CN106150901A - 基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，包括安装底板、输出杆、电磁驱动线圈组件、组合式永磁转子、输出及定位装置；在电磁驱动线圈组件的驱动下，组合式永磁转子能够转动运动并通过输出及定位装置带动输出杆进行直线运动。本发明可实现对翼型气动特性的主动控制。由于翼型气动特性对翼型外形的变化很敏感，因此驱动器的输出是小位移输出，永磁转子只在0到22.5度之间摆动，通过滚动轴与滑槽输出装置，巧妙的将摆动运动转化为直线运动。

Description

基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置
技术领域
本发明涉及驱动器技术、风力机载荷优化和功率控制技术领域，具体地，涉及一种风机载荷优化和功率控制的电磁-永磁驱动装置。
背景技术
电磁驱动装置主要用于风力机叶片载荷优化和功率控制，承受一定来流负载并具有定位要求，并控制通入电磁线圈电流来提供一定大小的驱动力矩，再将转子的转动转化为直线位移，实现翼型局部变形的主动控制。在风机载荷优化和功率控制的装置中，很多采用定桨距调节，由于固定桨距角与桨叶自身的气动性能等限制，难以保证稳定的功率输出。对于变桨距调节方式，由于风力发电机组叶片尺寸、质量及转动惯量的增大，变桨距的启动制动过程变得缓慢，需耗费更多的驱动力矩和功率，无法实现迅速响应并快速调节。同时在变桨距调节过程中，一般对整个或局部大叶片位置调整，在变桨距调节过程中产生风机系统内部的额外惯性冲击与噪声，影响风机的使用寿命。
本发明能够通过内置驱动结构，改变翼型外部轮廓，对翼型气动特性和流场结构产生影响，改善突变来流引起的载荷变化并控制功率波动，是风机在有效载荷内安全运行，能够迅速实现过载失速保护，具有良好的快速响应性能。目前没有发现同本发明类似技术的说明和报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置。本发明通过使内置于风力机叶片内部驱动叶片产生局部变形，从而实现风力机叶片载荷优化和发电功率控制。
根据本发明提供的一种基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，包括安装底板、输出杆、电磁驱动线圈组件、组合式永磁转子、输出及定位装置；
电磁驱动线圈组件设置在安装底板上；
安装底板、组合式永磁转子、输出及定位装置、输出杆依次连接。
优选地，在电磁驱动线圈组件的驱动下，组合式永磁转子能够转动运动并通过输出及定位装置带动输出杆进行直线运动。
优选地，电磁驱动线圈组件包括工字铁芯、线圈、线圈夹持架、套筒、端盖、安装座；
线圈缠绕在工字铁芯上；
线圈的外表面安装套筒，套筒的两端均安装有端盖；
套筒安装在线圈夹持架上；
线圈夹持架通过安装座安装在安装底板上。
优选地，组合式永磁转子包括转动轴、永磁体安装座、上驱动永磁体、下驱动永磁体、下端铁套、上端铁套、滚动轴承、滚动轴、键、支撑架；
永磁体安装座与转动轴通过键连接；
转动轴的两端通过轴承固定于支撑架上，支撑架安装在安装底板上，转动轴的轴向平行于安装底板；
上驱动永磁体连接在永磁体安装座的上部与上端铁套之间；
下驱动永磁体连接在永磁体安装座的下部与下端铁套之间；
滚动轴通过滚动轴承安装在上端铁套上；
滚动轴连接输出及定位装置。
优选地，输出及定位装置包括滑槽、限位永磁体以及定位螺钉；
滑槽连接组合式永磁转子，组合式永磁转子的滚动轴能够沿滑槽运动；
限位永磁体通过定位螺钉安装在滑槽上；
定位螺钉与滑槽螺纹连接。
优选地，具有成对的组合式永磁转子；
在成对的组合式永磁转子中，具有两个反向运动的组合式永磁转子。
优选地，组合式永磁转子的两侧均设置有电磁驱动线圈组件。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明可通过调节四组驱动线圈驱动电流的大小实现输出力的控制，进而调整翼型变形量，因此可通过翼型气动特性某参数对驱动器进行反馈控制，从而可实现对翼型气动特性的主动控制。由于翼型气动特性对翼型外形的变化很敏感，因此驱动器的输出是小位移输出，永磁转子只在0到22.5度之间摆动，通过滚动轴与滑槽输出装置，巧妙的将摆动运动转化为直线运动。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置的整体结构示意图。
图2是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置的俯视图。
图3是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置中电磁驱动线圈组件的结构示意图。
图4是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置中组合式永磁转子的结构示意图。
图5是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置中永磁转子和输出装置连接示意图。
图6是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置中单组驱动器结构示意图。
图7是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置中组合式永磁转子安装结构示意图。
图8是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置中单组驱动器驱动示意图。
图9是本发明提供的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置的驱动原理示意图。
图中：
100-基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置；104-安装底板；105-输出杆
200-电磁驱动线圈组件；201-安装螺钉；202-线圈；203-工字铁芯；204-端盖；205-套筒；208-线圈夹持架；209-线圈安装座；
300-组合式永磁转子；301-永磁体安装座；302-上驱动永磁体；303-转动轴；304-下驱动永磁体；305-下端铁套；306-上端铁套；307-滚动轴承；308-滚动轴；309-键；501-支撑架；503-转子安装螺钉；
400-输出及定位装置；401-变形输出板；404-限位永磁体；405-滑槽安装螺钉；406-永磁体定位螺钉；407-滑槽；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、图2所示，基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置包括电磁驱动线圈组件200、组合式永磁转子300、输出及定位装置400、安装底板104、输出杆105。电磁驱动线圈组件200设置在安装底板104上；安装底板104、组合式永磁转子300、输出及定位装置400、输出杆105依次连接。
如图3所示，电磁驱动线圈组件200包括工字铁芯203、线圈202、线圈夹持架208、套筒205、端盖204和安装座209。线圈202缠绕在工字铁芯203上，以使线圈202产生的磁场集中。线圈202外表面安装套筒205，同时在套筒205两端安装两个端盖204对线圈202进行定位。套筒205安装在线圈夹持架208上，线圈夹持架208成弧形，通过两对线圈夹持架208对线圈202及套筒205进行安装，利用螺钉将线圈夹持架208安装于安装底板104上。
如图4所示，组合式永磁转子300包括转动轴303、永磁体安装座301、上驱动永磁体302、下驱动永磁体304、滚动轴308、滚动轴承307、下端铁套305、上端铁套306、支撑架501。永磁体安装座与转动轴通过键309连接。转动轴303两端通过轴承固定于支撑架501上，从而可使转动轴绕z轴转动，其中，z轴垂直于x轴和y轴；支撑架301安装在安装底板104上，转动轴303的轴向平行于安装底板104；上驱动永磁体302、下驱动永磁体304为长方体结构，均为一端嵌在永磁体安装座301上，另一端与下端铁套305或上端铁套306连接；滚动轴308两端通过轴承与上端铁套306连接。组合式永磁转子300安装在两个电磁驱动线圈组件200的对称面上，且电磁驱动线圈组件200与组合式永磁转子300的中心平面位于同一平面，两个组合式永磁转子300相对于y轴对称布置，在安装平面内两个组合式永磁转子300反向运动，在电磁驱动线圈组件200的作用下，组合式永磁转子300可实现绕z轴的转动。
输出及定位装置400包括滑槽407、限位永磁体404以及定位螺钉405。滚动轴308穿过滑槽407，可在滑槽407内滚动，在组合式永磁转子转动过程中，滚动轴308被带动在滑槽407内移动，从而将组合式永磁转子的转动转化为直线移动；成对的组合式永磁转子对称安装且运动方向相反，因此沿着x轴方向的力相互平衡，只产生沿着y轴的输出力；限位永磁体镶嵌于滑槽内部，并通过定位螺钉进行定位，当两组电磁线圈通入同向电流时，两组线圈对永磁转子产生同向力矩，从而驱动永磁转子进行转动。在两组电磁线圈作用下，当永磁转子的方向与y轴平行时转子输出最大位移，此时转子运动到最大位置，在该位置永磁转子靠近定位永磁体，定位永磁体对永磁转子产生一定大小的吸力，从而可使永磁体保持在该位置；转子的上端通过滚动轴与滑槽连接，滚动轴不仅在滑槽中转动，同时传递永磁转子输出的位移，滑槽装置在将位移传递给输出杆，而输出杆作用于翼型表面蒙皮上，在驱动力作用下使蒙皮发生局部变形。当组合式永磁转子运动达最大位置时，限位永磁体与组合式永磁转子相互吸引，从而对永磁转子进行限位；滑槽两端通过滑槽安装螺钉405与输出杆连接，而输出杆作用于翼型表面蒙皮上，在驱动力的作用下使蒙皮发生局部变形。
如图6所示，为单组驱动单元结构示意图，两组电磁驱动线圈组件对称布置在转动轴两侧，每侧一个电磁驱动线圈组件，线圈安装座和组合式永磁转子的支撑架均采用螺纹连接方式紧固连接于安装底板上。当两组电磁驱动线圈组件通入同向电流时，产生同向的磁极。如图8所示，两组电磁驱动线圈组件产生的磁场方向水平向右时，根据同极相斥原理，两组电磁驱动线圈组件驱动组合式永磁转子向右转动。组合式永磁转子转动过程中带动上端铁套摆动，从而驱动滑槽中的滚动轴运动，滚动轴在滑槽内滚动的同时还沿x轴和y轴运动，最终推动滑槽和输出杆沿y轴运动，将组合式永磁转子的摆动运动转化为输出杆的直线运动。
图9是永磁驱动装置驱动翼型变形的过程示意图。两组驱动线圈和一个组合式永磁转子构成一个驱动单元，整个驱动装置由两组驱动单元组成，每组驱动单元相对于y轴对称布置，两个驱动转子是相对于y轴反对程布置的，且驱动单元的下端通过螺钉安装到底板上，上端通过滚动轴和输出板连接，通过输出板输出位移和力。驱动器驱动变形时，每个驱动单元输入的电流大小相等，方向相反。在电磁线圈驱动作用下，两个转子反向转动，同时滑槽上的限位永磁体也对转子产生吸引力作用，增加转子转动力矩。转子上端均作用于滑槽上，将转动运动转化为直线运动。由于转子反向转动，X轴方向的力相互平衡，属于驱动装置内力，最终输出的只是y轴方向的位移和输出力，从而使翼型表面蒙皮发生变形。当永磁转子带动滚轴运动到滑槽的端部时，转子不再运动，限位永磁体对转子的作用力达到最大，此时可以断开驱动线圈电流，利用限位永磁体和转子的作用力进行限位。减小变形时，只需要给驱动线圈通入相反的电流，在电磁线圈产生的磁场作用下，驱动力克服限位永磁体对转子的作用使得转子反向转动，最终转子通过滑槽使得输出板沿着y轴负方向运动，从而减小翼型表面的变形。
其中，规定组合式永磁转子200轴向方向为z轴方向，z轴正方向垂直纸面向外，z轴负方向为z轴正方向的反方向，垂直于z轴水平向右的方向为x轴正方向，x轴负方向为x轴正方向的反方向，x、y、z轴满足右手定则，y轴正方向通过右手定则确定，y轴负方向为y轴正方向的反向。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，其特征在于，包括安装底板(104)、输出杆(105)、电磁驱动线圈组件(200)、组合式永磁转子(300)、输出及定位装置(400)；
电磁驱动线圈组件(200)设置在安装底板(104)上；
安装底板(104)、组合式永磁转子(300)、输出及定位装置(400)、输出杆(105)依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，其特征在于，在电磁驱动线圈组件(200)的驱动下，组合式永磁转子(300)能够转动运动并通过输出及定位装置(400)带动输出杆(105)进行直线运动。
3.根据权利要求1所述的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，其特征在于，电磁驱动线圈组件(200)包括工字铁芯(203)、线圈(202)、线圈夹持架(208)、套筒(205)、端盖(204)、安装座(209)；
线圈(202)缠绕在工字铁芯(203)上；
线圈(202)的外表面安装套筒(205)，套筒(205)的两端均安装有端盖(204)；
套筒(205)安装在线圈夹持架(208)上；
线圈夹持架(208)通过安装座(209)安装在安装底板(104)上。
4.根据权利要求1所述的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，其特征在于，组合式永磁转子(300)包括转动轴(303)、永磁体安装座(301)、上驱动永磁体(302)、下驱动永磁体(304)、下端铁套(305)、上端铁套(306)、滚动轴承(307)、滚动轴(308)、键(309)、支撑架(501)；
永磁体安装座(301)与转动轴(303)通过键(309)连接；
转动轴(303)的两端通过轴承固定于支撑架(301)上，支撑架(501)安装在安装底板(104)上，转动轴(303)的轴向平行于安装底板(104)；
上驱动永磁体(302)连接在永磁体安装座(301)的上部与上端铁套(306)之间；
下驱动永磁体(304)连接在永磁体安装座(301)的下部与下端铁套(305)之间；
滚动轴(308)通过滚动轴承(307)安装在上端铁套(306)上；
滚动轴(308)连接输出及定位装置(400)。
5.根据权利要求1所述的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，其特征在于，输出及定位装置(400)包括滑槽(407)、限位永磁体(404)以及定位螺钉(405)；
滑槽(407)连接组合式永磁转子(300)，组合式永磁转子(300)的滚动轴(308)能够沿滑槽(407)运动；
限位永磁体(404)通过定位螺钉(405)安装在滑槽(407)上；
定位螺钉(405)与滑槽(407)螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，其特征在于，具有成对的组合式永磁转子(300)；
在成对的组合式永磁转子(300)中，具有两个反向运动的组合式永磁转子(300)。
7.根据权利要求6所述的基于风力机载荷优化及功率控制的电磁驱动装置，其特征在于，组合式永磁转子(300)的两侧均设置有电磁驱动线圈组件(200)。
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