CN108005852A - 涵道式涡旋平衡风力发电机 - Google Patents
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Abstract
涵道式涡旋平衡风力发电机属于风力发电的技术领域。历史上由于发电机结构的基因缺陷，使得消耗电力能源的电动飞机与生产电力能源的发电机技术，始终处在两个技术领域里独立发展。本技术发明通过对第三运动定律作用力与反作用力的解释分析，利用平衡力的理论观点，对常规风力发电机的结构设计进行技术创新，发明了利用电动飞机在飞行中产生的空气阻力进行风力发电的技术特点。实现电动飞机在飞行中以自发自用的循环方式，为电动飞机补充电力能源，延长电动飞机的续航时间。由于该技术发明是在目前的理论背景时期，显然有悖于能量守恒定律的理论。但是通过该技术方案的发明，也充分说明利用平衡力内能的作用，完全可以实现清洁能源的永续利用。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电设备的技术领域，具体说是涉及一种能够安装在飞行的电动飞机上，利用空气能源发电的平衡风力发电机。
背景技术
常规的风力发电机是由定子和转子两大部件组成，发电机定子结构与发电机底座固定连接。发电机的底座又与塔架固定安装。发电机转子通过发电机定子两侧端盖的轴承组嵌入定子中间，转子和定子之间除了轴承组之外没有直接的摩擦接触。当风力的作用吹动发电机转子叶片旋转时，存在于定子与转子气隙之间的磁场能量在发电机闭合电路的状态下，使定子和转子之间产生一个磁性铰链的磁场阻力。这个阻力会通过定子的结构转移到发电机底座上，然后转移到塔架，最后被大地所吸收。如果把风力发电机安装在飞行的电动飞机上，这个阻力会通过定子的设计结构转移到发电机的底座，在由发电机底座转移到飞行的电动飞机上。迫使飞行的电动飞机在原有的驱动力上，又增加了磁场阻力对发动机的能源消耗。人们通常把风力发电的这个阻力现象概述为空气阻力。根据经典力学第三运动定律作用力和反作用力的解释分析，作用在发电机转子叶轮上的风力要想驱动转子切割定子磁场的磁力线，此时定子磁场也会产生一个力量相等、方向相反的相互作用力，准确地讲应该是发电机磁场阻力对空气的反作用力。
电动机的原理是发电机原理的逆变工况。电动机转子输出功率的大小，取决于电力能源在电动机定子中建立磁场强度的大小。因此，在风力发电技术中发电机的功率大小，取决于风力中能量的大小。通过发电机与电动机的相互认证，理论上可以抽象出风力发电机的能量转换过程，归根结底就是风力中的能量力度与发电机磁场的能量强度之间的转换过程。基本是发电机的发电功率等于发电机磁场能量的阻力功率。
世界上自第一座风力发电站建立以来，风力发电技术也经历了一百多年的发展史，始终都是建立在大地之上，以固定式的风力发电方式为人类提供清洁的电力能源。为什么风力发电机不能安装在飞行的电动飞机上发展移动式风力发电技术，直接为飞行的电动飞机提供所需要的电力能源呢？追根寻缘，根本的原因就是因为常规风力发电机的结构设计存在技术基因不足。所以，常规的风力发电机远远不能在飞行的电动飞机上，把空气中的能量转换成电力能源。
发明内容
本发明的目的是提供一种涵道式涡旋平衡风力发电机，用以解决因常规风力发电机，为什么不能在飞行的电动飞机上得到应用的技术缺陷。为了达到在飞行的电动飞机上建立风力发电系统的目的，本技术发明的理论依据是：根据经典力学中《大小，方向，作用点》三要素的条件，构思一个在飞行中的电动飞机上，通过人为的技术干预手段，把进入风力发电机的空气一分为二，变成发电机的一对相等的作用力，让其分别作用在发电机的内转子涡旋叶片和外转子涡旋叶片上。只要对内转子和外转子的作用力相等，便在发电机设置的磁场能量中形成一个扭矩力的平衡作用点。此时，磁场能量的阻力形式就不会通过发电机的涡轮壳传导到飞行中的电动飞机上。而作用在发电机内转子和外转子上的一对平衡力，已经完成了对磁场磁力线的切割，达到了在飞行中风力发电的目的。
发明涵道式涡旋平衡风力发电机，是由发电机涡轮壳、固定齿圈、行星齿轮、行星齿轮固定架、太阳齿轮、外转子旋转体、外转子涡旋叶片、稳定支架组、永磁体、内转子电枢线圈、内转子涡旋叶片、发电机主轴、集电环、碳刷组、输出导线、整流调压器、轴承和前后十字轴承支架等部件组成。所述发电机主轴通过前后十字轴承支架的轴承组，安装在发电机的涡轮壳体之中。所述集电环、内转子涡旋叶片安装在发电机的主轴上。所述电枢线圈通过连接装置安装在内转子涡旋叶片上。所述稳定支架组、固定齿圈、行星齿轮固定架、整流调压器，安装在涡轮壳的内壁上。所述外转子涡旋叶片、永磁体、太阳齿轮，安装在外转子的旋转体上，所述碳刷组、输出导线，安装在后十字轴承支架上。
由于采用了上述技术方案，本发明的技术效果是；
涵道式涡旋平衡风力发电机，是根据平衡力的原理设计的一种平衡风力发电机。但是，在大自然的天体里，永远也不会同时出现相对和相等的自然风力，只能依赖人类在空气流体的空间中，人为的创造出具有一对相等能量的作用力。电动飞机在飞行中与静止的空气产生相对的运动关系，时时刻刻都会产生单方向空气流体，安装在电动飞机上的风力发电机，同时也会受到空气的阻力影响。根据流体力学中气体可以自由分割的物理特性，空气在触碰发电机内转子涡旋叶片和外转子涡旋叶片的瞬间，一定会根据涡旋叶片的阻力面积，自动的分割为两个相等的作用力，分别作用在内转子和外转子的涡旋叶片上，形成一对能量相等的切向力。由于发电机内转子和外转子相对旋转，通过切割磁场的磁力线而产生电能。因此，在磁场的阻力范围内，瞬间便产生了一个平衡力的作用点，形成平衡力对磁场的内能趋势。只要把发电机磁场能量的阻力形态平衡在发电机的涡轮壳内，就完全可以在飞行的电动飞机上，利用空气中的势能，实现风力发电与电动飞机电能消耗的无缝结合，也不必担心增加电动飞机的电力消耗。
附图说明
图1；是涵道式涡旋平衡风力发电机的侧视剖面示意图。
附图1中的标识：1、主轴导流罩。2、前十字轴承支架。3、外转子导流罩。4、外转子涡旋叶片。5、稳定支架组。6、涡轮壳体。7、连接装置。8、外转子旋转体。9、固定齿圈。10、行星齿轮。11、行星齿轮固定架。12、太阳齿轮。13、永磁体。14、内转子电枢线圈。15、后十字轴承支架。16、轴承。17、集电环。18、碳刷组。19、输出导线。20、整流调压器。21、内转子涡旋叶片。22、轴承。23、主轴。
图2；是涵道式涡旋平衡风力发电机的平衡原理示意图。
附图2中的标识：1、涡轮壳体。2、固定齿圈。3、太阳齿轮。4、外转子旋转体。5、飞机机翼的局部。6、安装吊架。7、行星齿轮。8、永磁体。9、内转子电枢线圈。10、示意发电机磁场气隙间隙。
图3；是涵道式涡旋平衡风力发电机的内转子结构正视平面示意图。
附图3中的标识：1、涡轮壳体。2、前十字主轴支架。3、内转子电枢线圈。4、主轴。5、内转子涡旋叶片。6、轴承。7、内转子涡旋叶片与内转子电枢线圈的连接装置。
图4；是涵道式涡旋平衡风力发电机的外转子结构正视平面示意图。
附图4中的标识：1、涡轮壳体。2、固定齿圈。3、太阳齿轮。4、行星齿轮。5、外转子旋转体。6、永磁体。
图5；是涵道式涡旋平衡风力发电机的正视平面效果示意图。
附图5中的标识：1、涡轮壳体。2、外转子涡旋叶片。3、安装吊架。4、飞机机翼的局部。5、外转子导流罩。6、内转子涡旋叶片。7、前十字轴承支架。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：发电机前十字主轴轴承支架(2)、稳定支架组(5)、固定齿圈(9)、行星齿轮固定架(11)、后十字主轴轴承支架(15)、安装涡轮壳体(6)上，形成固定的坐姿状态。太阳齿轮(12)安装在外转子旋转体(8)上；进一步的外转子涡旋叶片(4)、外转子导流罩(3)、永磁体(13)安装在外转子旋转体(8)上，通过行星齿轮(10)的啮合作用，形成发电机外转子的旋转状态。前十字轴承支架(2)和后十字轴承支架(15)与发电机主轴(23)相连；进一步的发电机主轴(23)与内转子涡旋叶片(21)通过连接装置(7)与内转子电枢线圈(14)相连形成内转子的旋转状态。进一步的集电环(17)固定安装在发电机主轴(23)上，碳刷组(18)与后十字主轴轴承支架(15)相连通过输出导线(19)输送到整流调压器(20)上。
所谓风力发电技术就是利用自然界的风力能源，驱动风机叶片转动发电机的转子旋转，切割发电机定子磁场的磁力线而产生电力能源.基本可以认定，风力发电技术就是风力中的能量力度与发电机磁场能量强度之间的转换过程。假设，发电机的定子不设置磁场，发电机也就没有磁场强度的阻滞作用，驱动发电机转子的叶片，就会像风车一样飞快的旋转直至折断叶片为止。反之，设置发电机定子磁场的强度，超出了风力发电的风能条件，一般的低速风力也不足以起动风机的叶片，驱动发电机的转子旋转去切割定子磁场的磁力线。因此，根据常规风力发电机能量转换的基本特征，可以认定，风力发电机的发电功率就等于发电机磁场能量的阻力，是完全符合能量转换的逻辑推理。由于常规风力发电机在使用中没有空气阻力的概念，风力发电机在风能转换电能的过程也就没有受到足够的重视。然而，在飞行的电动飞机上安装风力发电机，在风能转换电能的过程中，空气阻力就成为风力发电领域中最突出的技术瓶颈了。因此，只要涵道式涡旋平衡风力发电机攻克了这个技术瓶颈，迫使因发电机磁场所产生的空气阻力，不被转移到电动飞机的机身上，就等于利用了空气阻力中的能量，无偿的捕获了风力发电机的电力能源。所以，在确定了因发电机磁场能量所产生的空气阻力，是风力发电机的最大阻力因素之后，对于电动飞机采用涵道式涡旋平衡风力发电技术，延长电动飞机的续航时间的技术创新，就容易接受了。
针对由磁场能量所产生的空气阻力，是风力发电机最大的阻力因素的推断后，分析说明涵道式涡旋平衡风力发电机，是如何解决磁场阻力的技术性问题。根据发电机的设计原理，将涡轮壳体(6)作为发电机的整体结构基础，类似于常规风力发电机的底座部位。前十字轴承支架(2)和后十字轴承支架(15)，相当于常规发电机的转子端盖部位，支撑转子在外转子的结构中旋转。稳定支架组(5)、固定齿圈(9)、行星齿轮固定架(11)也被安装在涡轮壳体(6)上，通过安装在外转子旋转体(8)上的太阳齿轮(12)，在行星齿轮(10)的啮合作用下，形成旋转的外转子方式。假设，锁死行星齿轮(10)，使外转子旋体(8)固定不转，相当于常规风力发电机的定子结构形式。可以推断，当涵道式涡旋平衡风力发电机的内转子受风力的驱动，旋转切割定子磁场的磁力线时，磁场能量的阻滞作用会通过外转子旋转体(8)、太阳齿轮(12)、行星齿轮(10)、固定齿圈(9)、涡轮壳体(6)的传导作用，最终被转移到飞行的电动飞机上，电动飞机便形成一个力量相等、方向相反的反作用力，来克服这个空气的阻力。反之，解开行星齿轮(10)使外转子旋体(8)旋转，并锁死发电机主轴(23)，使安装在发电机主轴(23)上的内转子涡旋叶片(21)通过连接装置(7)与内转子电枢线圈(14)不转，在磁场强度的阻滞作用下，同样也会通过前十字轴承支架(2)和后十字轴承支架(15)转移到涡轮壳体(6)上，最终转移到电动飞机上形成空气的阻力。因此，只有放开行星齿轮(10)和发电机主轴(23)，保持内转子和外转子的自由旋转度，才可以在飞行的电动飞机上，外转子涡旋叶片(4)和内转子涡旋叶片(21)，同时吸收空气中的能量。按照涡旋叶片空气切入角的设计，强制涡旋叶片作相对的旋转运动。根据空气流体可以任意分割的特性，发电机的两个涡旋叶片在同时吸收空气的瞬间，空气会根据两个涡旋叶片的大小，自动的分割为两个能量相等的驱动力，分别对内转子涡旋叶片和外转子涡旋叶片同时施加作用。此时，针对发电机磁场的能量，瞬间便形成了一对大小相等的扭矩力，发电机磁场能量的阻力，在一对平衡扭矩力的作用下，被平衡在涡轮壳体内而不对电动飞机产生任何的阻力作用。
涵道式涡旋平衡风力发电机除了磁场阻力之外，还体现了涡旋叶片的空气阻力、轴承组的滚动摩擦阻力、固定齿圈与行星齿轮与太阳齿轮之间的啮合滑动摩擦阻力。
对于涡旋叶片在空气中的、阻力方面的模糊认识，本发明采用了德国物理学家貝兹先生，关于风力发电理论中(风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即P1＝P2)的基础理论概述。而且，在涵道式涡旋平衡风力发电机实际的有载发电测试中，把风力发电机的闭合电路置于开路状态，风力发电机的外转子涡旋叶片和内转子涡旋叶片不受磁场能量的阻滞作用，就会飞快的旋转起来。然而，一旦关闭电源开关发电机形成闭合电路，风力发电机的一对涡旋叶片就会像汽车的急刹车一样，非常明显的瞬间减速甚至停转。由此证明，发电机的涡旋叶片在空气中的阻力系数远远小于发电机的磁场能量的阻力系数。试想，如果在风力发电的设计中，发电机只设计定子磁场和转子电枢，没有设计风机叶片，恐怕是神仙来了也无济于事。因此，在风力发电的能量转换过程中，风机叶片真正的所起到传递风力中能量的力矩作用，却被视觉的感官认识忽略的一干二净，反而还要替发电机磁场能量的空气阻力背锅。
另外，由于发电机的涡旋叶片分别安装发电机的主轴(23)和外转子旋转体(8)上，并通过前、后十字轴承支架(2)和(15)和太阳齿轮(12)、行星齿轮(10)、固定齿圈(9)，固定安装在发电机的涡轮壳体(6)内。都是通过轴承组和行星齿轮以滚动摩擦的形式进行旋转运动，势必也会产生相应的摩擦阻力。但是，由于轴承的滚动摩擦阻力系数很小一般在0.015-0.02之间，而太阳齿轮、行星齿轮、固定齿圈的啮合滑动阻力系数，一般也在0.03-0.07之间。
因此，在分析了涵道式涡旋平衡风力发电机不同部位的空气阻力因素后，其真正的空气阻力因素，主要存在于主轴导流罩(1)、外转子导流罩(3)、稳定支架(5)、固定齿圈(9)、行星齿轮(10)、行星齿轮固定架(11)、太阳齿轮(12)、涡轮壳体(6)前端垂直于空气气流截面等几个部位。尽管以上几个部位占发电机整个投影面积的比例不足20％，但是，仍然会对电动飞机有所影响。所以，对主轴导流罩(1)、外转子导流罩(3)、及涡轮壳体(6)的有效截面及其它部位，都要进行必要的锥形导流设计，以便有效的降低空气阻力的系数。
根据垂直平面体的空气阻力系数大约为1.0，球面体的空气阻力系数大约为0.45的标准定义。综合涵道式涡旋平衡风力发电机不同部位的空气阻力因素，本专利发电机对主轴导流罩、外转子导流罩及涡轮壳体的有效截面的面积等部位自认0.2的空气阻力系数，对发电机轴承的滚动摩擦和齿轮啮合摩擦而形成的阻力消耗中再自认0.2的阻力系数。考虑到电动飞机因增加的发电机自重荷载而产生的电功率消耗的因素，再加上0.1的阻力系数。最终，该发电机整体综合阻力系数也控制在0.5左右。虽然，该发电机自认了0.5的综合阻力系数，相当于涵道式涡旋平衡风力发电机在与空气中的能量转换过程中，每转换1kw/h电力能源时就损失了50％的电力能源。但是，涵道式涡旋平衡风力发电机也从空气中捕获了0.5kw/h的电力能源，哪怕是0.3kw/h的电力能源，也仍然可以无偿的补充到电动飞机的蓄电池中，延长电动飞机的续航时间。
显然，本发明的上述实施例，仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种涵道式涡旋平衡风力发电机，其中包括；发电机涡轮壳、固定齿圈、行星齿轮、行星齿轮固定架、太阳齿轮、外转子旋转体、外转子涡旋叶片、稳定支架组、永磁体、内转子电枢线圈、内转子涡旋叶片、发电机主轴、集电环、碳刷组、输出导线、整流调压器、轴承和前后十字轴承支架等部件组成；
其中，所述发电机主轴通过前后十字轴承支架的轴承组，安装在发电机的涡轮壳体之中；所述集电环、内转子涡旋叶片安装在发电机的主轴上；所述电枢线圈通过连接装置安装在内转子涡旋叶片上；所述稳定支架组、固定齿圈、行星齿轮固定架、整流调压器，安装在涡轮壳的内壁上；所述外转子涡旋叶片、永磁体、太阳齿轮，安装在外转子的旋转体上；所述碳刷组、输出导线，安装在后十字轴承支架上。
2.根据权利要求1所述的一种涵道式涡旋平衡风力发电机，其特征在于；包括前十字轴承支架(2)、稳定支架(5)、固定齿圈(9)、行星齿轮固定架(11)、后十字轴承支架(15)安装在发电机涡轮壳体(6)内壁上，形成风力发电机的固定状态的基础，保证外转子涡旋叶片和内转子涡旋叶片，具备风力发电的通透性条件。
3.根据权利要求1所述的一种涵道式涡旋平衡风力发电机，其特征在于；太阳齿轮(12)安装在外转子旋转体(8)上，通过固定齿圈(9)、行星齿轮(10)、与太阳齿轮(12)的啮合作用，形成发电机外转子的旋转状态。
4.根据权利要求1所述的一种涵道式涡旋平衡风力发电机，其特征在于；外转子涡轮叶片(4)、外转子导流罩(3)、永磁体(13)安装在外转子旋转体(8)上。
5.根据权利要求1所述的一种涵道式涡旋平衡风力发电机，其特征在于；前十字轴承支架(2)和后十字轴承支架(15)与发电机主轴(23)相连，形成内转子的旋转状态。
6.根据权利要求1所述的一种涵道式涡旋平衡风力发电机，其特征在于；内转子涡旋叶片(21)固装在发电机主轴(23)上，内转子电枢线圈(14)通过连接装置(7)固装在内转子涡旋叶片(21)上。
7.根据权利要求1所述的一种涵道式涡旋平衡风力发电机，其特征在于；集电环(17)固装在发电机主轴(23)上，碳刷组(18)与后十字轴承支架(15)相连，通过输出导线(19)输送到整流调压器(20)上。
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| GB2604639A (en) * | 2021-03-11 | 2022-09-14 | Katrick Tech Limited | Wind energy harvesting device, system and method of manufacture |
| WO2023044593A1 (zh) * | 2021-09-23 | 2023-03-30 | 陆继荣 | 水下涵道式水力发电系统 |
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2017
- 2017-06-02 CN CN201710407390.8A patent/CN108005852A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2604639A (en) * | 2021-03-11 | 2022-09-14 | Katrick Tech Limited | Wind energy harvesting device, system and method of manufacture |
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Legal Events
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Application publication date: 20180508 |
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