CN108050017A - 一体化垂直轴风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一体化垂直轴风力发电机，包括上盖、下盖、叶片、发电机和轴体，所述下盖置于所述上盖下方，所述叶片置于所述上盖和下盖之间，所述叶片的两端分别与上盖和下盖固定连接；所述发电机置于所述下盖的上端中心处，所述发电机的下部通过螺栓与所述下盖固定连接；所述轴体由上至下依次穿过所述上盖、发电机和下盖，并分别通过轴承与所述上盖、发电机和下盖连接，且多个所述轴承均套装在所述轴体上。相对现有技术，本发明将传统风力发电机的风轮与永磁发电机进行一体化设计，简化了风力发电机的结构，风机只需克服电机内部的齿槽转矩即可转动产生电能，降低了由传动装置造成的机械磨损以及对风能的消耗，能有效提升风能的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一体化垂直轴风力发电机。
背景技术
随着全球环境环境问题的越来越突出，世界各国对清洁能源的利用也越来越重视。我国很早以前就提出了创建“环境友好型，资源节约型”的发展战略，在此基础上国家加大开展对清洁能源的开发利用，风能作为一种典型的清洁能源，得到我国和世界各国的认可,因此，为了能更为有效地利用风能，开发一种风能利用率高，稳定性好，易于安装的风力发电机显得尤为重要。
离网型垂直轴风力发电机无需偏航装置，可以接受任意风向的风能，且便于安装，易于维护，启动风速低，因此得到广泛的应用。但是一般的离网型垂直轴风力发电机的电机和风轮都是分开设计的，电机和风轮通过传动装置连接在一起，这样会增加风力发电机的机械损耗，传动装置的摩擦也会消耗一定的风能，使风力发电机的风能利用率降低；所以有必要对这些问题进行解决。
发明内容
本发明的目的是提供一体化垂直轴风力发电机，所要解决的技术问题是：电机和风轮通过传动装置连接在一起，这样会增加风力发电机的机械损耗，传动装置的摩擦也会消耗一定的风能，使风力发电机的风能利用率降低。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一体化垂直轴风力发电机，包括上盖、下盖、叶片、发电机和轴体，所述下盖置于所述上盖下方，所述叶片置于所述上盖和下盖之间，所述叶片的两端分别与上盖和下盖固定连接；所述发电机置于所述下盖的上端中心处，所述发电机的下部通过螺栓与所述下盖固定连接；所述轴体由上至下依次穿过所述上盖、发电机和下盖，并分别通过轴承与所述上盖、发电机和下盖连接，且多个所述轴承均套装在所述轴体上。
本发明的有益效果是：上盖、下盖和叶片构成的风轮，风轮与发电机集成呈一体，风轮和发电机绕轴体进行转动，风轮带动发电机进行发电，实现结构简化，避免传动装置的磨损，以及对风能的消耗，能有效提升风能的利用率。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述叶片设置有多个，多个所述叶片均处于所述上盖和下盖之间，并环绕所述轴体，多个所述叶片均与所述上盖和下盖固定连接；多个所述叶片均与所述发电机连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：多个所述叶片能提升风能利用率，多个所述叶片将发电机在旋转过程中产生的热量传递到空气中，使发电机工作在允许的温度范围内，防止发电机内的永磁体因为温度过高而失磁。
进一步，多个所述叶片结构一致，均为弧形结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：多个所述叶片呈弧形结构能提升风能利用率。
进一步，所述上盖、下盖和多个叶片均由铝合金材料制成。
采用上述进一步方案的有益效果是：上盖、下盖和多个叶片采用铝合金材料制成，可以减少风机的整体重量。
进一步，所述发电机包括外转子、多个永磁体、定子铁芯和绕组，所述外转子为圆柱状结构，所述外转子内设置有空腔；所述定子铁芯和绕组均置于所述空腔内，所述绕组缠绕在所述定子铁芯上；多个所述永磁体依次紧贴在所述空腔的内壁上，多个所述永磁体构成环形环绕所述绕组；所述外转子的外壁与所述叶片固定连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：上盖、下盖、叶片、外转子与多个永磁体组成转动机构绕轴体转动，使定子铁芯上的绕组在多个永磁体提供的磁场中作切割磁感线的运动，在绕组内部产生感应电流，实现由风能向电能的转变，结构简单，风能转化效率高。
进一步，所述轴体穿过所述外转子和定子铁芯，所述轴体通过轴承与所述外转子连接，并与所述定子铁芯固定连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：定子铁芯与轴体连接，使得外转子绕定子铁芯转动，结构简单，转动效率高。
进一步，所述永磁体设置有18个，18个永磁体依次紧贴在所述空腔的内壁上；相邻两个永磁体的极性相反；18个永磁体均由钕铁硼制成。
进一步，所述定子铁芯采用硅钢片叠压而成，所述定子铁芯的外围均匀布置有若干齿槽，所述齿槽为外宽内窄的梨形槽结构；相邻两个齿槽之间构成定子齿，多个所述定子齿与所述定子铁芯固定连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：定子铁芯采用DW310-35型号硅钢片叠压而成，减小发电机内部的铁芯损耗。
进一步，所述绕组为同相双层短节距绕组；其中所述定子铁芯的齿槽内缠绕着绕组的上下两层线圈，且同一齿槽内上下两层线圈的电流方向相同。
采用上述进一步方案的有益效果是：能避免或减少绕组中的电流环流损耗；提高定子槽的利用率；可以改善旋转磁场的波形，使其更接近正弦波，更好地改善发电机性能，节省铜导线，可以降低发电机的附加损耗和铜耗、降低温升、提高发电机效率。
附图说明
图1为本发明一体化垂直轴风力发电机的正视图；
图2为本发明一体化垂直轴风力发电机的主视图；
图3为本发明发电机的结构示意图；
图4为本发明绕组的相带及电流流向示意图；
图5为本发明绕组的布线图；
图6为本发明发电机的磁链分布图；
图7为本发明绕组产生的反电势波形图；
图8为本发明绕组反电势曲线通过傅里叶分解得到的谐波含量分布图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、上盖，2、下盖，3、叶片；
4、发电机，401、外转子，402、永磁体，403、定子铁芯，404、绕组；
6、轴承，7、定子齿，8、线圈。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，一体化垂直轴风力发电机，包括上盖1、下盖2、叶片3、发电机4和轴体，所述下盖2置于所述上盖1下方，所述叶片3置于所述上盖1和下盖2之间，所述叶片3的两端分别与上盖1和下盖2固定连接；所述发电机4置于所述下盖2的上端中心处，所述发电机4的下部通过螺栓与所述下盖2固定连接；所述轴体由上至下依次穿过所述上盖1、发电机4和下盖2，并分别通过轴承6与所述上盖1、发电机4和下盖2连接，且多个所述轴承6均套装在所述轴体上。
上盖1、下盖2和叶片3构成的风轮，风轮与发电机4集成呈一体，风轮和发电机4绕轴体进行转动，风轮带动发电机4进行发电，实现结构简化，避免传动装置的磨损，以及对风能的消耗，能有效提升风能的利用率。
上述实施例中，如图1和图2所示，所述叶片3设置有多个，多个所述叶片3均处于所述上盖1和下盖2之间，并环绕所述轴体，多个所述叶片3均与所述上盖1和下盖2固定连接；多个所述叶片3均与所述发电机4连接。
多个所述叶片3能提升风能利用率，多个所述叶片3均与所述发电机4连接，多个所述叶片3将发电机4在旋转过程中产生的热量传递到空气中，使发电机4工作在允许的温度范围内，防止发电机4内的永磁体因为温度过高而失磁。
上述实施例中，如图1和图2所示，多个所述叶片3结构一致，均为弧形结构。多个所述叶片3呈弧形结构能提升风能利用率。
上述实施例中，如图1和图2所示，所述上盖1、下盖2和多个叶片3均由铝合金材料制成。上盖1、下盖2和多个叶片3采用铝合金材料制成，可以减少风机的整体重量。
上述实施例中，如图3所示，所述发电机4包括外转子401、多个永磁体402、定子铁芯403和绕组404，所述外转子401为圆柱状结构，所述外转子401内设置有空腔；所述定子铁芯403和绕组404均置于所述空腔内，所述绕组404缠绕在所述定子铁芯403上；多个所述永磁体402依次紧贴在所述空腔的内壁上，多个所述永磁体402构成环形环绕所述绕组404；所述外转子401的外壁与所述叶片3固定连接。
当外界的风速达到本技术方案启动风速时，由上盖1、下盖2、叶片3、外转子401与多个永磁体402组成转动机构绕轴体转动，使定子铁芯403上的绕组404在多个永磁体402提供的磁场中作切割磁感线的运动，在绕组404内部产生感应电流，实现由风能向电能的转变，结构简单，风能转化效率高。
上述实施例中，所述轴体穿过所述外转子401和定子铁芯403，所述轴体通过轴承6与所述外转子401连接，并与所述定子铁芯403固定连接。
外转子401通过套装在轴体上的轴承6进行转动，定子铁芯403与轴体连接，使得外转子401绕定子铁芯403转动，结构简单，转动效率高。
上述实施例中，所述永磁体402设置有18个，18个永磁体402依次紧贴在所述空腔的内壁上；相邻两个永磁体402的极性相反；18个永磁体402均由钕铁硼制成。
上述实施例中，所述定子铁芯403采用硅钢片叠压而成，所述定子铁芯403的外围均匀布置有若干齿槽，所述齿槽为外宽内窄的梨形槽结构；相邻两个齿槽之间构成定子齿7，多个所述定子齿7与所述定子铁芯403固定连接。
定子铁芯403采用DW310-35型号硅钢片叠压而成，减小发电机内部的铁芯损耗；定子铁芯403外围均匀分布着57个齿槽，定子铁芯403的齿轭上缠绕着铜线绕组。
上述实施例中，如图3至图5所示，所述绕组404为同相双层短节距绕组；其中所述定子铁芯403的齿槽内缠绕着绕组404的上下两层线圈8，且同一齿槽内上下两层线圈8的电流方向相同。由于三相电机三相对称，所以图4中只给出了电机绕组的三分之一部分展开图。
同相双层短节距绕组便于绕组端部扭转换位，能避免或减少绕组中的电流环流损耗；异相双层绕组必须要槽内相间绝缘，而同相双层绕组不用相间绝缘，进而同相双层绕组提高了定子槽的利用率；同相双层短节距绕组可以改善旋转磁场的波形，使其更接近正弦波，更好地改善发电机性能，同时，同相双层短节距绕组端部连线短，节省铜导线，可以降低发电机的附加损耗和铜耗、降低温升、提高发电机效率。
发电机4工作时，绕组404有交变电流，因而在定子铁芯403及永磁体402中产生交变磁场，这个交变磁场会在定子铁芯403中引起磁滞损耗和涡流损耗。
发电机4的磁滞损耗由定子铁芯403的磁滞损耗和定子齿7硅钢片的磁滞损耗两部分组成。
定子轭硅钢片的磁滞损耗PFehj：
PFehj＝phjGjP10/50 (2)
式中phj——定子轭硅钢片的磁滞损耗系数；
σh——定子铁芯的材料系数；
f——交变磁场频率，单位为Hz；
Bj——定子轭磁密，单位为T；
Gj——定子轭硅钢片铁芯重，单位为kg；
P10/50——当Bj＝1T，f＝50Hz时，硅钢片单位重量的损耗，单位为W/kg；
定子齿硅钢片的磁滞损耗PFeht：
PFeht＝phtGtP10/50 (4)
式中pht——定子齿硅钢片的磁滞损耗系数；
Bt——定子齿磁密，单位为T；
Gt——定子齿硅钢片铁芯重，单位为kg；
由上述(1)(2)(3)(4)可以得到永磁发电机的磁滞损耗PFeh
电机4定子硅钢片的涡流损耗PFee
绕组404采用的是星型接法，当负载运行时，可有效降低相电压的三次谐波，且星型接法电机运行时启动转矩较小，可以降低一体化风机的启动风速。
如图6所示，对本技术方案的发电机4进行了仿真，为发电机4空载运行的内部磁链分布图，图中可以看出电机内部的磁通比较均匀，具有较好的磁密分布特性。
图7为仿真后得到的绕组反电势波形图，从图中可以看出，反电势波形正弦畸变率小，发电质量较好。图8为反电势波形经过傅里叶分解后得到的谐波含量分布图，从图8中可以看出，反电势谐波除了三次谐波之外，其他谐波都得到了很好的抑制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：包括上盖(1)、下盖(2)、叶片(3)、发电机(4)和轴体，所述下盖(2)置于所述上盖(1)下方，所述叶片(3)置于所述上盖(1)和下盖(2)之间，所述叶片(3)的两端分别与上盖(1)和下盖(2)固定连接；所述发电机(4)置于所述下盖(2)的上端中心处，所述发电机(4)的下部通过螺栓与所述下盖(2)固定连接；所述轴体由上至下依次穿过所述上盖(1)、发电机(4)和下盖(2)，并分别通过轴承(6)与所述上盖(1)、发电机(4)和下盖(2)连接，且多个所述轴承(6)均套装在所述轴体上。
2.根据权利要求1所述一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：所述叶片(3)设置有多个，多个所述叶片(3)均处于所述上盖(1)和下盖(2)之间，并环绕所述轴体，多个所述叶片(3)均与所述上盖(1)和下盖(2)固定连接；多个所述叶片(3)均与所述发电机(4)连接。
3.根据权利要求2所述一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：多个所述叶片(3)结构一致，均为弧形结构。
4.根据权利要求3所述一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：所述上盖(1)、下盖(2)和多个叶片(3)均由铝合金材料制成。
5.根据权利要求1至4任一项所述一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：所述发电机(4)包括外转子(401)、多个永磁体(402)、定子铁芯(403)和绕组(404)，所述外转子(401)为圆柱状结构，所述外转子(401)内设置有空腔；所述定子铁芯(403)和绕组(404)均置于所述空腔内，所述绕组(404)缠绕在所述定子铁芯(403)上；多个所述永磁体(402)依次紧贴在所述空腔的内壁上，多个所述永磁体(402)构成环形环绕所述绕组(404)；所述外转子(401)的外壁与所述叶片(3)固定连接。
6.根据权利要求5所述一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：所述轴体穿过所述外转子(401)和定子铁芯(403)，所述轴体通过轴承(6)与所述外转子(401)连接，并与所述定子铁芯(403)固定连接。
7.根据权利要求5所述一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：所述永磁体(402)设置有18个，18个永磁体(402)依次紧贴在所述空腔的内壁上；相邻两个永磁体(402)的极性相反；18个永磁体(402)均由钕铁硼制成。
8.根据权利要求5所述一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：所述定子铁芯(403)采用硅钢片叠压而成，所述定子铁芯(403)的外围均匀布置有若干齿槽，所述齿槽为外宽内窄的梨形槽结构；相邻两个齿槽之间构成定子齿(7)，多个所述定子齿(7)与所述定子铁芯(403)固定连接。
9.根据权利要求5所述一体化垂直轴风力发电机，其特征在于：所述绕组(404)为同相双层短节距绕组；其中所述定子铁芯(403)的齿槽内缠绕着绕组(404)的上下两层线圈(8)，且同一齿槽内上下两层线圈(8)的电流方向相同。
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