、隔磁材料322固定在与所述定子支撑轴固定连接的磁环台313上而成，磁环台313是定子支撑轴凸出的部分，和定子支撑轴是固定连接一体的，径向磁轴承转子32通过隔磁材料322嵌入到外转子41（见图1）中；径向磁轴承定子31和径向磁轴承转子32间工作气隙310范围为1.5~3mm；上端盖挡环14和风力机外壳上端盖2间保护间隙141、风力机外壳上端盖2和上保护轴承12间的保护间隙90范围均为0.5~1mm。

如图3所示，径向磁轴承定子永磁环312和转子永磁环321同极相对，形成径向的斥力，当风力大小改变时，径向所受承载力使其发生左右摇动，径向磁轴承定子磁环和转子磁环间工作气隙小的一侧会产生较大的斥力，来维持径向自由度平衡，满足径向上、下四个自由度的悬浮，下径向磁轴承和上径向磁轴承一样，不再赘述。

如图4所示，轴向磁轴承动磁环91通过隔磁材料92嵌入到风力机外壳下端盖7中， 轴向磁轴承动磁环91和压紧螺母311′之间的轴向工作气隙93范围为1.5~3mm，风力机外壳下端盖7和下保护轴承13间的保护间隙90范围为0.5~1mm，轴向磁轴承动磁环91和静磁环94间的轴向工作气隙95范围均为1~2mm；压紧螺母311′为A3钢导磁材料，压紧螺母与轴向磁轴承动磁环间的吸力和轴向动、静磁环间的斥力来支撑风力机轴向整体重量和保持轴向自由度稳定悬浮。风力变大时，轴向所受承载力变大，轴向动、静磁环间的工作气隙变小，斥力变大，使风力机旋转部分稳定并保持上、下自由度平衡。

如图2、4所示，本发明悬浮轴承安装在发电机本体内部，充分利用发电机内部空间，使发电机轴向长度大大缩短，减小风力机整体重量，并且轴向磁轴承动磁环91与压紧螺母311′之间的吸力和与静磁环94间的斥力来支撑发电机转动部分的整体重量和实现轴向稳定悬浮。

本发明不仅具有无噪声、无摩擦损耗、启动风速低，还具有轴向长度短、结构紧凑，轴向自由浮动稳定，成本低，磁轴承和发电机转子无磁路耦合，且无需额外电源和控制器，既能实现五自由度稳定悬浮。

Claims (11)

1.一种小型垂直轴磁悬浮风力发电机，包括静止部分与转动部分，其特征在于：

所述静止部分包括沿轴向依次由外向内对称固定在垂直定子支撑轴上的上、下端盖挡环（14、15），上、下保护轴承（12、13），上、下径向磁轴承定子（31、31′），以及中间固定的发电机定子（5），下端盖挡环（15）上固定有轴向磁轴承静磁环（94），所述定子支撑轴支撑在地面的塔架（11）上；

所述转动部分包括风力机叶片（1），风力机叶片（1）固定在风力机外壳上，风力机外壳上、下端盖（2、7）内分别连接发电机双外转子（41、61），发电机双外转子（41、61）上分别粘贴有永磁体（42、62），发电机双外转子（41、61）内分别嵌装有径向磁轴承转子（32、32′），风力机外壳下端盖（7）内孔嵌装轴向磁轴承动磁环（91）。

2.根据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述上、下径向磁轴承定子（31、31′）分别是由与所述定子支撑轴螺纹连接的压紧螺母（311、311′）将定子永磁环（312）、隔磁材料（322）固定在与所述定子支撑轴固定连接的磁环台（313）上而成；径向磁轴承转子（32）是通过转子永磁环（321）、隔磁材料（322）嵌入到发电机转子（41）而成；径向磁轴承定子（31）与径向磁轴承转子（32）间的工作气隙（310）范围为1.5~3mm。

3.根据权利要求2所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述径向磁轴承定子永磁环（312）和转子永磁环（321）为相对径向充磁，相互排斥形成径向推力。

4.根据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述轴向磁轴承为轴向充磁且同极相对，由动磁环（91）与压紧螺母（311′）之间的吸力和动磁环（91）与静磁环（94）间的斥力支撑发电机转动部分的整体重量和保持轴向自由度稳定悬浮。

5.据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：发电机双外转子（41、61）上粘贴的永磁体（42、62），轴向磁轴承动、静磁环（91、94），以及径向磁轴承所用的永磁环（312、321）均为高磁能积的钕铁硼材料。

6.根据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述上端盖挡环（14）和风力机外壳上端盖（2）间保护间隙（141）范围为0.5~1mm。

7.根据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：风力机外壳上端盖（2）和上保护轴承（12）间的保护间隙（90）、风力机外壳下端盖（7）和下保护轴承（13）间的保护间隙（90）范围均为0.5~1mm。

8.根据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述发电机定子（5）是集中绕组，其中心圆盘部分与磁环台直径大小一样，并固定在所述定子支撑轴上，中心以外部分圆盘是由环氧树脂浇注而成。

9. 根据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述上、下端盖挡环（14、15）与其对应的所述定子支撑轴部分螺纹连接。

10.根据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述轴向磁轴承包括动磁环（91）、静磁环（94）、隔磁材料（92），其中动磁环（91）、隔磁材料（92）内嵌在风力机外壳下端盖（7）内孔处，静磁环（94）固定在下端盖挡环（15）上，轴向动、静磁环间为轴向工作气隙（95）范围为1~2mm，轴向磁轴承动磁环（91）与压紧螺母（311′）之间为轴向工作气隙（93）范围为1.5~3mm，轴向磁轴承动磁环（91）与下保护轴承（13）之间保护间隙（90）范围为0.5~1mm。

11.根据权利要求1所述的小型垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于：发电机定子（5）和发电机转子侧永磁体（42、62）间的工作气隙为1~2mm。