CN113357091A - 风力发电机及风力发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机及风力发电机控制方法，风力发电机包括机架、发电机组、主轴、叶片和导轨；导轨固定安装于机架，主轴转动安装于机架，叶片的叶根固定安装于主轴，叶片的叶尖滑动安装于导轨；导轨和叶尖之间安装有磁悬浮装置，在磁悬浮装置的作用下，叶尖与导轨之间留有间隙；发电机组安装于机架，主轴与发电机组驱动连接。风力发电机通过磁悬浮装置在导轨和叶片之间产生磁悬浮力，使叶片受风力驱动而带动主轴转动的过程中，叶尖保持与导轨留有间隙的配合并沿导轨运动。由此，限制了叶片的运动轨迹，使导轨承担了一部分周向或轴向载荷，减少了叶片的抖动，还减少了导轨和叶片之间的机械接触摩擦，减少了能量损耗。

Description

风力发电机及风力发电机控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机及风力发电机控制方法。

背景技术

风力发电机是将风能转化为机械能，最终输出交流电的一种发电机。目前，为了减少风力发电机工作过程中摩擦带来的损耗，磁悬浮技术逐渐被运用在风力发电领域。比如，风力发电机的主轴轴承为磁悬浮轴承，主轴转动过程中不与轴承直接发生机械摩擦，可以有效延长磁悬浮轴承的使用寿命。但是，这种风力发电机对轴向力的承受有限，尤其在强风环境下，主轴容易发生偏移。

发明内容

本发明提供一种风力发电机及风力发电机控制方法，用以解决现有技术中磁悬浮风力发电机对轴向载荷承受有限的缺陷。

本发明提供一种风力发电机，包括机架、发电机组、主轴、叶片和导轨；所述导轨固定安装于所述机架，所述主轴转动安装于所述机架，所述叶片的叶根固定安装于所述主轴，叶尖滑动安装于所述导轨；所述导轨和所述叶尖之间安装有磁悬浮装置，在所述磁悬浮装置的作用下，所述叶尖与所述导轨之间留有间隙；所述发电机组安装于所述机架，所述主轴与所述发电机组驱动连接。

根据本发明提供的风力发电机，所述磁悬浮装置包括第一磁体和第二磁体，多个所述第一磁体沿所述主轴的周向安装于所述导轨，所述第二磁体安装于所述叶尖。

根据本发明提供的风力发电机，所述叶尖和所述导轨中的一个设有凹槽，另一个设有凸起，所述凸起插设于所述凹槽中，所述第一磁体和所述第二磁体对应的安装于所述凹槽和所述凸起的相对面。

根据本发明提供的风力发电机，所述凹槽的槽深方向为所述主轴的径向方向。

根据本发明提供的风力发电机，还包括磁悬浮轴承，所述主轴通过所述磁悬浮轴承转动安装于所述机架。

根据本发明提供的风力发电机，还包括离合装置，所述发电机组包括至少两个发电机，所述主轴通过所述离合装置与各所述发电机选择性接合。

根据本发明提供的风力发电机，还包括切换装置，所述发电机组连接于所述切换装置，所述切换装置用于将所述发电机组中的一个所述发电机移动至所述主轴的同轴位置，所述主轴通过所述离合装置与所述同轴位置上的所述发电机选择性接合。

根据本发明提供的风力发电机，所述主轴设有依次连接的第一轴段和第二轴段，所述发电机组连接于所述第一轴段，所述叶片连接于所述第二轴段，所述第一轴段的直径大于所述第二轴段的直径。

本发明还提供一种风力发电机控制方法，包括：获取风速信息；根据所述风速信息，控制风力发电机的主轴与发电机组中的一个发电机选择性接合；其中，所述风力发电机包括所述主轴、所述发电机组和叶片，所述发电机组包括至少两个发电机，所述叶片固定安装于所述主轴，所述主轴通过离合装置与所述发电机组中的一个发电机选择性接合。

根据本发明提供的风力发电机控制方法，所述根据所述风速信息，控制风力发电机的主轴与发电机组中的一个发电机选择性接合，包括：在所述风速信息小于或等于第一预设值的状态下，控制所述主轴通过离合装置与第一发电机接合；在所述风速信息大于第一预设值，小于或等于第二预设值的状态下，控制所述主轴通过所述离合装置与第二发电机接合；在所述风速信息大于第二预设值，小于或等于第三预设值的状态下，控制所述主轴通过所述离合装置与第三发电机接合；其中，所述发电机组包括所述第一发电机、所述第二发电机和所述第三发电机，所述第一发电机的额定转速小于所述第二发电机的额定转速，所述第二发电机的额定转速小于所述第三发电机的额定转速。

本发明提供的风力发电机及风力发电机控制方法，风力发电机通过磁悬浮装置在导轨和叶尖之间产生磁悬浮力，使叶片受风力驱动而带动主轴转动的过程中，叶尖保持与导轨留有间隙的配合并沿导轨运动。由此，一方面通过导轨限制了叶尖的运动轨迹，使导轨承担了一部分周向或轴向载荷，减少了叶片在周向或轴向的抖动，另一方面减少了导轨和叶尖之间的机械接触摩擦，减少了能量损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明提供的风力发电机的结构示意图；

图2是本发明提高的风力发电机的正视图；

图3是本发明一实施例提供的磁悬浮装置的结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的磁悬浮装置的结构示意图。

附图标记：

1：主轴； 11：第一轴段； 12：第二轴段；

2：叶片； 21：叶尖； 22：叶根；

3：导轨； 4：电机组； 41：低速发电机；

42：中速发电机； 43：高速发电机； 5：磁悬浮装置；

51：第一磁体； 52：第二磁体； 6：导轨支架；

7：磁悬浮轴承； 8：机架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种风力发电机，包括机架8、发电机组4、主轴1、叶片2和导轨3。导轨3固定安装于机架8，主轴1转动安装于机架8，叶片2的叶根22固定安装于主轴1，叶片2的叶尖21滑动安装于导轨3。导轨3和叶尖21之间安装有磁悬浮装置5，在磁悬浮装置5的作用下，叶尖21与导轨3之间留有间隙；发电机组4安装于机架8，主轴1与发电机组4驱动连接。

可以理解，主轴1通过一轴承转动安装于机架8，其一端外露于机架8，另一端封装于机架8内。多个叶片2环绕固定于主轴1外露的一端，在外界风力作用下带动主轴1转动。主轴1的另一端与安装于机架8内部的发电机组4驱动连接，带动发电机组4的转子转动，从而产生电流。

其中，叶尖21和叶根22分别为叶片2的两个端部，叶片2的叶面收束于叶尖21和叶根22。叶尖21在转动过程中沿圆周轨迹运动，导轨3为环形，通过导轨支架6固定安装于机架8外部并套设于主轴1外，与叶尖21的运动轨迹同轴，且导轨3的半径大于叶尖21运动轨迹的半径。从而，在不考虑周向和轴向载荷的理想工作状态下，叶尖21相当于沿导轨3滑动，并与导轨3之间保留一定间隙。

在此基础上，磁悬浮装置5安装于导轨3和叶尖21之间，在导轨3和叶尖21之间产生相斥或相吸的磁力，从而使叶尖21与导轨3产生配合关系。在实际工作状态下，当叶片2受到沿主轴1周向、轴向或径向的扰动时，磁悬浮装置5产生的磁力抵消扰动，使主轴1、叶片2和导轨3三者的位置关系保持稳定。

可选的，多个所述叶片2中心对称的安装于主轴1。

本发明实施例提供的风力发电机，导轨3通过磁悬浮装置5对叶尖21的运动轨迹进行了一定限制，减少了叶片2的抖动，相当于减少了叶片2对主轴1产生的部分轴向或周向载荷，使风力发电机适应的风速范围更广。并且，由于叶片2和导轨3之间为磁悬浮配合，极大减少了机械摩擦。

在上述实施例的基础上，本发明的一些实施例中，磁悬浮装置5包括第一磁体51和第二磁体52，多个第一磁体51沿主轴1的周向安装于导轨3，第二磁体52安装于叶尖21。

比如，在一些实施例中，多个第一磁体51安装于导轨3的内圈表面，且每个第一磁体51朝向叶尖21的磁极的极性都相同，多个第一磁体51沿导轨3的环形均匀分布，从而导轨3的内圈表面呈N极性或S极性。对应的，第二磁体52安装于叶尖21，使叶尖21外表面呈N极性或S极性。多个叶尖21同时受到导轨3的吸引力或排斥力，使主轴1受到的径向磁悬浮力达到平衡。当主轴1和叶片2受到径向扰动时，各叶尖21受到的吸引力或排斥力发生变化，对应的抵抗扰动。

在上述实施例的基础上，本发明的一些实施例中，叶尖21和导轨3中的一个设有凹槽，另一个设有凸起，凸起插设于凹槽中，第一磁体51和第二磁体52对应的安装于凹槽和凸起的相对面。

比如，如图2所示，叶尖21设有凹槽，导轨3设有凸起，或导轨3本身作为凸起。叶尖21的凹槽收容于导轨3并沿导轨3的环形运动。第一磁体51安装于导轨3的凸起的外表面，第二磁体52安装于凹槽槽壁。

或者，如图3所述，导轨3设有沿环形延伸的凹槽，叶尖21设有凸起，或叶尖21本身作为凸起，插设于导轨3的凹槽中。叶尖21沿着导轨3的环形凹槽运动。第一磁体51安装于导轨3凹槽槽壁，第二磁体52安装于叶尖21的外表面。

可选的，上述实施例中的凹槽的槽深方向为主轴1的径向方向。比如，导轨3上设有凹槽，凹槽设于导轨3内圈表面，其开口朝向主轴1，第一磁体51安装于凹槽的相对两侧槽壁。叶尖21插设于凹槽中，第二磁体52安装于叶尖21与凹槽槽壁相对的两侧表面。从而，第一磁体51和第二磁体52对叶片2形成沿主轴1轴向平衡的磁力，并在主轴1和叶片2受到轴向扰动时对抗扰动。

或者，叶尖21设有凹槽，凹槽开口背离主轴1，导轨3的凸起朝向主轴1的插设于凹槽中。第二磁体52安装于凹槽相对两侧槽壁，第一磁体51安装于导轨3与槽壁的相对面上，从而第一磁体51和第二磁体52对叶片2形成沿主轴1轴向平衡的磁力，并在主轴1和叶片2受到轴向扰动时对抗扰动。

在上述实施例的基础上，导轨支架6的一端固定连接于导轨3的外端，另一端固定连接于机架8，从而导轨3通过导轨支架6固定安装于机架8。

在另一些实施例中，设于导轨3或叶尖21的凹槽的槽深方向为主轴1的轴向方向，即凹槽开口朝向或背离主轴1的露出端。第一磁体51和第二磁体52对应安装于凹槽和凸起的相对面上，对叶片2形成径向平衡的磁力，并在主轴1和叶片2受到径向扰动时对抗扰动。

在上述实施例的基础上，本发明一些实施例提供的风力发电机还包括磁悬浮轴承7。主轴1通过磁悬浮轴承7转动安装于机架8。相比于通过机械轴承安装于机架8，磁悬浮轴承7与主轴1机械摩擦小，能量损耗低，磁悬浮轴承7工作寿命更长。

在上述实施例的基础上，本发明一些实施例提供的风力发电机还包括离合装置，发电机组4包括至少两个发电机，主轴1通过离合装置与各发电机选择性接合。

比如，在一些实施例中，如图1所示，发电机组4包括低速发电机41、中速发电机42和高速发电机43。低速发电机41、中速发电机42和高速发电机43分别固定安装于机架8中。主轴1通过离合装置与三个传动换向装置选择性接合，每个传动换向装置与一个发电机的转轴连接。在风力发电机的工作状态下，离合装置使主轴1与一个传动换向装置锁紧而与另外两个传动换向装置松开，从而主轴1的转动传递至某一发电机的转轴。

在另一些实施例中，发电机组4与切换装置连接，切换装置用于将发电机组4中的一个发电机移动至主轴1的同轴位置，主轴1通过离合装置与同轴位置上的发电机选择性接合。比如，切换装置为受电机驱动的履带，发电机组4包括低速发电机41、中速发电机42和高速发电机43，低速发电机41、中速发电机42和高速发电机43分别固定于履带上。通过履带将某一发电机运输至主轴1的同轴位置，同轴位置上的发电机转轴与主轴1相对，通过离合装置将电机转轴和主轴1锁紧。可选的，离合装置为电磁锁。

在上述实施例的基础上，本发明一些实施例提供的风力发电机，主轴1设有依次连接的第一轴段11和第二轴段12，发电机组4连接于第一轴段11，叶片2连接于第二轴段12，第一轴段11的直径大于第二轴段12的直径。增大与发电机组4连接的第一轴段11的面积，即增大主轴1向发电机传递扭矩的接触面面积，加强扭矩传递效果。

另一方面，本发明实施例还提供一种风力发电机控制方法，风力发电机包括主轴1、叶片2和发电机组4，发电机组4包括至少两个发电机，叶片2固定安装于主轴1，主轴1通过离合装置与发电机组4中的一个发电机选择性接合；风力发电机控制方法包括，获取风速信息；根据风速信息，控制主轴1与发电机组4中的一个发电机选择性接合。

其中，获取风速信息可以通过在机架8外置风速传感器，或者在主轴1上安装转速传感器，或者直接通过因特网获取当前地理位置的风速信息。

离合装置可以为包括换向和锁紧功能的离合，比如，离合装置包括齿轮换向装置和锁紧装置，发电机组4的各发电机与主轴1不同轴，主轴1通过齿轮换向装置与各发电机分别连接，锁紧装置将主轴1与其中一个发电机锁紧，从而主轴1将扭矩传递给发电机。根据风速信息控制主轴1与发电机组4中的一个发电机选择性接合具体包括：控制锁紧装置松开主轴1与当前发电机的连接，并锁紧主轴1与另一发电机。

又或者，风力发电机还包括切换装置，切换装置和离合装置配合实现主轴1和发电机的选择性接合，比如，切换装置为电机驱动的履带，离合装置为电磁锁，履带根据风速信息将对应的发电机运输至主轴1的同轴位置，主轴1通过电磁锁与同轴位置的发电机锁紧。根据风速信息控制主轴1与发电机组4中的一个发电机选择性接合具体包括：控制电磁锁释放，控制履带将原本的发电机运输离开同轴位置并将另一发电机运输至同轴位置，控制电磁锁重新锁紧。

在上述实施例的基础上，可选的，上述根据风速信息，控制风力发电机的主轴1与发电机组4中的一个发电机选择性接合，进一步包括：

在风速信息小于或等于第一预设值的状态下，控制主轴1通过离合装置与第一发电机接合；在风速信息大于第一预设值，小于或等于第二预设值的状态下，控制主轴1通过离合装置与第二发电机接合；在风速信息大于第二预设值，小于或等于第三预设值的状态下，控制主轴1通过离合装置与第三发电机接合。

其中，发电机组4包括第一发电机、第二发电机和第三发电机，第一发电机的额定转速小于第二发电机的额定转速，第二发电机的额定转速小于第三发电机的额定转速。

比如，在一个实施例中，第一发电机为低速发电机41，第二发电机为中速发电机42，第三发电机为高速发电机43，预设值根据对应发电机的工作转速范围设置。

在另一个实施例中，发电机组4只包括低速发电机41和中速发电机42，在风速信息小于或等于第一预设值时，主轴1与低速发电机41接合，在风速信息大于第一预设值时，主轴1与中速发电机42接合。发电机组4包括的发电机的型号可以根据实际使用情况具体设置，本发明对此不做限定。

通过设置包括至少两个发电机的发电机组4，并使风力发电机通过离合装置与发电机组4中的某个发电机选择性接合，使得风力发电机的转速范围扩大。当外界风速变化时，可以切换与风力发电机的主轴1接合的发电机，使被驱动的发电机始终为与外界风速匹配的发电机，减少发电机的损耗，且扩大了风力发电机适应的风速范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机，其特征在于，包括：机架、发电机组、主轴、叶片和导轨；

所述导轨固定安装于所述机架，所述主轴转动安装于所述机架，所述叶片的叶根固定安装于所述主轴，所述叶片的叶尖滑动安装于所述导轨；所述导轨和所述叶尖之间安装有磁悬浮装置，在所述磁悬浮装置的作用下，所述叶尖与所述导轨之间留有间隙；

所述发电机组安装于所述机架，所述主轴与所述发电机组驱动连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述磁悬浮装置包括第一磁体和第二磁体，多个所述第一磁体沿所述主轴的周向安装于所述导轨，所述第二磁体安装于所述叶尖。

3.根据权利要求2所述的风力发电机，其特征在于，所述叶尖和所述导轨中的一个设有凹槽，另一个设有凸起，所述凸起插设于所述凹槽中，所述第一磁体和所述第二磁体对应的安装于所述凹槽和所述凸起的相对面。

4.根据权利要求3所述的风力发电机，其特征在于，所述凹槽的槽深方向为所述主轴的径向方向。

5.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，还包括磁悬浮轴承，所述主轴通过所述磁悬浮轴承转动安装于所述机架。

6.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，还包括离合装置，所述发电机组包括至少两个发电机，所述主轴通过所述离合装置与各所述发电机选择性接合。

7.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，还包括切换装置，所述发电机组连接于所述切换装置，所述切换装置用于将所述发电机组中的一个所述发电机移动至所述主轴的同轴位置，所述主轴通过所述离合装置与所述同轴位置上的所述发电机选择性接合。

8.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述主轴设有依次连接的第一轴段和第二轴段，所述发电机组连接于所述第一轴段，所述叶片连接于所述第二轴段，所述第一轴段的直径大于所述第二轴段的直径。

9.一种风力发电机控制方法，其特征在于，包括：

获取风速信息；

根据所述风速信息，控制风力发电机的主轴与发电机组中的一个发电机选择性接合；

其中，所述风力发电机包括所述主轴、所述发电机组和叶片，所述发电机组包括至少两个发电机，所述叶片固定安装于所述主轴，所述主轴通过离合装置与所述发电机组中的一个发电机选择性接合。

10.根据权利要求9所述的风力发电机控制方法，其特征在于，所述根据所述风速信息，控制风力发电机的主轴与发电机组中的一个发电机选择性接合，包括：

在所述风速信息小于或等于第一预设值的状态下，控制所述主轴通过所述离合装置与第一发电机接合；

在所述风速信息大于第一预设值，小于或等于第二预设值的状态下，控制所述主轴通过所述离合装置与第二发电机接合；

在所述风速信息大于第二预设值，小于或等于第三预设值的状态下，控制所述主轴通过所述离合装置与第三发电机接合；

其中，所述发电机组包括所述第一发电机、所述第二发电机和所述第三发电机，所述第一发电机的额定转速小于所述第二发电机的额定转速，所述第二发电机的额定转速小于所述第三发电机的额定转速。

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