CN114893353B - 一种垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力发电机，叶片底部转动设在支撑架顶部，支撑架转动设在固定部顶部，发电部设在固定部上。叶片带动支撑架同步转动，支撑架将转动能传递至发电部，发电部发电。固定部包括内套筒、外套筒和永磁轴向轴承。内套筒和支撑架固定，外套筒套设内套筒外，永磁轴向轴承套设内套筒和外套筒之间。永磁转子组固定内套筒上，永磁定子组固定外套筒上，永磁转子组和永磁定子组间形成吸力。永磁转子组相对永磁定子组移动，形成支撑施加在内套筒轴向方向上载荷的反作用力。变桨组件驱动叶片自转。其有益效果是，支撑架设在叶片的底部，便于叶片转动，变桨组件能精准调整对应叶片攻角，永磁转子组和永磁定子组间形成吸力，不易退磁。

Description

一种垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机，尤其涉及一种大型或特大型垂直轴风力发电机。

背景技术

风力发电机是一种用于风力发电的新能源装备。按照结构划分，风力发电机包括水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。相较于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机的重心更低，具有更好的施工性。

垂直轴风力发电机主要包括多个叶片、支撑架和固定部。叶片竖直设置，并通过支撑架转动设置在固定部上。

现有技术中，参见公布号为CN103850877A所公开的一种垂直轴风机风力发电装置，支撑架普遍设置为和叶片的上下两端固定连接，该设置方式易导致叶片转动受限，进而降低发电量。

为提高叶片的对风精度，现有技术中普遍设置用于控制叶片绕自身轴线转动的变桨组件，例如公布号为CN103850877A所公开的垂直轴风机风力发电装置，其能够控制多个叶片同步转动。然而，不同位置处的风向存在差异，难以精确保证每个叶片的攻角均适应所在位置处的风向和风速，进而导致风能浪费。

目前，垂直轴风力发电机普遍通过轴向轴承支撑叶片和支撑架的重量，由于叶片和支撑架的重量较大，大型风机的重量达300-500吨，普通的轴向轴承难以支撑该重量。在专利公告号为CN204283732U所公开的一种垂直轴磁悬浮风力发电机中，其采用电磁体组成的轴向轴承，电磁体由磁芯和线圈组成，线圈通过导线连接电源以为线圈供电。其工作原理为：由电源向线圈供电，线圈中有电流流过时能产生磁场，进而由两个电磁体间的磁场产生支撑叶片重量的力。但设置电磁体时还需要同时设置为电磁体供电的电源和导线，这会增大垂直轴风力发电机的体积、加工难度且不便于维护，同时，电磁体在使用时会将一部分电能转换为热能，为保证电磁体的正常工作，需要设置用于为电磁体降温的冷却装置，进一步增大了垂直轴风力发电机的体积、加工难度且不便于维护。为保证电磁体的正常工作，还要在电磁体的外周设置绝缘装置，这也增大了垂直轴风力发电机的体积、加工难度且不便于维护。

因此，目前亟需一种能够便于叶片转动、提高叶片的风能利用率、延长轴向轴承的使用时长，以及能缩小体积、简化结构且便于维护的垂直轴风力发电机。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种垂直轴风力发电机，其解决了现有的垂直轴风力发电机中叶片转动受限、叶片风能利用率较低、轴向轴承的使用时长较短以及固定部的结构复杂且体积较大的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种垂直轴风力发电机，包括多个叶片、支撑架、固定部和发电部，所述叶片竖直设置：

所述叶片的底部转动设置在所述支撑架的顶部，所述支撑架转动设置在所述固定部的顶部，所述发电部设置在所述固定部上；所述叶片能够带动所述支撑架同步转动，所述支撑架将转动能传递至所述发电部，所述发电部用于发电；

所述固定部包括内套筒、外套筒和永磁轴向轴承；

所述内套筒和所述支撑架固定连接，所述外套筒套设于所述内套筒的外部，所述永磁轴向轴承套设于所述内套筒和所述外套筒之间；

所述永磁轴向轴承包括永磁转子组和永磁定子组，所述永磁转子组固定在所述内套筒上，所述永磁定子组固定在所述外套筒上，所述永磁转子组和所述永磁定子组之间形成沿二者径向辐射的吸力；

所述永磁转子组能够沿所述内套筒的轴向相对所述永磁定子组移动，所述永磁转子组和所述永磁定子组间形成支撑施加在所述内套筒轴向方向上的载荷的反作用力；

还包括多个变桨组件，多个所述变桨组件设置在所述支撑架上，所述变桨组件和所述叶片一一对应设置，所述变桨组件用于驱动所述叶片绕所述叶片的中心轴线自转。

根据本发明，所述永磁转子组包括转子壳体和多个转子永磁体；

所述转子壳体为圆筒体，多个所述转子永磁体沿所述转子壳体的轴向间隔设置；

所述永磁定子组包括定子壳体和多个定子永磁体；

所述定子壳体为圆筒体，多个所述定子永磁体沿所述定子壳体的轴向间隔设置；

所述转子永磁体和所述定子永磁体一一对应地设置；

相邻两个所述转子永磁体和相邻两个所述定子永磁体的磁场方向均相反；

相对设置且位于同一水平面上的所述转子永磁体和所述定子永磁体间的磁场方向均相同。

根据本发明，所述永磁转子组和所述永磁定子组间存在气隙。

根据本发明，所述变桨组件包括风速风向传感器和叶片驱动器，所述风速风向传感器和所述叶片驱动器通讯连接；

所述风速风向传感器用于监测风速和风向，并将所述风速风向信息发送至所述叶片驱动器，所述叶片驱动器用于驱动所述叶片绕所述叶片的中心轴线自转。

根据本发明，所述叶片驱动器包括电机和齿轮，所述齿轮包括主动齿轮和从动齿轮；

所述电机的驱动端和所述主动齿轮连接，所述主动齿轮和所述从动齿轮啮合传动，所述从动齿轮固定在所述叶片上。

根据本发明，所述支撑架包括盖体和多个伸出臂；

所述盖体固定在内套筒上，多个所述伸出臂沿所述盖体的周向间隔设置在所述盖体上，所述伸出臂沿所述盖体的径向向外延伸设置，所述伸出臂远离所述盖体的一端和所述叶片转动连接。

根据本发明，所述叶片为扁平状，所述叶片底部的横截面为圆形或椭圆形。

根据本发明，所述发电部包括发电机，所述发电机套设于所述内套筒和所述外套筒之间，且所述发电机通过轴承和所述内套筒连接。

根据本发明，所述固定部还包括径向轴承，所述径向轴承套设于所述内套筒和所述外套筒之间。

根据本发明，所述转子永磁体和所述定子永磁体均沿其径向方向充磁。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的垂直轴风力发电机，通过将支撑架设置在叶片的底部，有利于支撑架和叶片的施工，且不限制叶片的设置长度，并能够减小支撑架对叶片的约束力，便于叶片转动，有利于提高风能利用率并增大发电部的发电量。同时，支撑架位于叶片的底部，降低了叶片和支撑架的重心位置，增大了垂直轴风力发电机的稳定性，提高了抵抗强风的能力，有利于提高全年的发电量。

由于不同位置处的风速和风向均有差异，通过每个叶片对应设置变桨组件，以使变桨组件能够精准调整相对应叶片的攻角，改变叶片的受力和迎风状态，以便于叶片转动，并能降低垂直轴风力发电机的启动风速，进而能够提高风能转化率，增大发电量。

通过在永磁轴向轴承的永磁转子组和永磁定子组间形成沿二者径向方向上的吸力，永磁转子组能够沿内套筒的轴向相对永磁定子组移动，以在永磁转子组和永磁定子组间形成支撑施加在内套筒轴向方向上的载荷的反作用力。该载荷包括叶片和支撑架的重量、作用在叶片和支撑架上的风力以及其他位于叶片和支撑架上的负载。其中，该载荷主要包括叶片和支撑架的重量。

永磁转子组固定在内套筒上，施加在内套筒的轴向方向向上或者向下的载荷均能够通过内套筒带动永磁转子组沿内套筒的轴向相对永磁定子组上移或下移，在永磁转子组和永磁定子组间吸力的作用下，永磁定子组能够产生平衡永磁转子组和永磁定子组间相对移动的反作用力，即在永磁定子组和永磁转子组之间产生支撑施加在内套筒轴向方向上的载荷的反作用力，因此，本永磁轴向轴承具有双向承载的特点，能够满足垂直轴风机的所有工况需求。

通过永磁轴向轴承的永磁转子组和永磁定子组形成支撑施加在内套筒轴向方向上的载荷的反作用力，无摩擦生热，不需设置其他用于辅助永磁轴向轴承工作的辅助润滑冷却等装置，使垂直轴风力发电机的体积缩小，整体结构简单可靠，并降低了维护难度。

通过在永磁转子组和永磁定子组间形成沿二者径向辐射的吸力，使永磁转子组和永磁定子组不易退磁，同时增大了永磁转子组和永磁定子组之间的磁场强度，采用较小体积的永磁转子组和永磁定子组，即较小体积的永磁轴向轴承即可承担施加在内套筒轴向方向上的载荷，进而能够减小固定部的设置体积。

同时，永磁转子组和永磁定子组之间形成支撑叶片和支撑架重量的反作用力，能够使叶片和支撑架处于悬浮状态，无摩擦损耗，可以降低垂直轴风力发电机的启动风速，进而能够增大发电量。

附图说明

图1为本发明的垂直轴风力发电机的立体示意图；

图2为图1中的叶片的立体示意图；

图3为图1中的支撑架的立体示意图；

图4为图1中的固定部的剖视图；

图5为图1中4中的永磁轴向轴承的立体示意图；

图6为图5的剖视图；

图7为图5中转子永磁体和定子永磁体的充磁方向的示意图。

【附图标记说明】

1：叶片；

2：支撑架；21：盖体；22：伸出臂；23：连接杆；

3：变桨组件；31：风速风向传感器；32：叶片驱动器；

4：固定部；41：内套筒；42：外套筒；43：永磁轴向轴承；431：永磁转子组；4311：转子壳体；4312：转子永磁体；432：永磁定子组；4321：定子壳体；4322：定子永磁体；433：气隙；44：径向轴承；

51：发电机；52：轴承。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”等方位名词以图1的定向为参照。

参见图1-7，本发明实施例提出的一种垂直轴风力发电机，包括多个叶片1、支撑架2、固定部4和发电部。

其中，叶片1竖直设置，多个叶片1沿圆周方向间隔设置，且叶片1的底部转动设置在支撑架2的顶部。叶片1优选通过回转轴承和支撑架2连接。支撑架2转动设置在固定部4的顶部。固定部4用于支撑叶片1和支撑架2。发电部设置在固定部4上。支撑架2能够随叶片1同步转动，并将转动能传递给发电部，发电部用于将转动能转化为电能。

通过将支撑架2设置在叶片1的底部，有利于支撑架2和叶片1的施工，且不限制叶片1的设置长度，并能减小支撑架2对叶片1的约束力，便于叶片1转动，有利于提高风能利用率并增大发电部的发电量。同时，支撑架2位于叶片1的底部，降低了叶片1和支撑架2的重心位置，增大了垂直轴风力发电机的稳定性，提高了抵抗强风的能力，有利于提高全年的发电量。

进一步，叶片1为扁平状，叶片1底部的横截面为圆形或椭圆形，以便于叶片1迎风转动，并能降低叶片1的重量，便于叶片1转动。需要说明的是，叶片1也可采用其他符合流体力学的形状。

叶片1垂直设置，或者，叶片1倾斜于竖直方向设置，且倾斜角度为0-12°。叶片1的设置数量优选为2-37个。

进一步，支撑架2包括盖体21和多个伸出臂22。盖体21固定在内套筒41上，多个伸出臂22沿盖体21的周向间隔设置在盖体21上，伸出臂22沿盖体21的径向向外延伸设置。伸出臂22远离盖体21的一端通过回转轴承和叶片1的底部转动连接。通过设置盖体21和伸出臂22，能够减小支撑架2的重量，以便于支撑架2随叶片1转动。

优选地，相邻两个伸出臂22之间通过连接杆23连接，以提高支撑架2的支撑稳定性。需要说明的是，支撑架2还可采用其他能够支撑叶片1的设置形式，例如圆盘体。

进一步，垂直轴风力发电机还包括多个变桨组件3，多个变桨组件3设置在支撑架2上，优选设置在支撑架2的伸出臂22上，变桨组件3和叶片1一一对应地设置，变桨组件3用于实时驱动叶片1绕叶片1的中心轴线自转。由于不同位置处的风速和风向均有差异，通过每个叶片1对应设置变桨组件3，以使变桨组件3能够精准调整相对应叶片1的攻角，改变叶片1的受力和迎风状态，以便于叶片1转动，并能降低垂直轴风力发电机的启动风速，进而能够提高风能转化率，增大发电量。

具体地，变桨组件3包括风速风向传感器31和叶片驱动器32。风速风向传感器31和叶片驱动器32通讯连接。风速风向传感器31用于监测风速和风向，并将风速和风向信息发送至叶片驱动器32，叶片驱动器32用于驱动叶片1绕叶片1的中心轴线自转。

优选地，叶片驱动器32包括电机和齿轮。齿轮包括主动齿轮和从动齿轮。电机的驱动端和主动齿轮连接，主动齿轮和从动齿轮啮合传动，从动齿轮固定在叶片1上。实际使用时，电机接受风速风向传感器31发送的信号，并通过主动齿轮和从动齿轮的啮合带动叶片1绕叶片1的中心轴线自转。需要说明的是，叶片驱动器32还可设置为其他能够驱动叶片1绕叶片1的中心轴线自转的结构形式。

进一步，发电部包括发电机51。发电机51套设于内套筒41和外套筒42之间，发电机51通过轴承52和内套筒41连接。发电机51可以为永磁发电机或者双馈式发电机。

进一步，固定部4包括内套筒41、外套筒42和永磁轴向轴承43。

内套筒41和支撑架2固定连接，并随支撑架2同步转动。外套筒42套设于内套筒41的外部。永磁轴向轴承43套设于内套筒41和外套筒42之间。

支撑架2带动内套筒41绕轴转动时，内套筒41能够将转动能传递给发电机51，发电机51进行发电。外套筒42用于保护其内部的永磁轴向轴承43和发电机51，并支撑垂直轴风力发电机。永磁轴向轴承43用于支撑施加在内套筒41轴向方向上的载荷的反作用力，该载荷主要包括支撑叶片1和支撑架2的重量。

具体地，发电机51位于永磁轴向轴承43的下方，以便于维修发电机51。

具体地，永磁轴向轴承43包括永磁转子组431和永磁定子组432。永磁转子组431固定在内套筒41上，永磁定子组432固定在外套筒42上。在永磁转子组431和永磁定子组432间磁场作用下，永磁转子组431和永磁定子组432间形成沿二者径向辐射的吸力，永磁转子组431能够沿内套筒41的轴向相对永磁定子组432移动，以在永磁转子组431和永磁定子组432间形成支撑施加在内套筒41轴向方向上的载荷的反作用力。该载荷包括叶片1和支撑架2的重量、作用在叶片1和支撑架2上的风力以及其他位于叶片1和支撑架2上的负载，当然，该载荷主要包括叶片1和支撑架2的重量。

永磁转子组431固定在内套筒41上，施加在内套筒41的轴向方向向上或者向下的载荷均能够通过内套筒41带动永磁转子组431沿内套筒41的轴向相对永磁定子组432上移或下移，在永磁转子组431和永磁定子组432间吸力的作用下，永磁定子组432能够产生平衡永磁转子组431和永磁定子组432间相对移动的反作用力，即在永磁定子组432和永磁转子组431之间产生支撑施加在内套筒41轴向方向上的载荷的反作用力，因此，本永磁轴向轴承43具有双向承载的特点，能够满足垂直轴风力发电机的所有工况需求。

通过永磁轴向轴承43的永磁转子组431和永磁定子组432形成支撑施加在内套筒41轴向方向上的载荷的反作用力，无摩擦生热，不需设置其他用于辅助永磁轴向轴承43工作的辅助润滑冷却等装置，使垂直轴风力发电机的体积缩小，整体结构简单可靠，并降低了维护难度。

通过在永磁转子组431和永磁定子组432间形成沿二者径向辐射的吸力，以使永磁转子组431和永磁定子组432不易退磁，同时增大了永磁转子组431和永磁定子组432之间的磁场强度，采用较小体积的永磁转子组431和永磁定子组432，即较小体积的永磁轴向轴承43即可承担施加在内套筒41轴向方向上的载荷，进而能够减小固定部4的设置体积。

同时，永磁转子组431和永磁定子组432之间形成支撑叶片1和支撑架2的重量的反作用力，能够使叶片1和支撑架2处于悬浮状态，无摩擦损耗，可以降低垂直轴风力发电机的启动风速，进而能够增大发电量。

具体地，永磁转子组431和永磁定子组432间存在气隙433，在永磁转子组431和永磁定子组432之间发生相对移动时，二者之间不会接触摩擦，以便于永磁转子组431和永磁定子组432之间能够更好的发生相对移动，进而能够在永磁转子组431和永磁定子组432之间稳定形成用于支撑施加在内套筒41轴向方向上的载荷的反作用力。同时，永磁转子组431和永磁定子组432不接触式的工作方式，能够避免永磁转子组431和永磁定子组432产生热量，不需要设置冷却装置，进而能够简化固定部4的结构，降低维护难度。同时，永磁转子组431和永磁定子组432间的气隙433，还能够防止永磁转子组431和永磁定子组432间的磁力线短路，进而能够增强永磁转子组431和永磁定子组432间的磁场强度，并增大二者之间形成的用于支撑施加在内套筒41轴向方向上的载荷的反作用力。

更具体地，永磁转子组431包括转子壳体4311和多个转子永磁体4312。转子壳体4311为圆筒体，转子永磁体4312为圆环体，多个转子永磁体4312沿转子壳体4311的轴向间隔设置。永磁定子组432包括定子壳体4321和多个定子永磁体4322。定子壳体4321为圆筒体，定子永磁体4322为圆环体，多个定子永磁体4322沿定子壳体4321的轴向间隔设置。转子永磁体4312和定子永磁体4322一一对应地设置。相邻两个转子永磁体4312以及相邻两个定子永磁体4322的磁场方向均相反。相对设置且位于同一水平面上的转子永磁体4312和定子永磁体4322的磁场方向均相同，以在相对设置且位于同一水平面上的转子永磁体4312和定子永磁体4322之间产生沿二者径向辐射的吸力。

具体地，转子永磁体4312和定子永磁体4322均沿其径向方向充磁。

进一步，固定部4还包括径向轴承44，径向轴承44套设于内套筒41和外套筒42之间。当叶片1带动支撑架2转动，支撑架2带动内套筒41同步转动时，径向轴承44用于承载内套筒41的径向载荷和弯矩。径向轴承44可以为滚动轴承或者滑动轴承。优选地，径向轴承44设置两个，并位于发电机51的上下两侧。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种垂直轴风力发电机，包括多个叶片（1）、支撑架（2）、固定部（4）和发电部，所述叶片（1）竖直设置，其特征在于：

所述叶片（1）的底部转动设置在所述支撑架（2）的顶部，所述支撑架（2）转动设置在所述固定部（4）的顶部，所述发电部设置在所述固定部（4）上；所述叶片（1）能够带动所述支撑架（2）同步转动，所述支撑架（2）将转动能传递至所述发电部，所述发电部用于发电；

所述固定部（4）包括内套筒（41）、外套筒（42）和永磁轴向轴承（43）；

所述内套筒（41）和所述支撑架（2）固定连接，所述外套筒（42）套设于所述内套筒（41）的外部，所述永磁轴向轴承（43）套设于所述内套筒（41）和所述外套筒（42）之间；

所述永磁轴向轴承（43）包括永磁转子组（431）和永磁定子组（432），所述永磁转子组（431）固定在所述内套筒（41）上，所述永磁定子组（432）固定在所述外套筒（42）上，所述永磁转子组（431）和所述永磁定子组（432）之间形成沿二者径向辐射的吸力；

所述永磁转子组（431）能够沿所述内套筒（41）的轴向相对所述永磁定子组（432）移动，所述永磁转子组（431）和所述永磁定子组（432）间形成支撑施加在所述内套筒（41）轴向方向上的载荷的反作用力；

还包括多个变桨组件（3），多个所述变桨组件（3）设置在所述支撑架（2）上，所述变桨组件（3）和所述叶片（1）一一对应设置，所述变桨组件（3）用于驱动所述叶片（1）绕所述叶片（1）的中心轴线自转；

所述永磁转子组（431）包括转子壳体（4311）和多个转子永磁体（4312）；

所述转子壳体（4311）为圆筒体，多个所述转子永磁体（4312）沿所述转子壳体（4311）的轴向间隔设置；

所述永磁定子组（432）包括定子壳体（4321）和多个定子永磁体（4322）；

所述定子壳体（4321）为圆筒体，多个所述定子永磁体（4322）沿所述定子壳体（4321）的轴向间隔设置；

所述转子永磁体（4312）和所述定子永磁体（4322）一一对应地设置；

相邻两个所述转子永磁体（4312）和相邻两个所述定子永磁体（4322）的磁场方向均相反；

相对设置且位于同一水平面上的所述转子永磁体（4312）和所述定子永磁体（4322）间的磁场方向均相同，以在相对设置且位于同一水平面上的所述转子永磁体（4312）和所述定子永磁体（4322）之间产生沿二者径向辐射的吸力；

所述变桨组件（3）包括风速风向传感器（31）和叶片驱动器（32），所述风速风向传感器（31）和所述叶片驱动器（32）通讯连接；

所述风速风向传感器（31）用于监测风速和风向，并将所述风速风向信息发送至所述叶片驱动器（32），所述叶片驱动器（32）用于驱动所述叶片（1）绕所述叶片（1）的中心轴线自转；

所述叶片驱动器（32）包括电机和齿轮，所述齿轮包括主动齿轮和从动齿轮；

所述电机的驱动端和所述主动齿轮连接，所述主动齿轮和所述从动齿轮啮合传动，所述从动齿轮固定在所述叶片（1）上；

所述支撑架（2）包括盖体（21）和多个伸出臂（22）；

所述盖体（21）固定在内套筒（41）上，多个所述伸出臂（22）沿所述盖体（21）的周向间隔设置在所述盖体（21）上，所述伸出臂（22）沿所述盖体（21）的径向向外延伸设置，所述伸出臂（22）远离所述盖体（21）的一端和所述叶片（1）转动连接；

相邻两个所述伸出臂（22）之间通过连接杆（23）连接；

所述叶片（1）为扁平状，所述叶片（1）底部的横截面为圆形或椭圆形；

所述固定部（4）还包括径向轴承（44），所述径向轴承（44）套设于所述内套筒（41）和所述外套筒（42）之间；

所述转子永磁体（4312）和所述定子永磁体（4322）均沿其径向方向充磁。

2.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其特征在于，所述永磁转子组（431）和所述永磁定子组（432）间存在气隙（433）。

3.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其特征在于，所述发电部包括发电机（51），所述发电机（51）套设于所述内套筒（41）和所述外套筒（42）之间，且所述发电机（51）通过轴承（52）和所述内套筒（41）连接。

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