CN116928011B - 一种马格努斯垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种马格努斯垂直轴风力机，属于风力设备技术领域，包括风轮和发电装置，风轮包括偶数个马格努斯转子及其上下同向平行倾斜的环形轨道，由驱动电机驱动的马格努斯转子包括等高的上圆柱和下圆柱，上圆柱与下圆柱通过锥齿轮组相连；马格努斯转子沿着环形轨道移动、且其下端与发电装置相连；上圆柱及下圆柱的外部设有挡风外壳，两个挡风外壳之间设有供来流风通过的间隙，间隙与上下圆柱的高度相匹配。马格努斯转子在移动过程中位置发生变化，处于上风向的上圆柱暴露在风中，产生马格努斯力推动风轮转动；处于下风向的下圆柱暴露在风中时，产生的马格努斯力同样也会推动风轮转动，而不会对其产生负扭矩作用；进而风轮带动发电装置发电。

Description

一种马格努斯垂直轴风力机

技术领域

本发明属于风力设备技术领域，尤其涉及一种马格努斯垂直轴风力机。

背景技术

流体中旋转的圆柱，会受到一个垂直于转动轴和流动方向的力作用，这种现象称为马格努斯效应，如图16所示。由于马格努斯力的方向始终垂直于圆柱转动方向和来流风方向，且马格努斯力的大小由风速和圆柱的转速决定。对于由多个旋转圆柱组成的风轮，马格努斯力无法直接驱动使风轮转动，因此需要采用一些措施。

在垂直轴的风车中，旋转圆柱沿着一个方向转动时，产生的马格努斯力在上风侧和下风侧为同一方向，此时作为垂直轴风力机风轮的转动扭矩会相互抵消，因此不能直接使用旋转圆柱作为垂直轴式的风力机。而如果在上风侧和下风侧分别改变圆柱转动方向，的确能够解决这一问题，但是采用该方法时需要频繁地切换圆柱转动方向，这对于装置自身以及驱动电机会产生损耗，极大地减小使用寿命，并且圆柱在高转速下，减速后换方向加速同样需要一定的时间，这有可能使得圆柱的旋转方向切换跟不上风轮的转动而导致发电效率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种马格努斯垂直轴风力机，旨在解决现有技术中垂直轴风力机通过频繁地切换圆柱转动方向来消除负扭矩，存在损耗大、使用寿命小、发电效率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种马格努斯垂直轴风力机，包括风轮和发电装置，所述风轮包括若干个马格努斯转子和上下两个同向倾斜的环形轨道，且上下两个环形轨道所在平面平行；所述马格努斯转子的数量为偶数、且由驱动电机驱动，所述马格努斯转子包括高度相同的上圆柱和下圆柱，所述上圆柱的下端与下圆柱的上端通过锥齿轮组相连，用于使上圆柱与下圆柱的转动方向相反；所述上圆柱的上端能够沿着上方环形轨道移动，所述下圆柱的下端能够沿着下方环形轨道移动，且若干个下圆柱的下端与发电装置相连；所述上圆柱及下圆柱的外部分别设有挡风外壳，两个挡风外壳分别与上下环形轨道相连，两个挡风外壳之间设有供来流风通过的间隙，所述间隙的轴向高度与上圆柱和下圆柱的高度相匹配。

优选的，所述上圆柱的上端通过上连接件与上方环形轨道滑动配合，所述下圆柱的下端设有用于容纳驱动电机的驱动电机底座，所述驱动电机底座能够与下方环形轨道滑动配合以及与发电装置相连。

优选的，所述发电装置包括发电机、伸缩臂和伸缩臂联结件，所述马格努斯转子的下端通过驱动电机底座与伸缩臂的一端相连，若干个伸缩臂的另一端均与伸缩臂联结件相连，所述伸缩臂联结件与发电机相连。

优选的，所述伸缩臂包括伸缩臂内杆和伸缩臂外杆，所述伸缩臂内杆和伸缩臂外杆的端部均设有铰接口，用于与驱动电机底座及伸缩臂联结件相连。

优选的，所述马格努斯转子及伸缩臂均为四个，所述伸缩臂联结件的边缘设有四个铰接口，分别用于与四个伸缩臂相连；所述伸缩臂联结件的中部设有与发电机主轴配合的轴孔。

优选的，所述下圆柱与驱动电机底座之间设有推力球轴承，所述下圆柱通过法兰连接件与驱动电机相连，所述驱动电机设置于驱动电机底座的内部，所述驱动电机底座的顶部设有用于固定驱动电机的安装孔，所述驱动电机底座的侧面设有与伸缩臂相连的铰接口，所述驱动电机底座的底部设有用于与环形轨道配合的弧形轨道接口。

优选的，所述上连接件与上圆柱之间设有推力球轴承，所述上连接件的顶部设有用于与环形轨道配合的弧形轨道接口，轨道接口的内壁上设有若干个滚珠。

优选的，所述锥齿轮组包括两个垂直轴锥齿轮和两个水平轴锥齿轮，上下两个垂直轴锥齿轮分别固定于上圆柱的下端及下圆柱的上端，两个水平轴锥齿轮对称设置、且均与两个垂直轴锥齿轮啮合；所述水平轴锥齿轮的中心轴水平贯穿上圆柱及下圆柱内的中心杆设置。

优选的，所述上圆柱及下圆柱均套装于中心杆上，所述中心杆上设有多个滚珠轴承，所述上圆柱及下圆柱的内壁分别与滚珠轴承的外圈相连，所述中心杆的下端及靠近上端处均设有推力球轴承；所述中心杆上下贯穿上圆柱设置，所述中心杆的下端贯穿下圆柱的顶部并延伸至下圆柱的内部盲孔底部；所述垂直轴锥齿轮的内孔与中心杆上的滚珠轴承外圈相连。

优选的，上下环形轨道的上下两侧分别通过加强肋与上下固定环相连，能够形成上下两个支撑架，两个挡风外壳分别固定于上下支撑架的外部。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的马格努斯转子由旋转方向相反的上圆柱和下圆柱构成，来流风能够从上圆柱与下圆柱外部挡风外壳之间的间隙通过，驱动若干个马格努斯转子沿着上下两个倾斜的环形轨道运动，马格努斯转子在移动过程中位置发生变化，处于上风向的上圆柱暴露在风中，产生马格努斯力推动风轮转动；处于下风向的下圆柱暴露在风中时，产生的马格努斯力同样也会推动风轮转动，而不会对其产生负扭矩作用，进而风轮带动发电装置发电。本发明能够克服现有风力机频繁地切换圆柱转动方向来消除负扭矩的问题，极大降低了能量损耗，延长了使用寿命，提高了发电效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种马格努斯垂直轴风力机的外形图；

图2是本发明实施例中马格努斯垂直轴风力机去掉挡风外壳的内部结构示意图；

图3是图2中马格努斯转子与其下方发电装置的连接示意图；

图4是图2中马格努斯转子的结构示意图；

图5是图4中上圆柱与下圆柱之间锥齿轮组的结构示意图；

图6是图2中下圆柱与驱动电机底座的连接示意图；

图7是图6中下圆柱与驱动电机的连接示意图；

图8是图4中上圆柱与连接件的连接示意图；

图9是图6中驱动电机底座的结构示意图；

图10是本发明实施例中马格努斯转子内部中心杆的结构示意图；

图11是本发明实施例中马格努斯转子的剖面图；

图12是本发明实施例中支撑架的结构示意图；

图13是本发明实施例中伸缩臂的结构示意图；

图14本发明实施例中伸缩臂联结件的结构示意图；

图15是本发明实施例发电机的安装示意图；

图16是马格努斯效应说明图；

图17是本发明实施例中马格努斯垂直轴风力机的侧视图；

图18是本发明实施例中马格努斯垂直轴风力机的运作示意图；

图19是本发明实施例中暴露在来流风中的上圆柱及下圆柱所受侧向力的示意图；

图中：1：挡风外壳；2：马格努斯转子；3：环形轨道；4：发电机；5：伸缩臂；6：电机固定底座；7：伸缩臂联结件；8：上连接件；9：上圆柱；10：下圆柱；11：驱动电机底座；12：推力球轴承；13：驱动电机；14：法兰连接件；15：滚珠轴承；16：伸缩臂内杆；17：伸缩臂外杆；18：螺栓孔；19：发电机主轴；20：安装孔；21：铰接口；22：轨道接口；23：锥齿轮组；24：来流风；25：圆柱转动方向；26：侧向力；27：垂直轴锥齿轮，28：水平轴锥齿轮；29：中心杆；30：加强肋；31：固定环。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做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。

参见图1、2，本发明提供的一种马格努斯垂直轴风力机包括风轮和发电装置，所述风轮包括若干个马格努斯转子2和上下两个同向倾斜的环形轨道3，且上下两个环形轨道3所在平面平行，保证马格努斯转子2沿着环形轨道3运动过程中能够始终保持垂直；所述马格努斯转子2的数量为偶数、且由驱动电机13驱动，所述马格努斯转子2包括高度相同的上圆柱9和下圆柱10，所述上圆柱9的下端与下圆柱10的上端通过锥齿轮组23相连，用于使上圆柱9与下圆柱10的转动方向相反；所述上圆柱9的上端能够沿着上方环形轨道3移动，所述下圆柱10的下端能够沿着下方环形轨道3移动，且若干个下圆柱10的下端与发电装置相连；所述上圆柱9及下圆柱10的外部分别设有挡风外壳1，两个挡风外壳1分别与上下环形轨道3相连，两个下挡风外壳1之间设有供来流风通过的间隙，所述间隙的轴向高度与上圆柱9和下圆柱10的高度相匹配。来流风能够经过风力机的中间间隙，若干个马格努斯转子2在移动过程中所受的侧向力26能够产生扭矩，进而驱动发电装置发电。

在本发明的一个具体实施例中，如图2、3、6、8所示，所述上圆柱9的上端通过上连接件8与上方环形轨道3滑动配合，所述下圆柱10的下端设有用于容纳驱动电机13的驱动电机底座11，所述驱动电机底座11能够与下方环形轨道3滑动配合以及与发电装置相连。驱动电机13驱动下圆柱10旋转，上圆柱9与下圆柱反向旋转，来流风通过挡风外壳之间的间隙，处于上风侧的马格努斯转子2的上圆柱9所受侧向力26与相对侧马格努斯转子2的下圆柱10所受侧向力26方向相反，能够产生驱动发电装置的扭矩。

作为一种优选结构，如图6、7、15所示，所述发电装置包括发电机4、伸缩臂5和伸缩臂联结件7，所述马格努斯转子2的下端通过驱动电机底座11与伸缩臂5的一端相连，若干个伸缩臂5的另一端均与伸缩臂联结件7相连，所述伸缩臂联结件7与发电机4相连。通过伸缩臂5将马格努斯转子2运动时产生的扭矩通过伸缩臂联结件7传递到发电机4上，为发电机提供动力。具体安装时，发电机4与电机固定底座6通过贯穿二者螺栓孔18的螺栓刚性连接在一起，同时电机固定底座6与基础连接。

具体制作时，如图13所示，所述伸缩臂5包括伸缩臂内杆16和伸缩臂外杆17，所述伸缩臂内杆16和伸缩臂外杆17的端部均设有铰接口21，用于与驱动电机底座11及伸缩臂联结件7相连。鉴于环形轨道为椭圆状，马格努斯转子2沿环形轨道移动过程中下圆柱与伸缩臂外杆17之间的距离不断变化。伸缩臂内杆16与伸缩臂外杆17能够产生相对滑动，使伸缩臂能够发生长度变化，能够适应马格努斯转子在竖直方向上的位置变化。

在本发明的一个具体实施例中，如图2、3、14所示，所述马格努斯转子2及伸缩臂5均为四个，所述伸缩臂联结件7的边缘设有四个铰接口21，分别用于与四个伸缩臂5相连；所述伸缩臂联结件7的中部设有与发电机主轴19配合的轴孔。伸缩臂联结件7通过发电机主轴19与发电机4相连，用于传递扭矩；由伸缩臂联结件7带动发电机主轴19转动产生电能。

进一步优化上述技术方案，如图6、9所示，所述下圆柱10与驱动电机底座11之间设有推力球轴承12，能够减小下圆柱10与驱动电机底座11之间的阻力；所述下圆柱10通过法兰连接件14与驱动电机13相连，所述驱动电机13设置于驱动电机底座11的内部，所述驱动电机底座11的顶部设有用于固定驱动电机13的安装孔20，所述驱动电机底座11的侧面设有与伸缩臂5相连的铰接口21，所述驱动电机底座11的底部设有用于与环形轨道3配合的弧形轨道接口22。

具体制作时，驱动电机底座11侧面的铰接口采用双耳结构，伸缩臂5两端的铰接口采用单耳结构，采用此种配合能够保证一个方向的转动自由度，用于解决环形轨道3和发电机4的高差问题。当然驱动电机底座11与伸缩臂5两端的铰接口也可以互换结构，同时与伸缩臂联结件7四周的铰接口相匹配。

同理，如图8、10所示，所述上连接件8与上圆柱9之间设有推力球轴承12，用于提供竖直方向的支撑力同时不影响上连接件8与上圆柱9之间的相对转动；所述上连接件8的顶部设有用于与环形轨道3配合的弧形轨道接口22，轨道接口22的内壁上设有若干个滚珠，借助滚珠能够减小马格努斯转子2与环形轨道3之间的阻力，确保马格努斯转子2能够沿着环形轨道3灵活移动。

在本发明的一个具体实施例中，如图5、11所示，所述锥齿轮组23包括两个垂直轴锥齿轮27和两个水平轴锥齿轮28，上下两个垂直轴锥齿轮27分别固定于上圆柱9的下端及下圆柱10的上端，两个水平轴锥齿轮28对称设置、且均与两个垂直轴锥齿轮27啮合；所述水平轴锥齿轮28的中心轴水平贯穿上圆柱9及下圆柱10内的中心杆设置。驱动电机13驱动下圆柱10发生转动，同时通过锥齿轮组23使上圆柱9同步发生转动，采用两组锥齿轮传动能够实现上圆柱与下圆柱的反向同速转动。

具体设计时，如图10、11所示，所述上圆柱9及下圆柱10均套装于中心杆29上，所述中心杆29上设有多个滚珠轴承15，所述上圆柱9及下圆柱10的内壁分别与滚珠轴承15的外圈相连，所述中心杆29的下端及靠近上端处均设有推力球轴承12；所述中心杆29上下贯穿上圆柱9设置，所述中心杆29的下端贯穿下圆柱10的顶部并延伸至下圆柱10的内部盲孔底部；所述垂直轴锥齿轮27的内孔与中心杆29上的滚珠轴承15外圈相连，能够保证上圆柱及下圆柱在中心杆上自由转动。中心杆29下端的推力球轴承12安装在下圆柱10的内部盲孔底部；上圆柱9的中心孔为台阶孔，中心杆29上靠近上端的推力球轴承12安装在中心孔的台阶面处，通过推力球轴承12提供竖直方向的支撑力同时不影响中心杆与上圆柱9及下圆柱10之间的相对转动。

作为一种优选结构，如图2、12所示，上下环形轨道3的上下两侧分别通过加强肋30与上下固定环31相连，能够形成上下两个支撑架，两个挡风外壳1分别固定于上下支撑架的外部。采用该结构的支撑架分别安装挡风外壳，同时提高风轮的整体强度。同时在两个挡风外壳之间设置连接柱，用于对两个挡风外壳提供支撑。

如图16-19所示，本发明提供的马格努斯垂直轴风力机的运行原理如下：

当来流风24经过上圆柱9或下圆柱10时，圆柱会产生一个垂直于来流风方向和圆柱轴向的侧向力26，侧向力的方向与圆柱转动方向25相关，如图16所示。当马格努斯转子2在环形轨道3上运动时，由于环形轨道3是倾斜布置的，因此马格努斯转子2在移动过程中会产生垂直高度差，由于挡风外壳1的作用，在最高点处的马格努斯转子2只有下圆柱10暴露在来流风24中，而处于最低点的马格努斯转子2只有上圆柱9暴露在来流风24中，如图17所示。由于上圆柱9和下圆柱10的转动方向25不同，而来流风24的方向不变，因此其产生的侧向力26方向相反，如图18所示。此时不同马格努斯转子2对发电机主轴19所产生的扭矩方向是一致的，进而带动电机主轴19转动产生电能。

当马格努斯转子2从环形轨道3最高点逐渐向最低点运动时，下圆柱10暴露在来流风24中的部分会越来越少，而上圆柱9暴露在来流风24中的部分则会越来越多，当马格努斯转子2运动到轨道中间高度位置时，此时上下圆柱在来流风24中暴露的部分相同，产生的马格努斯力相互抵消，此时马格努斯转子2整体不会体现出侧向力，并且此时马格努斯转子的侧向力26方向经过电机主轴19的位置，力臂为零，同样不会产生扭矩。当马格努斯转子2进一步运动时，上部圆柱9暴露在来流风24中的部分大于下部圆柱10暴露在来流风24中的部分，此时马格努斯转子2的侧向力方向改变，继续带动电机主轴19发生转动，如图19所示。

综上所述，本发明具有结构简单、能耗小、发电效率高的优点，采用固定在上下环形轨道外部的挡风外壳实现对气流方向的改变，进而改变马格努斯转子的上圆柱及下圆柱所受的侧向力，相比较于现有技术中的气流阻碍构件，结构简单；采用同轴双圆柱组成的马格努斯转子，上圆柱及下圆柱同步反向旋转，沿着倾斜放置的环形轨道移动不断改变马格努斯转子暴露在来流风中的部分，获取所需要方向的马格努斯力，利用马格努斯力来推动风轮转动发电，而不会产生负扭矩，提高了发电效率，降低了能耗。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (10)

1.一种马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：包括风轮和发电装置，所述风轮包括若干个马格努斯转子和上下两个同向倾斜的环形轨道，且上下两个环形轨道所在平面平行；所述马格努斯转子的数量为偶数、且由驱动电机驱动，所述马格努斯转子包括高度相同的上圆柱和下圆柱，所述上圆柱的下端与下圆柱的上端通过锥齿轮组相连，用于使上圆柱与下圆柱的转动方向相反；所述上圆柱的上端能够沿着上方环形轨道移动，所述下圆柱的下端能够沿着下方环形轨道移动，且若干个下圆柱的下端与发电装置相连；所述上圆柱及下圆柱的外部分别设有挡风外壳，两个挡风外壳分别与上下环形轨道相连，两个挡风外壳之间设有供来流风通过的间隙，所述间隙的轴向高度与上圆柱和下圆柱的高度相匹配。

2.根据权利要求1所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：所述上圆柱的上端通过上连接件与上方环形轨道滑动配合，所述下圆柱的下端设有用于容纳驱动电机的驱动电机底座，所述驱动电机底座能够与下方环形轨道滑动配合以及与发电装置相连。

3.根据权利要求2所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：所述发电装置包括发电机、伸缩臂和伸缩臂联结件，所述马格努斯转子的下端通过驱动电机底座与伸缩臂的一端相连，若干个伸缩臂的另一端均与伸缩臂联结件相连，所述伸缩臂联结件与发电机相连。

4.根据权利要求3所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：所述伸缩臂包括伸缩臂内杆和伸缩臂外杆，所述伸缩臂内杆和伸缩臂外杆的端部均设有铰接口，用于与驱动电机底座及伸缩臂联结件相连。

5.根据权利要求3所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：所述马格努斯转子及伸缩臂均为四个，所述伸缩臂联结件的边缘设有四个铰接口，分别用于与四个伸缩臂相连；所述伸缩臂联结件的中部设有与发电机主轴配合的轴孔。

6.根据权利要求3所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：所述下圆柱与驱动电机底座之间设有推力球轴承，所述下圆柱通过法兰连接件与驱动电机相连，所述驱动电机设置于驱动电机底座的内部，所述驱动电机底座的顶部设有用于固定驱动电机的安装孔，所述驱动电机底座的侧面设有与伸缩臂相连的铰接口，所述驱动电机底座的底部设有用于与环形轨道配合的弧形轨道接口。

7.根据权利要求6所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：所述上连接件与上圆柱之间设有推力球轴承，所述上连接件的顶部设有用于与环形轨道配合的弧形轨道接口，轨道接口的内壁上设有若干个滚珠。

8.根据权利要求1所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：所述锥齿轮组包括两个垂直轴锥齿轮和两个水平轴锥齿轮，上下两个垂直轴锥齿轮分别固定于上圆柱的下端及下圆柱的上端，两个水平轴锥齿轮对称设置、且均与两个垂直轴锥齿轮啮合；所述水平轴锥齿轮的中心轴水平贯穿上圆柱及下圆柱内的中心杆设置。

9.根据权利要求8所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：所述上圆柱及下圆柱均套装于中心杆上，所述中心杆上设有多个滚珠轴承，所述上圆柱及下圆柱的内壁分别与滚珠轴承的外圈相连，所述中心杆的下端及靠近上端处均设有推力球轴承；所述中心杆上下贯穿上圆柱设置，所述中心杆的下端贯穿下圆柱的顶部并延伸至下圆柱的内部盲孔底部；所述垂直轴锥齿轮的内孔与中心杆上的滚珠轴承外圈相连。

10.根据权利要求1-9任一项所述的马格努斯垂直轴风力机，其特征在于：上下环形轨道的上下两侧分别通过加强肋与上下固定环相连，能够形成上下两个支撑架，两个挡风外壳分别固定于上下支撑架的外部。