CN108331836A - 一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组，包括固定轴、悬浮轴、上端电磁铁、中端电磁铁、下端电磁铁、拉线式位移传感器、固定轴容腔和缓冲装置；固定轴上端设置有固定轴容腔，悬浮轴下端与固定轴容腔通过键连接；中端电磁铁设置在悬浮轴上，中端电磁铁上表面为N极、下表面为S极；上端电磁铁和下端电磁铁均设置在塔架上，上端电磁铁和下端电磁铁上表面均为S极、下表面均为N极；固定轴容腔内底上设置有缓冲装置；下端电磁铁与中端电磁铁之间设置有拉线式位移传感器，其将下端电磁铁与中端电磁铁之间的距离转化为控制信号，控制上端电磁铁和下端电磁铁电流。本发明控制简单、机械强度高、解决了大功率垂直轴风力发电机组启动困难。

Description

一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种传动轴结构及风力发电机组，特别是涉及一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组。

背景技术

随着社会和经济的发展，当前世界性的能源和环境问题愈发突出。为了实现人类社会未来的可持续发展与解决化石能源带来的环境问题，以风能为主的可再生能源逐步取代不可再生的矿物燃料能源已经成为未来发展的趋势。虽然传统风力发电机具有清洁、环境效益好、装机规模灵活、技术相对成熟等优点，但是其使用的传统机械轴承由于转动产生的摩擦、噪音与振动，将导致风力发电机组存在噪声大、启动风速大、有摩擦损耗、整机效率低、寿命短等缺点。

针对以上问题，在风轮机确定的前提下，如何减小轴承摩擦力，成为改善风力发电机组性能的关键技术之一。近年来，人们利用磁悬浮现象研制出了磁悬浮轴承，即利用磁力将转子悬浮于空间，不需要机械接触而实现承载的非接触式支撑装置。由于磁悬浮轴承定、转子之间没有接触，应用磁悬浮轴承的电机具有无噪声、启动风速最低可低至0.8m/s、无摩擦损耗、稳定可控、无需润滑和密封等优点。但是若采用定转子之间完全无机械接触的磁悬浮轴承，必须在五个自由度上对转子施加控制力，而且需要解决五个自由度上磁轴承的相对磁力控制，尤其是止推轴承与其它四个方向上的轴承之间的配合，从而使转子在悬浮空间内的位置保持平衡且稳定。由此产生的磁力控制问题相对复杂，而且造价昂贵，限制了五自由度磁悬浮轴承的发展。除此之外，完全无接触的磁悬浮轴承在磁悬浮装置发生故障时，由于没有机械结构支撑，悬浮轴会在重力作用下坠落，将造成发电机本体的损坏。

随着风力发电技术的快速发展，风力发电机组的容量不断增大，现在大型风力发电机组功率已由MW级上升到10MW级，巨大的风轮机启动变得更加困难了。因此，本发明针对大功率垂直轴风力发电机组，考虑能否采用磁悬浮技术，减小轴承承受的风轮机和传动轴的重力。从减小轴承摩擦力的方面入手，使用一定的机械结构，将轴承限制在沿垂直轴方向移动这一个自由度上，使控制方法简化的同时还能兼顾减小摩擦、噪声以及启动风速等优点。而且在磁悬浮装置发生故障时还能在机械结构支撑下正常运行。

在垂直轴磁悬浮风力发电机方面，很多专利都有效克服了传统风力发电机的缺点，但是它们都具有严重的缺陷。例如中国专利公开号CN102904491、名称为“盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组”，由于其吸力型结构特点，必须非常准确地计算出磁铁吸力等于风轮机与转子的重力之和，而且吸力大小与距离也有关。此种结构没有控制模块无法调节永磁体吸力大小，在加工安装时难以实现，稍有误差便使发电机无法正常工作。对于中国专利公开号CN103166534A、名称为“磁悬浮转子发电机”，中国专利公开号CN106286593A、名称为“一种磁悬浮主轴结构及发电机组”，二者的结构由于定转子分离，上下会有相对运动，所以均需要严格保证悬浮部分重力和磁力相等；但是由于剪切风的存在，二者的悬浮转子均会有上下浮动的情况发生，定、转子错位会导致发出的电流畸变，影响电能质量；此外，对于后者所使用的φ型风轮机需要相应的拉索等固定结构，拉索会对悬浮轴产生向下的力，该拉力与永磁体磁力相抵消，磁悬浮效果大大降低。

发明内容

针对上述现有技术，本发明解决的技术问题是提供一种控制简单、机械强度高、解决大功率垂直轴风力发电机组启动困难的一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组。

为解决上述技术问题，本发明一种磁悬浮分离传动轴结构，包括固定轴、悬浮轴、上端电磁铁、中端电磁铁、下端电磁铁、拉线式位移传感器、固定轴容腔和缓冲装置；固定轴上端设置有固定轴容腔，悬浮轴下端与固定轴容腔通过键连接，悬浮轴下端在固定轴容腔内沿轴方向上下移动；中端电磁铁设置在悬浮轴上，中端电磁铁上表面为N极、下表面为S极；上端电磁铁和下端电磁铁均设置在塔架上，上端电磁铁和下端电磁铁上表面均为S极、下表面均为N极；固定轴容腔内底上设置有缓冲装置；下端电磁铁与中端电磁铁之间设置有拉线式位移传感器，拉线式位移传感器将下端电磁铁与中端电磁铁之间的距离转化为控制信号，控制上端电磁铁和下端电磁铁的电流大小。

本发明的此种磁悬浮分离传动轴结构，还包括：

1.键是导向型花键或导向型平键。

2.缓冲装置是缓冲器或弹簧结构。

本发明另一种磁悬浮分离传动轴结构，包括固定轴、悬浮轴、上端永磁体、中端永磁体、下端永磁体、固定轴容腔和缓冲装置；固定轴上端设置有固定轴容腔，悬浮轴下端与固定轴容腔通过键连接，悬浮轴下端在固定轴容腔内沿轴方向上下移动；中端永磁体设置在悬浮轴上，中端永磁体上表面为N极、下表面为S极；上端永磁体和下端永磁体均设置在塔架上，上端永磁体和下端永磁体上表面均为S极、下表面均为N极；固定轴容腔内底上设置有缓冲装置。

本发明此种磁悬浮分离传动轴结构，还包括：

1.下端永磁体和上端永磁体对中端永磁体的斥力大小之和与悬浮轴和风轮机的重力之和相等或近似相等，上端永磁体磁力分别小于中端永磁体磁力和下端永磁体磁力。

2.键是导向型花键或导向型平键。

3.缓冲装置是缓冲器或弹簧结构。

一种基于本发明以上任一磁悬浮分离传动轴结构的垂直轴风力发电机组，包括磁悬浮分离传动轴结构，还包括发电机、塔架、发电机转轴和风轮机；发电机设置在塔架内部并固定在塔架底部，发动机转轴与固定轴下端可拆卸连接，所述磁悬浮分离传动轴结构位于塔架内部，悬浮轴上端穿出塔架并设置有风轮机。

一种基于本发明以上任一磁悬浮分离传动轴结构的垂直轴风力发电机组，还包括：

1.可拆卸连接是法兰连接。

本发明的有益效果：本发明通过一种磁悬浮分离传动轴结构，在不影响发电机部分的同时，使悬浮轴和风轮机的重量转移承载在风力发电机组塔架上，从而减轻发电机轴承所受压力，进而减小了摩擦和启动转矩，解决了大功率垂直轴风力发电机组启动困难的问题。此外，该磁悬浮分离传动轴结构将自由度限制在沿转轴方向上下移动这一个自由度上，控制简单，机械强度高。当磁悬浮装置发生故障时风力发电机还能依靠机械支撑正常运转。

本发明磁悬浮分离传动轴结构通过磁悬浮装置将风轮机和悬浮轴重量转移到塔架上，减少发电机轴承所受压力，即减小了摩擦损耗，使启动风速减小。

本发明通过一定的机械结构，将控制复杂的五自由度磁悬浮装置简化到仅沿轴上下移动这一个自由度上，使磁悬浮模块减少，控制简单，成本降低，易于调试。

本发明中的发电机部分与传动轴仅通过法兰连接，易于安装和拆卸。发电机类型可以根据实际情况进行自由选择，便于选择最优发电机类型。

本发明中的发电机部分与磁悬浮部分相对独立，发电机中的定转子没有沿轴方向的相对运动，无需在发电机内添加限位装置，保证发电机而且发出的电流稳定，电流无畸变。

当磁悬浮装置发生故障时，悬浮部分会通过缓冲装置缓慢落于固定轴上，风力发电机组能够继续正常运行。

附图说明

图1为具有磁悬浮垂直分离传动轴的垂直轴风力发电机组示意图；

图2为磁悬浮分离传动轴连接处结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组的结构和工作过程做进一步说明。

一种磁悬浮分离传动轴的风力发电机，如图1所示，包括机房3、塔架2、发电机1，以及与发电机转轴4相连的固定轴6，以及与风轮机12相连的悬浮轴7，以及上端电磁铁9、中端电磁铁10、下端电磁铁8、拉线式位移传感器11和缓冲装置15。其中磁悬浮分离传动轴连接处由悬浮轴下端13和固定轴容腔14构成，如图2所示。

发电机1位于机房3内，由于发电机转轴4通过法兰5与磁悬浮分离传动轴中的固定轴6相连接，因此可以方便发电机的维修和更换。风轮机12与磁悬浮分离传动轴中的悬浮轴7相连接，悬浮轴7通过磁悬浮装置悬浮，将悬浮轴7和风轮机12的重量通过磁悬浮转移到塔架2上，减少了发电机轴承摩擦损耗。悬浮轴7与固定轴6之间可以上下滑动，悬浮轴7旋转可以带动固定轴6同时旋转，从而实现风轮机12旋转时带动发电机转子旋转。磁悬浮装置发生故障时，悬浮轴7可以通过缓冲装置15缓慢坠落直至与固定轴6形成机械支撑，此时悬浮轴7和风轮机12重量转移到固定轴6上，与传统的垂直轴风力发电机工作情况相同。如图1所示，当磁悬浮装置使用电磁铁时，可以通过调节各个电磁铁的电流大小，使悬浮轴受到的力由浮力转变为压力，在风速过大时能够起到刹车的作用。

工作原理：本发明利用磁悬浮现象，通过磁悬浮装置，使风轮机和传动轴的悬浮轴部分悬浮，将二者的重力转移到塔架上。通过一种分离传动轴的机械结构，在保证风轮机和悬浮轴悬浮的同时，风轮机仍能带动发电机转动。从而减小发电机轴承摩擦力，减小风力发电机组的启动转矩。

具体实施方式一：参见图1、图2。

发电机1固定在塔架2上，位于机房3内。发电机转轴4通过法兰5与传动轴的固定轴6连接，使发电机转轴4能随着固定轴6的转动而转动。传动轴的另一部分悬浮轴7与风轮机12相连，风吹动风轮机12转动时能带动悬浮轴7转动。悬浮轴7通过下端电磁铁8和中端电磁铁10的斥力作用将悬浮轴7和风轮机12的重量转移到塔架2上，从而减轻发电机1轴承的压力，即实现了减小摩擦力，减小了风力发电机组的启动风速。

悬浮轴7和固定轴6的具体连接方式如图2所示，悬浮轴下端13与固定轴容腔14通过花键结构连接，使悬浮轴下端13可以在固定轴容腔14内沿轴方向上下移动，并且悬浮轴7旋转时可以带动固定轴6随之转动，同时这种磁悬浮结构将五个自由度限制到只沿轴向移动的一个自由度上，控制变得更为简单。

该实施方式中磁悬浮装置均使用电磁铁，与悬浮轴7连接中端电磁铁体10上表面为N极，下表面为S极；与塔架2连接的下端电磁铁8上表面为S极，下表面为N极；与塔架2连接的起限位作用的上端电磁铁9上表面为S极，下表面为N极。下端电磁铁8与中端电磁铁10之间有一个拉线式位移传感器11，上端磁体9和下端磁体8均连接电流控制电路，该拉线式位移传感器11将下端电磁铁8与中端电磁铁10之间的距离转化为控制信号，通过电流控制电路控制下端电磁铁8和上端电磁铁9的电流大小。

当风力发电机正常工作时，通过中端电磁铁10和下端电磁铁8之间的斥力作用，使悬浮轴7悬空，即悬浮轴下端13底部与固定轴容腔14底部无接触。当下端电磁铁8和中端电磁铁10之间距离较近时，由拉线式位移传感器11传出的信号控制下端电磁铁8的电流增大，使下端电磁铁8和中端电磁铁10之间斥力增大；当下端电磁铁8和中端电磁铁10之间距离较远时，由拉线式位移传感器11传出的信号控制下端电磁铁8的电流减小，使下端电磁铁8和中端电磁铁10之间斥力减小。始终保证悬浮轴7处于悬浮状态，将风轮机12和悬浮轴7的重量转移到塔架2上。由于轴承所受摩擦减小，使得发电机1能够在较低风速下启动进入正常工况。

正常运行时上端电磁铁9中无电流通过，上端电磁铁9和中端电磁铁10无斥力作用。当悬浮轴下端13将从固定轴容腔14上方脱落时，即上端电磁铁9和中端电磁铁10之间距离较近时，才由拉线式位移传感器11传出的信号控制上端电磁铁9通入电流，从而上端电磁铁9与中端电磁铁10有斥力作用，起到限位作用。

当风速过大时，风力发电机组需要一定的摩擦以保证发电机工作在正常转速范围内，避免风力发电机组在极限风速时停车，进而增加了风能利用率。风力发电机组处于这种情况时，可以逐渐减小下端电磁铁8的电流，同时增大上端电磁铁9的电流，将悬浮轴7通过缓冲装置15缓慢落于固定轴6上。此时，悬浮轴7和风轮机12的重量转移到发电机轴承上，并且上端电磁铁9和中端电磁铁10之间有斥力，发电机轴承摩擦力增大，能够起到一定的刹车作用。

当电磁铁出现故障时，悬浮轴7会与缓冲装置15接触，通过缓冲装置15使悬浮轴缓慢下落，最终与固定轴6之间形成机械支撑。此时，悬浮轴7和固定轴6成为一个整体，风轮机12依旧可以通过转轴带动发电机1转动发电。只是悬浮轴7和风轮机12的重量转移到了发电机轴承上，摩擦损耗会增大，但是发电机能正常运转。

此实施方式优点在于使用电磁铁可以在风速过大时，主动将磁悬浮支撑改为机械结构支撑，并且可以通过上端电磁铁9和中端电磁铁10之间的斥力增大轴承承受的压力，有刹车功能。

具体实施方式二：

该实施方式中磁悬浮装置均使用永磁体，各个永磁铁磁极方向与具体实施方式一中电磁铁磁极方向相同。下端永磁体和上端永磁体对中端永磁体的斥力大小之和与悬浮轴7和风轮机12的重力之和相等；另外，由于永磁体之间的斥力大小可以随永磁体之间的距离自动调节，因此斥力与重力大小可以不完全相等，下端永磁体和上端永磁体对中端永磁体的斥力大小之和与悬浮轴7和风轮机12的重力之和大致相等，允许存在一定的误差，满足实际工程要求；上端永磁体磁力分别小于中端永磁体磁力和下端永磁体磁力，仅起限位作用。上端永磁铁磁力较小，仅在垂直剪切风过大时起作用，防止悬浮轴7由固定轴容腔14上方脱落。由于永磁体磁力与距离有关，当悬浮轴7悬浮在正常位置时，上端永磁铁和中端永磁体之间的斥力较小，不会影响悬浮轴7正常悬浮；当悬浮轴下端13即将从固定轴容腔14内脱离时，上端永磁铁和中端永磁体之间距离近，斥力大，能够起到限位作用。

当风力发电机正常工作时，通过中端永磁体和下端永磁体之间的斥力作用，使悬浮轴7悬空。由于永磁体斥力大小与距离有关，当下端永磁体和中端永磁体之间距离缩小时，下端永磁体和中端永磁体之间的斥力增大；当下端永磁体和中端永磁体之间距离增大时，下端永磁体和中端永磁体之间的斥力减小，保证悬浮轴7位于适当的位置悬浮，起到自动调节的作用。

除了以上提到的之外，该实施方式其他部分同实施方式一所述。此实施方式优点在于永磁体不消耗电能，并且能够根据各个永磁体之间的相对位置自行调节，无需外加控制。

Claims (9)

1.一种磁悬浮分离传动轴结构，其特征在于：包括固定轴、悬浮轴、上端电磁铁、中端电磁铁、下端电磁铁、拉线式位移传感器、固定轴容腔和缓冲装置；固定轴上端设置有固定轴容腔，悬浮轴下端与固定轴容腔通过键连接，悬浮轴下端在固定轴容腔内沿轴方向上下移动；中端电磁铁设置在悬浮轴上，中端电磁铁上表面为N极、下表面为S极；上端电磁铁和下端电磁铁均设置在塔架上，上端电磁铁和下端电磁铁上表面均为S极、下表面均为N极；固定轴容腔内底上设置有缓冲装置；下端电磁铁与中端电磁铁之间设置有拉线式位移传感器，拉线式位移传感器将下端电磁铁与中端电磁铁之间的距离转化为控制信号，控制上端电磁铁和下端电磁铁的电流大小。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮分离传动轴结构，其特征在于：所述键是导向型花键或导向型平键。

3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮分离传动轴结构，其特征在于：所述缓冲装置是缓冲器或弹簧结构。

4.一种磁悬浮分离传动轴结构，其特征在于：包括固定轴、悬浮轴、上端永磁体、中端永磁体、下端永磁体、固定轴容腔和缓冲装置；固定轴上端设置有固定轴容腔，悬浮轴下端与固定轴容腔通过键连接，悬浮轴下端在固定轴容腔内沿轴方向上下移动；中端永磁体设置在悬浮轴上，中端永磁体上表面为N极、下表面为S极；上端永磁体和下端永磁体均设置在塔架上，上端永磁体和下端永磁体上表面均为S极、下表面均为N极；固定轴容腔内底上设置有缓冲装置。

5.根据权利要求4所述的一种磁悬浮分离传动轴结构，其特征在于：下端永磁体和上端永磁体对中端永磁体的斥力大小之和与悬浮轴和风轮机的重力之和相等或近似相等，上端永磁体磁力分别小于中端永磁体磁力和下端永磁体磁力。

6.根据权利要求4所述的一种磁悬浮分离传动轴结构，其特征在于：所述键是导向型花键或导向型平键。

7.根据权利要求4所述的一种磁悬浮分离传动轴结构，其特征在于：所述缓冲装置是缓冲器或弹簧结构。

8.一种基于权利要求1至7任一磁悬浮分离传动轴结构的垂直轴风力发电机组，其特征在于：包括磁悬浮分离传动轴结构，还包括发电机、塔架、发电机转轴和风轮机；发电机设置在塔架内部并固定在塔架底部，发动机转轴与固定轴下端可拆卸连接，所述磁悬浮分离传动轴结构位于塔架内部，悬浮轴上端穿出塔架并设置有风轮机。

9.根据权利要求8所述的一种基于权利要求1至7任一磁悬浮分离传动轴结构的垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述可拆卸连接是法兰连接。