CN112523937B - 扭矩可自主调节的风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扭矩可自主调节的风力发电装置，其包括：装配壳体、发电机构、风力驱动机构以及扭矩调节机构。所述发电机构与所述扭矩调节机构收容于所述装配壳体内部；所述扭矩调节机构驱动连接所述发电机构。所述输入转子的外侧壁与所述装配壳体的内侧壁之间形成耦合间隙。所述发电机构包括活动环，所述扭矩调节机构与所述活动环驱动连接。所述扭矩调节机构包括离心组件以及翻转组件；所述离心组件包括多个离心片，每一所述离心片通过伸缩弹性件与所述输入转轴连接；所述翻转组件包括多个翻转叶，每一所述翻转叶通过连接杆与所述活动环连接。该发电装置可以根据风力大小自动调节扭矩大小，扩大风力发电装置的使用范围，提高风力发电效率。

Description

扭矩可自主调节的风力发电装置

技术领域

本发明涉及永磁风力发电技术领域，特别是涉及一种扭矩可自主调节的风力发电装置。

背景技术

风力发电是将风的动能转变成机械动能，再把机械动能转化为电力动能。传统的风力发电机通过齿轮传动，其内部结构复杂，传动部件多，容易出现连接不佳导致传动效率下降，而且齿轮啮合的机械传动方式容易磨损零件，降低了传统风力发电机的使用寿命。为克服传统机械传动风力发电机的缺陷，永磁传动发电技术逐步得到运用。

现有技术CN 104500343 A中，公布了一种小型风力发电装置，该装置利用永磁传动技术提高了传动效率，简化了传动结构。而且这种通过磁场产生扭矩进行传动的方式，降低了零件磨损的速度，有效提高了发电机的使用寿命。现有技术CN 104500344 A公布了一种扭矩可调式永磁变速风力发电装置，该装置通过改变定子与转子之间的有效耦合面积，进而改变转子与定子之间扭矩的大小，即启动惯量大小，使得风力发电装置可以在风力较小的时候启动，从而扩大发电装置的使用范围。

但是，现有技术CN 104500344 A中，通过外置的牵引机构驱动永磁体活动的方式还需要额外添加电机和电源，并采用人工调节或设置计算机调节程序，实用性较差。

为此，如何设计一种扭矩可自主调节的风力发电装置，可以根据风力大小自动调节扭矩大小，扩大风力发电装置的使用范围，提高风力发电效率，这是该领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种扭矩可自主调节的发电装置，实现其根据风力大小自动调节扭矩大小，扩大风力发电装置的使用范围，提高风力发电效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种扭矩可自主调节的风力发电装置，其包括：装配壳体、发电机构、风力驱动机构以及扭矩调节机构；

所述风力驱动机构包括：驱动扇叶、输入转轴以及输入转子；所述驱动扇叶位于所述装配壳体外部，所述输入转子位于所述装配壳体内部，所述输入转轴连接所述驱动扇叶与所述输入转子；

所述发电机构与所述扭矩调节机构收容于所述装配壳体内部；所述扭矩调节机构驱动连接所述发电机构。

在其中一种实施例中，所述输入转子的外侧壁与所述装配壳体的内侧壁之间形成耦合间隙；

所述发电机构包括活动环，所述活动环滑动设于所述耦合间隙处，所述扭矩调节机构与所述活动环驱动连接；所述活动环上设有永磁体。

在其中一种实施例中，所述扭矩调节机构包括离心组件以及翻转组件；

所述离心组件包括多个离心片，多个所述离心片以所述输入转轴的中心轴为中心呈环形阵列分布，每一所述离心片通过伸缩弹性件与所述输入转轴连接；

所述翻转组件包括多个翻转叶，多个所述翻转叶以所述输入转轴的中心轴为中心呈环形阵列分布，每一所述翻转叶以一端为支点可转动地设于所述装配壳体上，每一所述翻转叶通过连接杆与所述活动环连接；

所述翻转叶上设有抵持面板以及复位翘板；所述离心片压持或脱离所述抵持面板；

所述装配壳体上开设有与所述翻转叶数量相匹配的容纳槽，所述容纳槽的槽壁上设有与所述翻转叶配合的卡位凸块。

在其中一种实施例中，所述翻转叶上还设有保持弹簧。

在其中一种实施例中，所述翻转叶的数量为四个，所述离心片的数量为三个。

在其中一种实施例中，所述卡位凸块的数量为三对。

在其中一种实施例中，所述伸缩弹性件为弹簧结构。

在其中一种实施例中，所述连接杆通过万向球分别与所述翻转叶和所述活动环铰接。

在其中一种实施例中，所述装配壳体的内侧壁上设有凸棱，所述活动环的外侧壁上开设有与所述凸棱相配合的凹槽。

在其中一种实施例中，所述离心片上安装有滚珠，所述离心片通过所述滚珠压持于所述抵持面板上。

综上，本发明的一种扭矩可自主调节的发电装置，可以根据风力大小自动调节扭矩大小，扩大风力发电装置的使用范围，提高风力发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明扭矩可自主调节的风力发电装置的结构示意图；

图2为本发明扭矩可自主调节的风力发电装置在非工作状态时的局部结构示意图；

图3为图2所示的扭矩可自主调节的风力发电装置的局部剖视图；

图4为图2所示的翻转组件的结构示意图；

图5为本发明扭矩可自主调节的风力发电装置在工作状态时的局部结构示意图；

图6为图2所示的扭矩可自主调节的风力发电装置的局部示意图；

图7为扭矩调节机构在无风力状态时的局部结构示意图；

图8为扭矩调节机构在风力等级较小时的局部结构示意图；

图9为扭矩调节机构在风力等级较大时的局部结构示意图；

图10为离心片与翻转叶配合的结构示意图；

图11为装配壳体与活动环配合的局部剖视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明公开一种扭矩可自主调节的风力发电装置10，其包括：装配壳体100、发电机构200、风力驱动机构300以及扭矩调节机构400。

其中，如图1及图2所示，风力驱动机构300包括：驱动扇叶310、输入转轴320以及输入转子330。具体地，驱动扇叶310位于装配壳体100外部，输入转子330位于装配壳体100内部，输入转轴320连接驱动扇叶310与输入转子330。

其中，发电机构200与扭矩调节机构400收容于装配壳体100内部。扭矩调节机构驱动400连接发电机构200。

如图3所示，输入转子330的外侧壁与装配壳体100的内侧壁之间形成耦合间隙500。

如图2及图3所示，发电机构200包括活动环210，活动环210滑动设于耦合间隙500处，扭矩调节机构400与活动环210驱动连接。其中，活动环210上设有永磁体211。要说明的是，在活动环210下滑过程中，活动环210上的永磁体211与输入转子330的耦合面积增大，则永磁体211与输入转子330之间传递的扭矩增大；在活动环210上升过程中，永磁体211与输入转子330的耦合面积减小，则永磁体211与输入转子330之间传递的扭矩减小。

其中，如图2所示，扭矩调节机构400包括离心组件410以及翻转组件420。

离心组件410包括多个离心片411，多个离心片以输入转轴320的中心轴为中心呈环形阵列分布，每一离心片411通过伸缩弹性件412与输入转轴320连接。

翻转组件420包括多个翻转叶421，多个翻转叶421以输入转轴320的中心轴为中心呈环形阵列分布，每一翻转叶421以一端为支点可转动地设于装配壳体100上，如图3所示，每一翻转叶421通过连接杆422与活动环210连接。在本实施例中，连接杆422通过万向球分别与翻转叶421和活动环210铰接。

具体地，如图4所示，翻转叶421上设有抵持面板423以及复位翘板424，离心片411压持或脱离抵持面板423。工作状态时，如图5所示，离心片411在离心力作用下随着输入转轴320的转动向外移动，并压持于抵持面板423上，使翻转叶421做翻转运动；非工作状态时，离心片411通过复位翘板424使翻转叶421复位。具体步骤将在下文进行阐述。

由于实际生活中驱动的风力大小并不是恒定不变的，恰恰相反，自然状态下的风力大小是在某一范围内不断变化的，比如：3级风力是指风速在3.4～5.4m/s的风力。为了使得风力发电装置在启动后能够根据当前的风力等级，自主调节自身扭矩并保持在一个稳定的状态，本发明的扭矩可自主调节的风力发电装置10做了精心设计。

具体地，如图6所示，装配壳体100上开设有与翻转叶421数量相匹配的容纳槽110，容纳槽110的槽壁上设有与翻转叶421配合的卡位凸块111。卡位凸块111用于卡持翻转叶421，使其平稳保持在某一位置，具体步骤将在下文进行阐述。

在本实施例中，卡位凸块111的数量为三对。

下面，结合本实施例对扭矩可自主调节的风力发电装置10的工作原理进行阐述说明：

在无风力驱动的状态下，如图7所示，驱动扇叶310与输入转轴320处于静止状态，离心片411与翻转叶421均处于初始位置，活动环210与输入转子330之间的耦合面积处于最小值；

在有风力驱动的状态下，驱动扇叶310在风力驱动下带动输入转轴320与输入转子330一起旋转。离心片411随着输入转轴320的转动而转动，同时，在离心力的作用下，离心片411将向远离输入转轴320的方向移动一定距离。此时，离心片411将于压持于抵持面板423上，使得翻转叶421绕着支点转动一定角度。进一步地，随着翻转叶421的转动，翻转叶421上的连接杆422将推动活动环210沿装配壳体100的内侧壁滑动；

在风力等级变化过程中，扭矩调节机构400将做出自主调节：

当风力等级较小时，如图8所示，在离心力作用下离心片411向远离输入转轴320方向移动的距离较小，则翻转叶421转动的角度较小，活动环210上的永磁体211与输入转子330的耦合面积较小。此时，翻转叶421将初步陷入容纳槽110中，同时，翻转叶421将凭借离心片411的压持力越过容纳槽110槽壁上的第一对卡位凸块111，但是翻转叶421还不能越过第二对卡位凸块111，即翻转叶421转动的角度被卡位凸块111限定。这种状态下，只要风力大小一直处于该风力等级，翻转叶421转动的角度就不会改变，活动环210与输入转子330的耦合面积也不会改变，则活动环210与输入转子330之间相互作用产生的扭矩将保持不变；

当风力等级适中时，输入转轴320的转速加快，离心片411受到的离心力增大且移动的距离增加，离心片411提供给翻转叶421的压持力也增大。翻转叶421将凭借离心片411的压持力越过容纳槽110槽壁上的第二对卡位凸块111，但是翻转叶421还不足以越过第三对卡位凸块111。此时，相比风力等级较小时，翻转叶421转动的角度增加，则活动环210上的永磁体211与输入转子330的耦合面积增大。类似的，这种状态下，只要风力小于或等于该风力等级，翻转叶421的位置将再次保持不变，则活动环210与输入转子330之间相互作用产生的扭矩也将保持不变；

当风力等级较大时，如图9所示，离心片411受到的离心力进一步增大且移动的距离进一步增加，翻转叶421受到的压持力增大至足以越过第三对卡位凸块111，此时，翻转叶421转动的角度再次增加，则活动环210上的永磁体211与输入转子330的耦合面积进一步增大。类似的，这种状态下，只要风力小于或等于该风力等级，翻转叶421的位置将保持不变，则活动环210与输入转子330之间相互作用产生的扭矩也将保持不变；

当无风力时，如图7所示，离心片411受到的离心力大小为零，离心片411在伸缩弹性件412的弹性力作用下回到初始位置。此时，离心片411的内壁将碰触并推动翻转叶421的复位翘板424，使得翻转叶421挣脱卡位凸块111的限制并绕支点做反方向转动，翻转叶421也将回到初始位置。同时，翻转叶421将通过连接杆422拉动活动环210，使活动环210与输入转子330的耦合面积回到最小值。

要说明的是，在无风力驱动的状态下，活动环210与输入转子330之间的耦合面积将处于最小值，使得当有风力启动时，输入转子330转动所需的扭矩较小，即启动惯量较小。如此，在微风状态下，扭矩可自主调节的风力发电装置10就可以启动，扩大了发电装置的使用范围。同时，启动过程中，启动惯量由小到大，使得发电装置启动平稳，减小了对装置内部结构的刚性冲击。

要说明的是，三对卡位凸块111对翻转叶421的卡持使得在同一风力等级下，翻转叶421转动的角度保持不变，则活动环210与输入转子330之间的耦合面积保持不变，如此，可以使得在同一风力等级下，发电的效能保持在一个稳定的范围内。

要强调说明的是，在有风力驱动的状态下，发电装置启动后，活动环210与输入转子330之间的耦合面积“只增不减”，只有处于无风状态，输入转轴320停止转动时，耦合面积才会减小并回到最小值。这样，当风力等级发生短暂的间歇性减小现象时，翻转叶421不会发生转动，活动环210与输入转子330之间的耦合面积也不会减小，如此可以使发电的效能保持在稳定范围。

要强调的是，扭矩调节机构400的自主调节依靠的动力来源是风能本身，因此不需要额外增加动力源，简化了结构。

需要说明的是，在两个翻转叶421之间在翻转过程中可能存在有间隙，为了使离心片411更好的跨过该间隙，在本实施例中，翻转叶421的数量设为四个，离心片411的数量设为三个。如此，增加了同一离心片411压持两个及以上翻转叶421的可能性，使得离心片411在两个翻转叶421之间能够更好的过渡；

而且由于加工精度、安装精度等问题，在多个翻转叶421翻转的过程中，每一翻转叶421转动的角度可能存在微小的偏差，这样，相邻的两个翻转叶421之间就会出现高度差，高度差会进一步导致离心片411不能顺畅地越过两个翻转叶421之间的间隙，为解决这一技术问题，在本实施例中，如图10所示，设计人员对翻转叶421和离心片411的结构做了特别设计：

其一，离心片411的一侧设有圆弧面413，抵持面板423为弧面结构，如此，抵持面板423可以更好与离心片411的圆弧面413面接触，使得翻转叶421在翻转过程中保持平稳，减小出现高度差的可能性；其二，在离心片411的两端设有倾斜弧面414，如此，即使两个翻转叶421之间存在微小的高度差，离心片411仍可以依靠倾斜弧面414以及圆弧面413平稳的过渡。

在本实施例中，翻转叶421上还设有复位弹簧425(如图4所示)，如此可以在离心片411压持复位翘板424使翻转叶421复位时，为翻转叶421提供一定的弹性恢复力。

在其中一个实施例中，伸缩弹性件412为弹簧结构，如此，伸缩弹性件412能快速提供弹性恢复力。

在其中一个实施例中，装配壳体100的内侧壁上设有凸棱120，活动环210的外侧壁上开设有与凸棱120相配合的凹槽220，如此，保证了活动环210在耦合间隙500内只能做稳定的上下滑动。

在其中一个实施例中，离心片411上安装有滚珠(图未示)，离心片411通过滚珠压持于抵持面板423上，如此，可以减小离心片411在抵持面板423上的滑动摩擦。

综上所述，本发明的扭矩可自主调节的风力发电装置10，可以根据风力大小自动调节扭矩大小，扩大风力发电装置的使用范围，提高风力发电效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种扭矩可自主调节的风力发电装置，其特征在于，包括：装配壳体、发电机构、风力驱动机构以及扭矩调节机构；

所述风力驱动机构包括：驱动扇叶、输入转轴以及输入转子；所述驱动扇叶位于所述装配壳体外部，所述输入转子位于所述装配壳体内部，所述输入转轴连接所述驱动扇叶与所述输入转子；

所述发电机构与所述扭矩调节机构收容于所述装配壳体内部；所述扭矩调节机构驱动连接所述发电机构；

所述输入转子的外侧壁与所述装配壳体的内侧壁之间形成耦合间隙；

所述发电机构包括活动环，所述活动环滑动设于所述耦合间隙处，所述扭矩调节机构与所述活动环驱动连接；所述活动环上设有永磁体；

所述扭矩调节机构包括离心组件以及翻转组件；

所述离心组件包括多个离心片，多个所述离心片以所述输入转轴的中心轴为中心呈环形阵列分布，每一所述离心片通过伸缩弹性件与所述输入转轴连接；

所述翻转组件包括多个翻转叶，多个所述翻转叶以所述输入转轴的中心轴为中心呈环形阵列分布，每一所述翻转叶以一端为支点可转动地设于所述装配壳体上，每一所述翻转叶通过连接杆与所述活动环连接；

所述翻转叶上设有抵持面板以及复位翘板；所述离心片压持或脱离所述抵持面板；

所述装配壳体上开设有与所述翻转叶数量相匹配的容纳槽，所述容纳槽的槽壁上设有与所述翻转叶配合的卡位凸块。

2.根据权利要求1所述的扭矩可自主调节的风力发电装置，其特征在于，所述翻转叶上还设有保持弹簧。

3.根据权利要求2所述的扭矩可自主调节的风力发电装置，其特征在于，所述翻转叶的数量为四个，所述离心片的数量为三个。

4.根据权利要求1所述的扭矩可自主调节的风力发电装置，其特征在于，所述卡位凸块的数量为三对。

5.根据权利要求1所述的扭矩可自主调节的风力发电装置，其特征在于，所述伸缩弹性件为弹簧结构。

6.根据权利要求1所述的扭矩可自主调节的风力发电装置，其特征在于，所述连接杆通过万向球分别与所述翻转叶和所述活动环铰接。

7.根据权利要求1所述的扭矩可自主调节的风力发电装置，其特征在于，所述装配壳体的内侧壁上设有凸棱，所述活动环的外侧壁上开设有与所述凸棱相配合的凹槽。

8.根据权利要求1所述的扭矩可自主调节的风力发电装置，其特征在于，所述离心片上安装有滚珠，所述离心片通过所述滚珠压持于所述抵持面板上。