CN114614652A - 一种磁变速装置及风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁变速装置及风力发电系统，其中的磁变速装置包括并排设置的第一磁轮和第二磁轮，第一磁轮的半径大于第二磁轮的半径，第一磁轮的外圆周面沿周向布满多个同极性的磁体，第二磁轮的外圆周面均沿周向布满多个与第一磁轮的外圆周面的磁体同极性的磁体，第二磁轮的所有磁体沿第二磁轮的外圆周方向上的尺寸相同，且第一磁轮的单个磁体沿第一磁轮的外圆周方向上的尺寸与第二磁轮的单个磁体沿第二磁轮的外圆周方向上的尺寸相同，第一磁轮的磁体的数量大于第二磁轮的磁体的数量，两个磁轮相距最近的两个磁体之间的距离在两个磁体磁极性作用力范围内。本发明提供的磁变速装置及风力发电系统，可以克服现有的变速齿轮易磨损、故障率高的缺点。

Description

一种磁变速装置及风力发电系统

技术领域

本发明涉及磁悬浮领域，具体为一种磁变速装置及风力发电系统。

背景技术

风能是清洁能源，利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，随着风力发电技术的发展，风力发电也日益受到世界各国的重视。目前风能发电存在以下问题：一、利用常规的变速齿轮来增速，齿轮故障率可占整个风力发电系统故障率的79％，需要频繁维修，且由于安装在高处，维修很困难，实际上难以应用于风力发电系统，因而风轮的旋转速度无法变速提高，为了满足发电需要，电机的体积需要非常大，其自身重力也很大且生产成本高、生产难度大，同时齿轮啮合还会产生振动和噪音；二、大功率风力发电机的风轮的启动需要较高的风速，平均风速要求达6m/s，而我国85％岁以上地区的平均风速为2.5m/s，因而风力发电机大多设置在风力较大的沙漠、海上等风力资源充沛的地域；三、风轮的轴承极容易损坏，使用寿命很短。

发明内容

本发明提供一种磁变速装置，可以克服现有的变速齿轮易磨损、故障率高的缺点。

本发明的磁变速装置，包括并排设置的第一磁轮和第二磁轮，第一磁轮的半径大于第二磁轮的半径，第一磁轮的轴线与所述第二磁轮的轴线平行，所述第一磁轮的外圆周面沿周向布满多个同极性的磁体，所述第一磁轮的所有磁体在沿第一磁轮的外圆周方向上的尺寸相同，第二磁轮的外圆周面均沿周向布满多个与所述第一磁轮的外圆周面的磁体同极性的磁体，第二磁轮的所有磁体沿第二磁轮的外圆周方向上的尺寸相同，且所述第一磁轮的单个磁体沿第一磁轮的外圆周方向上的尺寸与第二磁轮的单个磁体沿第二磁轮的外圆周方向上的尺寸相同，第一磁轮的磁体的数量大于第二磁轮的磁体的数量，两个磁轮相距最近的两个磁体之间的距离在两个磁体磁极性作用力范围内。

作为优选，所述磁体为永磁体。

作为优选，第一磁轮的磁体在轴向上的尺寸与第二磁轮的磁体在轴向上的尺寸相同。

作为优选，在垂直于所述第一磁轮与第二磁轮的轴线的方向上，所述第一磁轮与第二磁轮相距最近的两个磁体之间具有1-2mm的间隙。

作为优选，第一磁轮的外圆周面设有m个磁体，第二磁轮的外圆周面设有n个磁体,且20≥m:n≥2。

作为优选，m:n＝10。

作为优选，所述第一磁轮为主动轮，第二磁轮为从动轮；或者第一磁轮为从动轮，第二磁轮为主动轮。

本发明还提供一种风力发电系统，包括风轮和发电机，所述风轮包括垂直于水平面的旋转轴、固定在所述旋转轴上可与所述旋转轴同步旋转的叶片，所述风力发电系统还包括变速装置，所述变速装置为如上所述的磁变速装置，其中磁变速装置的第一磁轮固定在所述旋转轴上可与所述旋转轴同步旋转，所述第二磁轮固定在所述发电机的转子的转动轴上。

作为优选，所述风力发电系统还包括永磁悬浮轴承，永磁悬浮轴承包括固定在静止的定子支架上的定子和与所述旋转轴固定并随所述旋转轴旋转的转子，所述转子包括空心圆盘状的第一转子永磁体和位于所述第一转子永磁体下方的空心圆盘状的第二转子永磁体，所述空心圆盘状的空心由与圆盘同轴的通孔形成，所述定子包括在上下方向上位于所述转子的第一转子永磁体和第二转子永磁体之间的空心圆盘状定子永磁体，且第一转子永磁体朝下的一端的磁极极性与所述定子永磁体朝上的一端的磁极极性相同，所述第二转子永磁体朝上的一端的磁极极性与所述定子永磁体朝下的一端的磁极极性相反，所述第一转子永磁体、第二转子永磁体和定子永磁体与所述旋转轴同轴。

作为优选，所述第一转子永磁体的外圆周的半径为R1、第二转子永磁体的外圆周的半径为R2，定子永磁体的外圆周的半径为R3，且R2＝R3＞R1，所述第一转子永磁体的通孔的半径为r1、第二转子永磁体的通孔的半径为r2，定子永磁体的通孔的外径为r3，且R1＞r2＝r3＞r1。

作为优选，所述转子还包括第三转子永磁体和第四转子永磁体，所述第三转子永磁体和第四转子永磁体均为环形，所述第三转子永磁体固定在第二转子永磁体的外圆周的上方或下方，所述第四转子永磁体固定在第二转子永磁体的内圆周的上方或下方，第二转子永磁体的内圆周由第二转子永磁体的通孔的内环形成，且第三转子永磁体和第四转子永磁体朝上一端的磁极极性与第二转子永磁体朝上一端的磁极极性相同。

作为优选，所述旋转轴固定有第一转子支架和第二转子支架，所述第一转子永磁体与所述第一转子支架固定，所述第三转子永磁体和第四转子永磁体与所述第二转子支架固定。

作为优选，所述定子支架、第一转子支架和第二转子支架均由非磁材料制成。

本发明的磁变速装置及风力发电系统与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的磁变速装置可代替齿轮变速，当第一磁轮为主动轮，第二磁轮为从动轮时，磁变速装置为增速装置，当第一磁轮为从动轮，第二磁轮为主动轮时，磁变速装置为减速装置。第一磁轮与第二磁轮之间的作用力通过磁极之间的相斥来实现，二者不需要接触，可避免普通变速器的齿轮啮合带来的磨损和其它故障，从而可降低故障率并延长变速装置的使用寿命。

2、本发明的风力发电系通过永磁悬浮轴承代替普通的轴承可以降低风轮的启动风速，从而使得可设置大功率发电系统的区域具有更多的选择。本发明对永磁悬浮轴承的结构进行了改进，定子永磁体对第一转子永磁体即转子施加向上的斥力F1，同时定子永磁体对第二转子永磁体即转子施加向上的吸力F2，F1+F2＝-G，如此，需要提供较小的F1和F2的力可减小，因此小体积的永磁体即可胜任。

3、永磁悬浮轴承的第一转子永磁体、第二转子永磁体和定子永磁体均为中心具有通孔的空心圆盘形，第一转子永磁体、第二转子永磁体与定子永磁体与旋转轴同轴，第一转子永磁体42的外圆周的半径为R1、第二转子永磁体的外圆周的半径为，定子永磁体的外圆周的半径为R3，且R2＝R3＞R1，第一转子永磁体的通孔的半径为r1、第二转子永磁体的通孔的半径为r2，第三转子永磁体的通孔的外径为r3，且R1＞r2＝r3＞r1。通过此设置，当风轮受到径向的力时，定子永磁体对第一转子永磁体施加的F斥增大，F斥的水平方向的分解力F斥1的方向与旋转轴受到的径向外力的方向相反，同时，定子永磁体对第二转子永磁体产生水平方向的力F吸1，F吸1的方向与旋转轴受到的径向外力的方向相反，F斥1和F吸1二者共同阻止旋转轴进一步移动。因此，旋转轴在径向上可获得更加稳定的状态。

4、永磁悬浮轴承的第三转子永磁体用来加强第二转子永磁体在外圆周位置的磁场，第四转子永磁体用来加强第二转子永磁体在内圆周位置的磁场，这样在风轮未受到径向力时，即定子永磁体与第二转子永磁体对齐，此时第二转子永磁体的外圆周处和内圆周处的静磁能更低，因而第二转子永磁体的状态更稳定，当第二转子永磁体与定子永磁体错开，第二转子永磁体静磁能升高，定子永磁体对第二转子永磁体产生径向的水平力F吸1会更大，从而使得旋转轴可抵抗更大的径向外力。

附图说明

图1为本发明一实施例的磁变速装置的结构示意图。

图2为本发明一实施例的风力发电系统在旋转轴未受径向外力的状态下的结构示意图。

图3为本发明一实施例的风力发电系统在旋转轴受到径向外力的状态下的结构示意图。

附图标记

11第一磁轮，111磁体，12第二磁轮，,121磁体；

2风轮，21旋转轴，22叶片；

3发电机，31转子轴；

4永磁悬浮轴承，41定子支架，42第一转子永磁体，43第二转子永磁体，44第三转子永磁体，45第四转子永磁体，46第一转子支架，47第二转子支架,48定子永磁体。

具体实施方式

本发明提供一种磁变速装置，其一实施例的结构如图1所示，包括并排设置的第一磁轮11和第二磁轮12，第一磁轮11的半径大于第二磁轮12的半径，第一磁轮11的轴线与所述第二磁轮12的轴线平行，所述第一磁轮11和第二磁轮12的外圆周面均沿其各自的周向布满多个同极性的磁体111,121，第一磁轮11的外圆周面的磁体111与第二磁轮12的外圆周面的磁体121为同极性。在本实施例中，磁体111,121为永磁体，所述第一磁轮11的所有磁体111沿第一磁轮11的外圆周方向上的尺寸相同，第二磁轮12的所有磁体121沿第二磁轮12的外圆周方向上的尺寸相同，且所述第一磁轮11的单个磁体111沿第一磁轮11的外圆周方向上的尺寸与第二磁轮12的单个磁体121沿第二磁轮12的外圆周方向上的尺寸相同，第一磁轮11的磁体111的数量大于第二磁轮12的磁体121的数量，在两个磁体磁极性作用力范围内。

本发明的磁变速装置可代替齿轮变速，当第一磁轮11为主动轮，第二磁轮12为从动轮时，磁变速装置为增速装置，当第一磁轮11为从动轮，第二磁轮12为主动轮时，磁变速装置为减速装置。第一磁轮11与第二磁轮12之间的作用力通过磁体111,121之间的相吸和相斥来实现，二者不需要接触，可避免普通变速器的齿轮啮合带来的磨损和其它故障，从而可降低故障率并延长变速装置的使用寿命，同时，由于第一磁轮11和第二磁轮不需要接触，也可避免接触带来的振动和噪音。

在实施例中，第一磁轮11的单个磁体111在轴向上的尺寸与第二磁轮12的单个磁体121在轴向上的尺寸相同，且在轴向上第一磁轮11的磁体的两端111分别与第二磁轮12的磁体121的两端对齐。这样可保持第一磁轮11的磁体111与第二磁轮12的磁体121之间的作用力达到最大。在垂直于所述第一磁轮11与第二磁轮12的轴线的方向上，所述第一磁轮11与第二磁轮12之间具有1-2mm的间隙，即两个磁轮相距最近的两个磁体之间的距离为1-2mm。

作为优选，第一磁轮11的外圆周壁设有m个磁体111，第二磁轮12的外圆周壁设有n个磁体121,m和n均为正整数，20≥m:n≥2。在本实施例中，m:n＝10，如图1所示，m＝50，n＝5。

本发明还提供一种风力发电系统，如图2所示，包括风轮2和发电机3，所述风轮2包括垂直于水平面的旋转轴21、固定在所述旋转轴21上可与所述旋转轴21同步旋转的叶片22，所述风力发电系统还包括变速装置，所述变速装置为如上所述的磁变速装置，其中磁变速装置的第一磁轮11固定在所述旋转轴21上可与所述旋转轴21同步旋转，所述第二磁轮12固定在所述发电机3的转子的转子轴上。

本发明的风力发电系统采用磁变速装置作为增速器，在将风轮2的旋转传递至电机的转子时，转速被提高至数倍，电机的转子的转速相对于没有设置增速器的情况被提高数倍，可使相同功率的发电机3的体积缩小数倍，或者使相同体积的发电机3的功率提高至数倍从而提高风力发电系统的发电能力。同时，磁变速装置的第一磁轮11与第二磁轮12之间的作用力通过磁体111,121来实现，二者不需要接触，可避免普通变速器的齿轮啮合带来的磨损和其它故障，从而可降低故障率并延长变速装置的使用寿命。

如图2所示，所述风力发电系统还包括永磁悬浮轴承4，永磁悬浮轴承4包括固定在静止的定子支架41上的定子和与所述旋转轴21固定并随所述旋转轴21旋转的转子，所述转子包括第一转子永磁体42和位于第一转子永磁体42下方的第二转子永磁体43，所述定子包括在上下方向上位于所述转子的第一转子永磁体42和第二转子永磁体43之间的定子永磁体48，且第一转子永磁体42朝下的一端的磁极极性与所述定子永磁体48朝上的一端的磁极极性相同，在本实施例中均为N极。所述第二转子永磁体43朝上的一端的磁极极性与所述定子永磁体48朝下的一端的磁极极性相反，在本实施例中，第二转子永磁体43朝上的一端的磁极极性为N极，定子永磁体48朝下的一端的磁极极性为S极。

通过永磁悬浮轴承4代替普通的轴承可以降低风轮2的启动风速，从而使得可设置大功率发电系统的区域具有更多的选择。在旋转轴未受到轴向外力的情况下，现有的风轮2的受力状态为,F1＝-|F2+G|,F1为向上的斥力，F2为向下的斥力，G为风轮2的重力。这样，需要提供的向上的斥力F1会比较大。本发明对永磁悬浮轴承4的结构进行了改进，定子永磁体48对第一转子永磁体42即转子施加向上的斥力F1，同时定子永磁体48对第二转子永磁体43即转子施加向上的吸力F2，在旋转轴未受到轴向外力的情况下，F1+F2＝-G，如此，需要提供较小的F1和F2的力可减小，因此小体积的永磁体即可胜任。如果采用相同体积的永磁体，则旋转轴可负载更大重量的风轮并承受更大的轴向向下的外力。

如图2所示，所述第一转子永磁体42、第二转子永磁体43和定子永磁体48均为空心圆盘形，所述空心由与圆盘同轴的通孔形成，所述第一转子永磁体42、第二转子永磁体43与定子永磁体48与所述旋转轴21同轴，所述第一转子永磁体42的外圆周的半径为R1、第二转子永磁体43的外圆周的半径为R2，定子永磁体44的外圆周的半径为R3，且R2＝R3＞R1，所述第一转子永磁体42的通孔的半径为r1、第二转子永磁体43的通孔的半径为r2，定子永磁体44的通孔的外径为r3，且R1＞r2＝r3＞r1。

在风轮2未受到径向力时，第一转子永磁体42和第二转子永磁体43的受力如图2所示，此时第一转子永磁体42受到的定子永磁体48施加的斥力使得第一转子永磁体42处于平衡状态，同时定子永磁体48与第二转子永磁体43对齐，此时第二转子永磁体43的静磁能处于最低状态，即最稳定状态。当风轮2受到径向的力时，例如，当旋转轴21向图2中的左侧移动至图3所示的位置时，第一转子永磁体42靠近定子永磁体48，定子永磁体48对第一转子永磁体42施加的F斥增大，F斥分解后的向右的水平力F斥1也增大，F斥1的方向与旋转轴受到的径向外力的方向相反，阻止旋转轴21进一步向左侧移动。同时，如图3所示，第二转子永磁体43与定子永磁体48错开，第二转子永磁体43静磁能升高，定子永磁体48对第二转子永磁体43产生径向图中的右侧的水平力F吸1，F吸1的方向与旋转轴受到的径向外力的方向相反，也阻止旋转轴21进一步向左侧移动。因此，旋转轴21在径向上可获得更加稳定的状态，当旋转轴21受到的径向力消失后，旋转轴21恢复至图2所示的位置。

如图2和图3所示，所述转子还包括第三转子永磁体44和第四转子永磁体45，所述第三转子永磁体44和第四转子永磁体45均为环形，第三转子永磁体44固定在第二转子永磁体43的外圆周的上方或下方，所述第四转子永磁体45固定在第二转子永磁体43的内圆周的上方或下方，第三转子永磁体44的内圆周由第二转子永磁体43的通孔的内环形成。且第三转子永磁体44和第四转子永磁体45朝上一端的磁极极性与第二转子永磁体43朝上一端的磁极极性相同，第三转子永磁体44用来加强第二转子永磁体43在外圆周位置的磁场，第四转子永磁体45用来加强第二转子永磁体43在内圆周位置的磁场，这样在风轮2未受到径向力时，即定子永磁体48与第二转子永磁体43对齐，此时第二转子永磁体43的外圆周处和内圆周处的静磁能更低，因而第二转子永磁体43的状态更稳定，当第二转子永磁体43与定子永磁体48错开，第二转子永磁体43静磁能升高，定子永磁体48对第二转子永磁体43产生径向的水平力F吸1会更大，从而使得旋转轴21可抵抗更大的径向外力。

在本实施例中，如图2和图3所示，第三转子永磁体44的外圆周面与所述第二转子永磁体的外圆周面对齐，第四转子永磁体45的内环面与第二转子永磁体43的内环面对齐。第三转子永磁体44和第四转子永磁体45朝上一端的磁极极性为N极，且第三转子永磁体44和第四转子永磁体45均固定在第二转子永磁体43的下方。所述旋转轴21固定有第一转子支架和第二转子支架，所述第一转子永磁体42与所述第一转子支架固定，所述第三转子永磁体44和第四转子永磁体45与所述第二转子支架固定。所述定子支架41、第一转子支架和第二转子支架均由非磁材料制成，非磁材料对永磁体的磁场不产生影响，在本实施例中，非磁材料采用不锈钢。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种磁变速装置，其特征在于，包括并排设置的第一磁轮和第二磁轮，第一磁轮的半径大于第二磁轮的半径，第一磁轮的轴线与所述第二磁轮的轴线平行，所述第一磁轮的外圆周面沿周向布满多个同极性的磁体，所述第一磁轮的所有磁体在沿第一磁轮的外圆周方向上的尺寸相同，第二磁轮的外圆周面均沿周向布满多个与所述第一磁轮的外圆周面的磁体同极性的磁体，第二磁轮的所有磁体在沿第二磁轮的外圆周方向上的尺寸相同，且所述第一磁轮的单个磁体沿第一磁轮的外圆周方向上的尺寸与第二磁轮的单个磁体沿第二磁轮的外圆周方向上的尺寸相同，第一磁轮的磁体的数量大于第二磁轮的磁体的数量，两个磁轮相距最近的两个磁体之间的距离在两个磁体磁极性作用力范围内。

2.根据权利要求1所述的磁变速装置，其特征在于，所述磁体为永磁体。

3.根据权利要求1所述的磁变速装置，其特征在于，第一磁轮的磁体在轴向上的尺寸与第二磁轮的磁体在轴向上的尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的磁变速装置，其特征在于，在垂直于所述第一磁轮与第二磁轮的轴线的方向上，所述第一磁轮与第二磁轮相距最近的两个磁体之间具有1-2mm的间隙。

5.根据权利要求1所述的磁变速装置，其特征在于，第一磁轮的外圆周面设有m个磁体，第二磁轮的外圆周面设有n个磁体,且20≥m:n≥2。

6.根据权利要求5所述的磁变速装置，其特征在于，m:n＝10。

7.根据权利要求1所述的磁变速装置，其特征在于，所述第一磁轮为主动轮，第二磁轮为从动轮；或者第一磁轮为从动轮，第二磁轮为主动轮。

8.一种风力发电系统，包括风轮和发电机，所述风轮包括垂直于水平面的旋转轴、固定在所述旋转轴上可与所述旋转轴同步旋转的叶片，其特征在于，所述风力发电系统还包括变速装置，所述变速装置为权利要求1-7中任一项所述的磁变速装置，其中磁变速装置的第一磁轮固定在所述旋转轴上可与所述旋转轴同步旋转，所述第二磁轮固定在所述发电机的转子的转动轴上。

9.根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述风力发电系统还包括永磁悬浮轴承，永磁悬浮轴承包括固定在静止的定子支架上的定子和与所述旋转轴固定并随所述旋转轴旋转的转子，所述转子包括空心圆盘状的第一转子永磁体和位于所述第一转子永磁体下方的空心圆盘状的第二转子永磁体，所述空心圆盘状的空心由与圆盘同轴的通孔形成，所述定子包括在上下方向上位于所述转子的第一转子永磁体和第二转子永磁体之间的空心圆盘状定子永磁体，且第一转子永磁体朝下的一端的磁极极性与所述定子永磁体朝上的一端的磁极极性相同，所述第二转子永磁体朝上的一端的磁极极性与所述定子永磁体朝下的一端的磁极极性相反，所述第一转子永磁体、第二转子永磁体和定子永磁体与所述旋转轴同轴。

10.根据权利要求9所述的风力发电系统，其特征在于，所述第一转子永磁体的外圆周的半径为R1、第二转子永磁体的外圆周的半径为R2，定子永磁体的外圆周的半径为R3，且R2＝R3＞R1，所述第一转子永磁体的通孔的半径为r1、第二转子永磁体的通孔的半径为r2，定子永磁体的通孔的外径为r3，且R1＞r2＝r3＞r1。

11.根据权利要求10所述的风力发电系统，其特征在于，所述转子还包括第三转子永磁体和第四转子永磁体，所述第三转子永磁体和第四转子永磁体均为环形，所述第三转子永磁体固定在第二转子永磁体的外圆周的上方或下方，所述第四转子永磁体固定在第二转子永磁体的内圆周的上方或下方，第二转子永磁体的内圆周由第二转子永磁体的通孔的内环形成，且第三转子永磁体和第四转子永磁体朝上一端的磁极极性与第二转子永磁体朝上一端的磁极极性相同。

12.根据权利要求11所述的风力发电系统，其特征在于，所述旋转轴固定有第一转子支架和第二转子支架，所述第一转子永磁体与所述第一转子支架固定，所述第三转子永磁体和第四转子永磁体与所述第二转子支架固定。

13.根据权利要求12所述的风力发电系统，其特征在于，所述定子支架、第一转子支架和第二转子支架均由非磁材料制成。

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