CN106286080B - 一种正向受力的风力或水力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力或水力发电结构技术领域，具体指一种正向受力的风力或水力发电机；包括发电机的主轴，所述主轴的两端均设有与其一体转动的支撑板，两个支撑板之间设有若干叶片，所述叶片的两端均设有子轴，支撑板上设有若干与叶片一一对应的适配孔；子轴分别穿设于对应的支撑板上的适配孔中，叶片在风轮转动过程中的状态可切换，叶片在后半周(即190～350o)只能进行公转产生推力形成做功区，叶片在前半周(即10～170o)只能自转形成非做功区，合力作用下使主轴旋转从而做功，可改变叶片与主轴的距离和尺寸提高功率和扭矩；叶片的有效表面积大于传统叶轮，大幅度地提高实用性、降低制作难度和生产成本，提高了发电机的应用领域范围。

Description

一种正向受力的风力或水力发电机

技术领域

本发明涉及风力或水力发电结构技术领域，具体指一种正向受力的风力或水力发电机。

背景技术

现有的风力或水利发电的主要工作原理，大都是外力(水力或风力)推动一个旋转叶轮的叶片使其旋转从而发电，由于叶片的表面在受力时与外力之间必须有一个夹角，也就是叶片表面必须制成斜面，把垂直方向的外力转换成水平方向的旋转力，因为垂直力与水平力之间的夹角是90°，所以把垂直力变换成水平力的最佳角度就是45°，说明只有1/2的垂直力能转换成水平力，也就是只有一半的力做了有用功，这就是说在人们已经捕获的有限的资源中有一半被浪费，由于设计、结构、制作等因素影响，被浪费的还不止这些，不仅是这样，还是要用这个夹角来实现旋转，为了获得更大的推力，设计师们不得不把叶片设计的很长(风力发电机的叶片已经有8米至15米或更长)，在增加了尺寸和重量的同时，也限制了转速、加大了制作难度，使得发电机复杂化，最终导致成本加大，因角度产生的缺陷，使得有用功减少，使得发电机：高、大、重、结构复杂且造价高，而效能不高，最终结果就限制了水力和风力的发展及应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构紧凑、简单、利用率高、输出扭矩大、应用范围广的正向受力的风力或水力发电机。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的一种正向受力的风力或水力发电机，包括发电机的主轴，所述主轴的两端均设有与其一体转动的支撑板，两个支撑板之间设有若干叶片，所述叶片的两端均设有子轴，支撑板上设有若干与叶片一一对应的适配孔；所述若干叶片等角间隔地设置在以主轴为中心的圆周上，叶片两端的子轴分别穿设于对应的支撑板上的适配孔中，所述叶片可以主轴为中心随支撑板公转，且叶片还可以子轴为中心在支撑板上自转。

根据以上方案，所述支撑板的外周上设有强制限位圈，强制限位圈的内缘上设有若干与叶片配合的啮合齿。

根据以上方案，所述啮合齿的齿高为H，则H≤(D1-D2)/2。

根据以上方案，所述支撑板的外侧设有与其配合的轨道板，轨道板与发电机的定子固定连接，轨道板上设有导向槽，导向槽为围绕主轴一周的封闭结构，且叶片两端的子轴分别穿设于对应的导向槽内。

根据以上方案，所述适配孔包括自转部和公转部，适配孔的长径沿支撑板的径向设置，且公转部设于主轴的相对远端。

根据以上方案，所述导向槽包括均以主轴为中心的做功部和自由部，做功部的直径为D1，公转部以主轴为中心的分布半径为R1，则D1＝2*R1；所述自由部的直径为D2，自转部以主轴为中心的分布半径为R2，则D2＝2*R2。

根据以上方案，所述做功部与自由部的两端之间均连接有平滑过渡使导向槽呈封闭的环形结构，所述子轴通过转动轴承穿设于导向槽内。

根据以上方案，所述做功部设于轨道板的圆周角190°～350°之间，自由部设于轨道板的圆周角10°～170°之间。

本发明有益效果为：本发明结构合理，叶片在风轮转动过程中的状态可切换，叶片在转动轨迹的后半周(即190～350°)只能进行公转，从而配合支撑板产生推力形成做功区，叶片在转动轨迹的前半周(即10～170°)只能自转从而形成非做功区；合力作用下使得主轴产生旋转力从而发电。可通过增加叶片的面积和加大叶片与主轴之间的间距来提高叶片做功的功率和扭矩；叶片的有效表面积远大于传统的叶轮表面积，避免了因角度原因而产生的外力损失，解决了只能在长度上延长的方式来加大扭矩的约束，可以按需要在很小的尺寸范围内获得较大的扭矩，所以其优势大大超过了传统的叶轮式发电机，大幅度的提高实用性、大幅度的降低了制作难度和生产成本，提高了本发电机的应用领域范围。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的剖面结构示意图；

图3是本发明的叶片与轨道板配合状态转换示意图；

图4是本发明的子轴与适配孔配合状态转换示意图。

图中：

1、主轴；2、支撑板；3、叶片；4、轨道板；5、强制限位圈；21、适配孔；22、自转部；23、公转部；31、子轴；41、导向槽；42、做功部；43、自由部；51、啮合齿。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1-3所示，本发明所述的一种正向受力的风力或水力发电机，包括发电机的主轴1，所述主轴1的两端均设有与其一体转动的支撑板2，两个支撑板2之间设有若干叶片3，所述叶片3的两端均设有子轴31，支撑板2上设有若干与叶片3一一对应的适配孔21；所述若干叶片3等角间隔地设置在以主轴1为中心的圆周上，叶片3两端的子轴31分别穿设于对应的支撑板2上的适配孔21中，所述叶片3可以主轴1为中心随支撑板2公转，叶片3可以子轴31为中心在支撑板2上自转。

上述结构为本发明主体结构，其工作原理如下：

实施例1，在大型机组中，需要采用较大面积的叶片3进行推动，优选在支撑板2的外周上设有强制限位圈5，强制限位圈5的内缘上设有若干与叶片3配合的啮合齿51；所述啮合齿51的齿高为H，则H≤(D1-D2)/2。其主要原理同上，不同之处在于，叶片3在公转到轨道板4的自由部43(即导向槽41的小径圆部分)时，叶片3外侧边脱离强制限位圈5的限制，从而子轴31能在适配孔21中自转；叶片3在公转到轨道板4的做功部42做功区域(即导向槽41的大径圆部分)时，受导向槽41的限位作用，叶片3上的子轴31与适配孔21上的公转部22啮合，且叶片3产生的径向位移使其外侧边与强制限位圈5上的啮合齿51咬合，优选的强制限位圈5上的啮合齿51与叶片3为一一对应的配置，避免叶片3与啮合齿51的咬合错位问题，提高叶片3与支撑板2以及主轴1之间的限位强度。

所述支撑板2的外侧设有与其配合的轨道板4，轨道板4与发电机的定子固定连接，轨道板4上设有导向槽41，导向槽41为围绕主轴1一周的封闭结构，且叶片3两端的子轴31分别穿设于对应的导向槽41内。

所述适配孔21包括自转部22和公转部23，适配孔21的长径沿支撑板2的径向设置，且公转部23设于主轴1的相对远端。

所述导向槽41包括均以主轴1为中心的做功部42和自由部43，做功部42的直径为D1，公转部23以主轴1为中心的分布半径为R1，则D1＝2*R1；所述自由部43的直径为D2，自转部22以主轴1为中心的分布半径为R2，则D2＝2*R2。

所述做功部42与自由部43的两端之间均连接有平滑过渡使导向槽41呈封闭的环形结构，所述子轴31通过转动轴承穿设于导向槽41内。

所述做功部42设于轨道板4的圆周角190°～350°之间，自由部43设于轨道板4的圆周角10°～170°之间。

所述若干叶片2采用两片一组呈对称设置，各组叶片2之间呈等角间隔分布在以主轴1为圆心的圆轨迹上。

实施例2，支撑板2之间设置4组8片叶片3，在外部风力的作用下，第一组叶片3的一片位于270°位置，此点轨道板4把叶片3连同子轴31推到做功部42(远轴、即轨道板4的大圆)位置，因子轴31的锥形段进入支撑板2的锥形槽，限制了叶片3的自转，叶片3正面完全受外力的垂直作用，叶片3迎风或面对水流下同，叶片3与外力之间没有夹角，把外力100％转变为力矩做功，没有能量浪费，只能以主轴1为轴心公转，此点产生的扭矩最大，而同组另一叶片3处于相反的90°位置，因轨道板4小圆作用使叶片3和子轴31处于近轴位置，子轴31的锥形段脱离了支撑板2锥形卡槽的限制，可以自转，在外力的作用下，发生自转使叶片3的单边迎向外力(顺风、顺水)，基本不产生力矩，这组叶片3合力的结果是使主轴1顺着风向转动；同样的做功方式：此时第二组的1个叶片3对应位置在315°，与第一组270°的叶片3类似，在轨道板4的远轴范围，尽管与外力有一定的角度(45°)，也同样产生力矩(50％)，而第二组另1个叶片3在135°位置，与第一组的90°位置叶片3相似，同属轨道板4近轴范围内可以自转，在外力的作用下，也是一个单边迎向外力，基本不产生力矩，合力结果也是推动主轴1做顺风转动；第三组的2个叶片3此时分别在0°和180°位置，子轴31都处在与支撑圈锥形槽(过渡段)刚刚脱离的状态，属近轴运动，都单边迎向外力，不产生力矩即都不做功；第四组叶片3的做功原理等同第二组叶片3(也产生50％的力矩)；四组叶片3在≧0°～≦180°范围内都可自转，单边迎向外力(顺风、顺水)都不做功，在>180°～<360°范围都不能自转只能公转因此都在做功。在外力不断的作用下，由于4组叶片3依次交替进入各点，所以总是前半周的叶片3不做功，后半周的叶片3在做功，结果是使发电机能获得源源不断力矩从而不断旋转发电。

实施例3，主轴1呈水平放置时，当叶片3旋转至做功部42时，由于重力的作用，叶片3可以自动下落至强制限位圈5中，当叶片3旋转出做功部时，在重力的做用下，叶片3脱离强制限位圈5。因此，当本装置采用水平放置时，可以取消轨道板4，进一步节约安装制造成本。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.一种正向受力的风力或水力发电机，包括发电机的主轴(1)，其特征在于：所述主轴(1)的两端均设有与其一体转动的支撑板(2)，两个支撑板(2)之间设有若干叶片(3)，所述叶片(3)的两端均设有子轴(31)，支撑板(2)上设有若干与叶片(3)一一对应的适配孔(21)；所述若干叶片(3)等角间隔地设置在以主轴(1)为中心的圆周上，叶片(3)两端的子轴(31)分别穿设于对应的支撑板(2)上的适配孔(21)中，所述叶片(3)可以主轴(1)为中心随支撑板(2)公转，且叶片(3)可以子轴(31)为中心在支撑板(2)上自转；所述支撑板(2)的外周上设有强制限位圈(5)，强制限位圈(5)的内缘上设有若干与叶片(3)配合的啮合齿(51)；

所述支撑板(2)的外侧设有与其配合的轨道板(4)，轨道板(4)与发电机的定子固定连接，轨道板(4)上设有导向槽(41)，导向槽(41)为围绕主轴(1)一周的封闭结构，且叶片(3)两端的子轴(31)分别穿设于对应的导向槽(41)内；

所述啮合齿(51)的齿高为H，则H≤(D1-D2)/2；

所述导向槽(41)包括均以主轴(1)为中心的做功部(42)和自由部(43)，做功部(42)的直径为D1，公转部(23)以主轴(1)为中心的分布半径为R1，则D1＝2*R1；所述自由部(43)的直径为D2，自转部(22)以主轴(1)为中心的分布半径为R2，则D2＝2*R2。

2.根据权利要求1所述的正向受力的风力或水力发电机，其特征在于：所述适配孔(21)包括自转部(22)和公转部(23)，适配孔(21)的长径沿支撑板(2)的径向设置，且公转部(23)设于主轴(1)的相对远端。

3.根据权利要求2所述的正向受力的风力或水力发电机，其特征在于：所述做功部(42)与自由部(43)的两端之间均连接有平滑过渡使导向槽(41)呈封闭的环形结构，所述子轴(31)通过转动轴承穿设于导向槽(41)内。

4.根据权利要求2所述的正向受力的风力或水力发电机，其特征在于：所述做功部(42)设于轨道板(4)的圆周角190°～350°之间，自由部(43)设于轨道板(4)的圆周角10°～170°之间。