CN107152378A - 一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，由转子摩擦盘、正、反向摩擦轮、正、反向电磁离合器、传动主轴、蓄能飞轮、转换装置机架、加压弹簧、机架导杆、凸轮槽板、滑台线性模组、移位电动机及行程开关、换向控制器等组成。当风力机转子运行到换向区，停止对转子的驱动，转子通过摩擦盘和摩擦轮把剩余的转动能量传递给能量转换装置。摩擦轮与摩擦盘小半径处开始加压接触并逐渐向大半径处移动，减少摩擦轮传动时的滑动摩擦损失；转子反向时，通过另一个摩擦轮由摩擦盘大半径处开始与其加压接触，逐渐向小半径处移动，把转动能量反向传递给转子；摩擦轮空行程时，则脱离与摩擦盘的接触。本发明可有效降低转子换向时的能量消耗。

Description

一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力机领域，尤其涉及一种马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机转子正反转能量的高效转换。

背景技术

在风力发电技术的发展历史上，出现过一种基于马格纳斯(Magnus)效应的垂直轴升力型风力机，其产生升力的动力叶片是装载在轨道小车上的旋转圆柱，小车被安放在圆周轨道上，当来风吹向圆柱时，旋转圆柱上产生马格纳斯(Magnus)效应，即在圆柱的一侧，风流动的方向与圆柱的运动方向相同，另一侧则相反，诱发的绕旋转圆柱的环流将产生垂直于风流动方向的升力(升力方向指向上述运动方向相同一侧)，和与来流方向相反的阻力，其合力推动小车绕环形轨道运行，小车车轮驱动发电机。

该技术方案是美国工程师Julius D.Madaras 1933年构想，并建造了大型实验方案(针对40MW风场)，其中的旋转圆柱被称为马达拉斯(Madaras)转子。

该风力发电装置并没有取得大规模发电的效果，原因在于其机械的复杂性：为了使圆柱转子上产生的升力能够持续驱动小车在环形轨道上往复运动，旋转圆柱必须在每一个上风口圆弧与下风口圆弧的结合点改变一次旋转方向；为了获得大的升力，圆柱的直径和旋转速度都要求尽量取大值，造成圆柱的转动惯量大，在当时的技术条件下，改变转子圆柱的转速和转向只能借助复杂的机械系统实现，机械损失过大。同样由于换向困难以及其它配套技术的影响，圆柱转速的提高受到很大限制，其转子的空气动力特性得不到充分发挥，加上车体轨道摩擦阻力损失，致使该种风力机的运行效率不如水平轴风力机高而被放弃。

随着现代科技的不断进步，以上方案中出现的技术问题可以通过新的技术手段和方法予以解决。其中一个重要技术问题是，要获得有利的空气动力特性，圆柱转子需要有足够大的旋转半径和旋转速度，所以圆柱转子的转动惯量一般较大，达到转速要求时需要消耗的能量也较大，而每一个转子在途经圆形轨道一周范围内必须经过两次转动方向的变化，解决不好转动能量转换的问题就会在转子反向启动时耗费大量能量，间接降低此类风力机的风能利用效率，是该类风力机能否被重新认可的关键问题之一。

本专利提供了一种马达拉斯(Madaras)转子正反转能量转换装置，能够在转子转动方向切换时把正转转子的转动能量高效地转换为转子反转的能量，有效降低转子换向时的能量消耗，提高风力的发电效率。研究表明，马格纳斯(Magnus)效应的旋转圆柱可以获得比其它翼型更大的升力，且制造成本低廉，经过改进的马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机有着良好的应用前景。

发明内容

技术问题：针对马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机圆柱转子在正、反旋转方向转换时存在可观的能量消耗问题，本发明提供了一种转子正反转能量转换装置，能够在转子转向切换时把正转转子的转动能量高效地转换为转子反转的能量，有效降低转子换向时的能量消耗，提高风力机的发电效率。

技术方案：本发明技术方案的实施需涉及到马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机。结合上述技术背景中的说明，进一步对马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机与本发明技术方案协同工作后的工作过程叙述如下：当轨道小车带动圆柱转子在环形轨道上运行到接近转子换向点指定范围，驱动圆柱转子的电动机停止对转子的驱动，正向转动的(为叙述方便，以下把转子每次换向前的转动方向统称为正向转动，换向后转子的旋转方向统称为反向转动)圆柱转子通过与转子同步转动的摩擦盘和与其加压接触的摩擦轮把转动能量传递给能量转换装置(主要部件之一是蓄能飞轮)存储。为了保证能量的高效传递，摩擦轮在摩擦盘半径较小处开始与其接触，并逐渐向大半径处移动，使蓄能飞轮得以缓慢加速，减少摩擦轮传动时由于冲击引起的滑动摩擦损失；同理，转子反向时，通过另一个摩擦轮由摩擦盘另一侧半圆面的大半径处开始与其接触，逐渐向小半径处移动，把转动能量反向传递给转子，助力转子的反向启动。

进一步地，把转子正向转动能量吸收存储到能量转换装置的技术方案为：摩擦轮轴线与摩擦盘轴线垂直，摩擦轮从圆柱转子的较小旋转半径处加压接触摩擦盘，转子带动摩擦轮转动，摩擦轮又把转子的旋转运动传递给传动主轴及其上的蓄能飞轮，随后摩擦轮被逐渐推向对应圆柱转子半径大的摩擦盘外缘部分，由于接触处的线速度增加，摩擦轮逐渐加速旋转，而圆柱转子由于能量被蓄能飞轮吸收而逐渐减速，当摩擦轮被推到摩擦盘的最大旋转半径处，蓄能飞轮最大限度地吸收了圆柱转子的转动能量，蓄能飞轮随后脱离与转子间的摩擦传动关系。

进一步地，当蓄能飞轮与转子的摩擦传动关系终止后，转子一般还存在部分剩余转动能量，刹车机构制动，使圆柱转子完全停止转动。

进一步地，能量转换装置的转动能量反向释放给转子过程是：圆柱转子被制动后，另一个与前述摩擦轮和蓄能飞轮同轴安装的摩擦轮从转子摩擦盘另一侧(实现反向传递)半径较大处与摩擦盘加压接触，开始把转动能量传递给圆柱转子，由于摩擦轮接触处转子的转动半径较大，摩擦轮与转子的瞬时传动比也较大，摩擦盘得以较大的转矩启动转子旋转，与转子接触处的滑动摩擦损失较小。随后，摩擦轮被逐渐推向摩擦盘半径较小的部分，圆柱转子的转速由于摩擦轮与转子间瞬时传动比的加大以及吸收了蓄能飞轮的转动能量而逐渐提高，当摩擦轮被推到摩擦盘的最小旋转半径处，蓄能飞轮最大限度地把吸收的转动能量传递给了换向后的圆柱转子。

有益效果：由于能量转换装置的摩擦轮在吸收存储圆柱转子能量时，从转子的最小旋转半径开始接触，摩擦轮的启动转速低，转换装置中的蓄能飞轮低速启动并得以缓慢加速，有效减少了摩擦轮与圆柱转子之间由于冲击过大引起的滑动摩擦损失；反向能量输送时使圆柱转子低速大转矩启动，并通过摩擦轮向摩擦盘小半径处移动，延长圆柱转子反向转动的加速时间，减小了能量传递中的摩擦能耗，达到了能量的高效吸收和释放，总体上提高了该类风力机的风能利用效率。

附图说明

图1为垂直轴风力机转子正反转能量转换装置工作示意图；

图2为马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机工作原理及转子换向点示意图。

图中：1-转子摩擦盘，2-正向摩擦轮，3-传动主轴，4-正向电磁离合器，5-蓄能飞轮，6-轴承座，7-反向电磁离合器，8-反向摩擦轮，9-转换装置机架，10-滑动导套，11-加压弹簧，12-机架导杆，13-调节螺母，14-导杆滚子，15-滚子销轴，16-凸轮槽板，17-右缓冲垫，18-左缓冲垫，19-滑台线性模组，20-移位电动机，21-行程开关，22-换向控制器，23-轨道小车平台，24-环形轨道，25-圆柱转子，26-第一换向点，27-第二换向点，28-转子电动机，29-电磁制动器。

具体实施方式

本发明实施例中提供了一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，由转子摩擦盘、正向摩擦轮、正向电磁离合器、传动主轴、蓄能飞轮、反向电磁离合器、反向摩擦轮、转换装置机架、加压弹簧、机架导杆、凸轮槽板、滑台线性模组、移位电动机及行程开关，换向控制器等组成。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰地描述，显然，描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

结合图1～2，该方案实施的前提是，一种马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机转子正反旋转方向转换过程中，转动能量高效转换传递的技术要求。该类风力机的特征在于平面环形轨道24上，安放着可沿圆周轨道运动的轨道小车23，小车的平台上安装有转子电动机28驱动的圆柱转子25。圆柱转子需要在一定的轨道区间按预定的方向旋转以在其上产生马格纳斯(Magnus)效应，其在环形轨道平面上运行一周的过程中，需在经过轨道上设定的两个换向点26、27时各转换一次转子的旋转方向。高效地吸收、转换和传递转子的运动能量将有效提高该类风力机的工作效率。

所述的圆柱转子25旋转时，带动一个与其同时旋转的转子摩擦盘1(以下简称摩擦盘)，摩擦盘平面与圆柱转子端平面平行(技术要求较低时，可以直接把圆柱转子端平面当作摩擦盘使用)，摩擦盘的半径可以与圆柱转子半径相当，也可以不同。

所述的传动主轴3(以下简称主轴)轴线与转子摩擦盘1轴线垂直并相交，主轴两端各通过电磁离合器安装一个摩擦轮，分别称为正向摩擦轮2和反向摩擦轮8，两摩擦轮之间的距离略大于上述转子摩擦盘半径，使得一个摩擦轮接触到摩擦盘半径最大处时，另一个摩擦轮应跨过摩擦盘的旋转中心，在摩擦盘另一侧半圆面的半径尽可能小的地方与摩擦盘接触(图1所示)。

所述的正向摩擦轮2、反向摩擦轮8分别通过正向电磁离合器4、反向电磁离合器7按通用电磁离合器安装规范安装在主轴上，各电磁离合器通电工作前，离合器处于“离”的状态，即摩擦轮空套在主轴上，与主轴没有扭矩转递关系；电磁离合器通电工作后，离合器处于“合”的状态，相应摩擦轮与主轴形成传动关系。因此，可以通过控制正、反向电磁离合器的电信号控制相应的摩擦轮与主轴之间传动关系的结合与断开。

进一步地，所述的主轴3上安装可以储存较大转动能量的蓄能飞轮5，主轴与蓄能飞轮间通过键连接，蓄能飞轮与主轴工作时没有相对运动。

进一步地，所述的主轴3通过轴承及轴承座6安装在转换装置机架9(以下简称机架)上，机架通过滑动导套10被机架导杆12(以下称导杆)及外套在导杆上的加压弹簧11支撑在凸轮槽板16上。导杆12在加压弹簧11的弹性支撑下在滑动导套10内可上下滑动。滑动导套10要有一定的导向长度，以保证导杆12在其内部滑动时只能沿其轴线直线运动，而导杆12可以通过滑动导套10推动机架9带动摩擦轮2、8在摩擦盘1平面上直线移动，导杆和加压弹簧组成的机架支撑需要两个或两个以上共用，以防止机架转动。

进一步地，所述导杆12的下端用横向销轴15安装导杆滚子14，导杆滚子放置在凸轮槽板16上的凸轮槽内，滚子直径与凸轮槽宽度尺寸相同，凸轮槽板左、右移动时凸轮槽限制滚子在其槽内滚动，并带动导杆12在上、下工作位置转换，导杆通过其弹簧调节螺母13压缩或释放加压弹簧，带动机架上的摩擦轮与摩擦盘加压接触或脱开。

进一步地，所述的凸轮槽板16安装在滑台线性模组(由滑台、导轨、丝杠螺母组成的可由旋转运动转换成直线运动的技术模块组合，以下简称线性模组)19的滑台工作面上，移位电动机20安装在线性模组上，与线性模组的丝杠通过连轴器连接。移位电机正反向转动，带动滑台左右直线运动。

进一步地，所述的凸轮槽板16上的凸轮槽，设计了使导杆12上下的两个工作位置，中间是两个工作位置转换的过渡槽。导杆滚子14的直径与槽宽度相同并安装在槽内，即导杆滚子的运动被封闭在凸轮槽内，当凸轮槽板左右移动时，只能沿槽线滚动并带动导杆在上下位置间移动转换。

进一步地，在凸轮槽板16移动到左右预定位置，各安装有正反向行程开关21，用以发出摩擦轮左右移动到位的信号。

以下叙述本发明实施例的工作循环：轨道小车带动圆柱转子在环形轨道上处于一般工作位置时，转子由其电动机带动作常态转动，此时正向摩擦轮2靠近转子摩擦盘1左半边半径较小处，反向摩擦轮8靠近转子摩擦盘1右半边半径较大处(图1所示位置)，且导杆滚子在凸轮槽左侧的下工作位置，导杆上的加压弹簧处于松弛状态，两摩擦轮与摩擦盘脱离或只有轻微接触，正反向电磁离合器断电，两摩擦轮不影响转子的正常旋转工作(即初始工作位置)。

当轨道小车带动圆柱转子在环形轨道上运行到接近转子换向点指定范围(辨识目标及换向点计算采用其它已有技术实现)，换向控制器22(图中未标出)发出信号，停止转子电动机的驱动，转子及其联动系统在其惯性的带动下自由转动。

随后，换向控制器22控制移位电动机20正向转动(定义电动机驱动线性模组19滑台向左运动的转动方向为正向转动)，带动滑台平面上凸轮槽板16向左移动。

凸轮槽板16内的导杆滚子14由下工作位进入槽过渡部分，凸轮槽通过滚子14驱动导杆12向上移动(槽线较小的升角及摩擦轮与摩擦盘的轻微接触时摩擦力，保证导杆12向上移动)，直到导杆滚子14进入凸轮槽的上工作位，导杆在滑动导套10内向上移动时，通过其上的调节螺母13压缩加压弹簧11，加大两摩擦轮与摩擦盘之间的接触应力，提高了摩擦力，摩擦盘开始带动两摩擦轮在主轴3上空转。

随后，正向电磁离合器4通电，正向摩擦轮2的转动传递给主轴3及蓄能飞轮5。此时正向摩擦轮接触点在摩擦盘半径较小处，圆柱转子与主轴之间的传动比小，使主轴及蓄能飞轮得以缓慢启动；反向电磁离合器7保持断电状态，反向摩擦轮8在主轴上空转。

随后，移位电动机20继续正向转动，已进入凸轮槽16上工作位的导杆滚子14受到右缓冲垫17的推力作用，通过滑动导套10、转换装置机架9、轴承座6、传动主轴3，推动正向摩擦轮2和反向摩擦轮8沿转子摩擦盘1的径向向左移动，即摩擦盘随着与正向摩擦轮间不断加大的传动比，逐渐提升主轴及蓄能飞轮的转速。

随着转动能量由圆柱转子传递给蓄能装置，以及正向摩擦轮逐渐向摩擦盘外缘移动，转子的转速逐渐降低，蓄能飞轮的转速逐渐提高。当正向摩擦轮左移到摩擦盘外缘位置，转子的剩余能量已不能继续转移到蓄能装置，滑台压下对应行程开关21，向换向控制器22发出信号。

随后，正向电磁离合器4断电，正向摩擦轮2与主轴3脱离传动关系；换向控制器22控制移位电动机20反转，滑台带动凸轮槽板16向右移动，导杆滚子14沿凸轮槽下降到下工作位。导杆12在滑动导套10中向下滑动，调节螺母13松弛弹簧11对机架9的压力，两摩擦轮2、8脱离或只轻微接触。

移位电动机20继续反转，凸轮槽板的左缓冲垫18通过机架导杆12、滑动导套10、转换装置机架9、轴承座6、传动主轴3带动两摩擦轮向右移动，直到反向摩擦轮8接近摩擦盘1的右侧半径最大处，对应行程开关动作，移位电动机停转。

随后，圆柱转子的电磁制动器29对转子刹车，并在动作完成后撤除刹车信号。

随后，移位电动机20正转，同前述，导杆滚子14进入凸轮槽板16上槽的上工作位，导杆在滑动导套10内向上移动，并通过其上的调节螺母13压缩加压弹簧11，加大两摩擦轮与摩擦盘之间的接触应力，提高摩擦力。

随后，反向电磁离合器7通电，主轴3与反向摩擦轮8的运动关系接通，蓄能飞轮通过反向摩擦轮把转动能量反向输送给圆柱转子。由于反向摩擦轮在摩擦盘的外缘处开始接触传递，转子获得低速启动和较大的启动转矩。

移位电动机20继续正转，反向摩擦轮8向摩擦盘1小半径处移动。随着传动比逐渐加大以及蓄能飞轮逐渐把转动能量反向传递给转子，转子转速缓慢提高的同时反向摩擦轮的转速缓慢减低，当对应行程开关动作时，反向电磁离合器7断电，反向摩擦轮8与主轴3脱离传动关系。

随后，移位电动机20反转，两摩擦轮与摩擦盘脱离接触并向右移动，直到反转摩擦轮8运行到对应摩擦轮1的右边外缘，正向摩擦轮2对应摩擦轮1左边半径较小处(图1所示位置)，对应行程开关动作，移位电动机20停止，转子正反转能量转换装置返回初始位置，完成一个工作循环。

此时能量转换装置完成了圆柱转子正反转换向中能量的转换工作，转子由此获得了反向转动的初始转速，其后，转子驱动电机28进一步驱动，使转子能在消耗较小能量的前提下获得要求的转动速度。

以上对本发明所提供的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置及其使用方法，包括转子摩擦盘、正向摩擦轮、正向电磁离合器、传动主轴、蓄能飞轮、反向电磁离合器、反向摩擦轮、转换装置机架、加压弹簧、机架导杆、凸轮槽板、滑台导轨丝杠线性模组、转换装置移位电动机及行程开关、换向控制器等；当马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机的轨道小车带动圆柱转子在环形轨道上运行到转子换向的指定范围，电动机停止对转子驱动，正向摩擦轮与摩擦盘半径较小处开始接触，并逐渐向摩擦盘大半径处移动，转子通过转子摩擦盘-正向摩擦轮-正向电磁离合器-传动主轴把转动能量传递给蓄能飞轮存储；转子制动并随后反向启动时，反向摩擦轮与摩擦盘大半径处开始接触，逐渐向小半径处移动，蓄能飞轮通过传动主轴-反向电磁离合器-反向摩擦轮-转子摩擦盘把转动能量反向传递给转子。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，其特征在于所述的圆柱转子旋转时，带动一个与其同步旋转的转子摩擦盘，摩擦盘平面与圆柱转子端平面平行(技术要求较低时，可以直接把圆柱转子端平面当作摩擦盘)，摩擦盘的半径可以与圆柱转子半径相当，也可以不同。

3.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，其特征在于所述的传动主轴轴线与转子摩擦盘轴线垂直并相交，主轴两端各通过电磁离合器安装一个摩擦轮，分别称为正向摩擦轮和反向摩擦轮，两摩擦轮之间的距离略大于上述转子摩擦盘半径，使得一个摩擦轮接触到摩擦盘半径最大处时，另一个摩擦轮应跨过摩擦盘的旋转中心，在摩擦盘另一侧半圆面的半径尽可能小的地方与摩擦盘接触。

4.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，其特征在于所述的正、反向摩擦轮通过其安装在传动主轴上的正、反向电磁离合器与主轴形成连接，通过控制正、反向电磁离合器通断电，使相应的摩擦轮与传动主轴结合或断开。

5.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，其特征在于所述的主轴上安装蓄能飞轮，主轴与蓄能飞轮间通过键连接。

6.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，其特征在于所述的传动主轴通过轴承及轴承座安装在所述的转换装置机架上，机架通过滑动导套被机架导杆和加压弹簧支撑在凸轮槽板上。

7.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，其特征在于所述的机架导杆的下端安装滚子，导杆滚子放置在凸轮槽板上的凸轮槽内；凸轮槽内有使导杆上下的两个工作位置，中间是两个工作位置转换的过渡槽线，当凸轮槽板左右移动时，滚子带动导杆上、下位移动，导杆则压缩或释放加压弹簧，使机架上的摩擦轮与摩擦盘加压接触或脱开。

8.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，其特征在于所述的凸轮槽板驱动滚子由下位移动到上位后继续沿此方向运动时，凸轮槽板推动导杆横向运动，通过滑动导套和转换装置机架使摩擦轮在加压弹簧的压力下沿摩擦盘表面移动，此时摩擦轮与摩擦盘之间可进行传动比连续变化的运动传递；所述的凸轮槽板驱动滚子由上位移动到下位后并继续沿此方向运动时，凸轮槽板推动导杆反向横向运动，此时加压弹簧被松弛，摩擦轮在没有弹簧加压的情况下沿摩擦盘表面移动，摩擦轮与摩擦盘之间脱离或摩擦力很小的轻微接触。

9.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机转子正反转能量转换装置，其特征在于所述的凸轮槽板安装在线性模组的滑台平面上，凸轮槽板的左右移动是通过移位电机的正反转实现的，运动行程由行程开关控制。