CN201433862Y - 悬臂式风力发电机的吸耦磁支系统的磁结构 - Google Patents

Abstract

一种悬臂式风力发电机的吸耦磁支系统的磁结构，由固定在机壳内的多种型式的固定磁体和箍套在旋转的转轴上的以空心磁盘为基体的旋转磁盘所构成，固定磁体对于下方的异磁性的旋转磁盘产生异性相吸的直接的磁吸力，使转轴受到向上吸拉的可控的支承力，以平衡于转轴的总重量，减小了机械轴承的径向的承压，另外，固定磁体与旋转磁盘处于横轴向的磁极耦合态，所隐含的磁耦合力赋予转轴以能抗御轴向位移的支承刚度，减小了不规则的风力的顶推，给机械轴承造成的轴向的无序的压力，所以，使机械轴承的各方位的承压负担显著地降低，有效地减少了机械轴承内的摩擦力与损耗及磨损，提高了发电效率，改善了运行性能，延长了工作寿命，本结构：简易，高效，可靠，实用。

Description

悬臂式风力发电机的吸耦磁支系统的磁结构

技术领域：

风力发电机、磁学、磁悬浮理论

技术背景：

具有横转轴格式的悬臂式风力发电机的薄弱环

节是机械轴承，它既受到连有风叶的转子等沉重的转轴对于机械轴承造成的很大的纵径向的下压力，又受到风力吹转风叶而通过转轴形成横轴向顶推压力和角度扭变，引起机械轴承内的摩擦力增大，损耗加大，磨损加快，降低了发电效率，也降低了整机的寿命，轴承磨损后造成松动，运行发生振动和噪声，所以使用寿命和质量远比理论的要小得多，一般风力发电机都是装在高处和偏远的风大的地区，要更换机械轴承极为困难，成本极高，这都是极大的弊端。此问题急得解决，可以采用相当于磁悬浮电机的磁悬浮轴承来取代机械轴承以克服摩擦力，如专利申请号：001136634.6和申请号：200610122794.9所述的，但结构复杂、调节困难、成本高；另一种既保留了原有机械轴承又加用了所谓的磁悬浮轴承以降低摩擦力，如专利200620022803.81所述，其纵径向采用耦合力，但其磁力利用率不高、结构仍然复杂、成本高，而专利200620022804.2所述，其结构已简化，但在横轴向处于不稳定状态，性能不全面，而某些有关：立式风力发电机中的磁悬浮轴承之类的专利，因其结构与悬臂式的很不相同，无法进行相提并论的对比及评述。

发明内容：

发明目的：发明一种悬臂式风力发电机的吸耦磁支系统的磁结构，用简单而实用的结构，一方面对沉重的转轴施加向上吸拉提升的非接触性的磁支承力，以减少转轴对于机械轴承的下压力负担，另一方面，还同时具有横轴向的耦合力，能够作为转轴在横轴向对抗位移的支承刚度，有效降低了风力对于机械轴承的顶推力的负担，这样就能减少机械轴承内部的承力负担，减少了摩擦力与损耗，减少了磨损，在提高发电效率的同时也延长了寿命，而本装置的结构简单，调试方便，成本低，效用全面。

具体技术方案：给沉重的转轴施加向上吸拉的非接触磁吸力的支承力降低机械轴承内的转轴的下压力以缓解纵径向的负担，采用至少二个永磁体的相对的异磁极性的磁极面之间的直接的磁吸力，此方案磁力利用率高、简单、易调节、成本低、效用好，具体的是至少一个磁体套在转轴上，另外，至少一个磁体位于转轴的永磁体的上方，二个相对应的永磁体的相对的磁极面是相互为异磁极性而产生磁吸力，装在转轴上的永磁体是采用磁环为基体的旋转磁盘，并随转轴而旋转，磁环上方的永磁体是装在机壳体内部相应部位处，称为固定磁体，固体磁体与下方的旋转磁盘之间有一纵径向开距，装有旋转磁盘的转轴受到上方固定磁体的异磁极性的磁极面的磁吸力，使套有旋转磁盘的转轴得到向上吸拉提升的磁支承力，以平衡于转轴的总的下落重力，调整磁结构，可以使这上下二个力基本上相接近，转轴可以处于失重状态的：准磁悬浮状态，则机械轴承所承受的转轴的纵径向的下压力可以减小到最小的程度，减少了摩擦力与损耗，此方法较为直接，易于采用。

把固定磁体与下方的旋转磁盘，在横轴向相对位置，相互处于磁极耦合态的方位上，此方位能态最低，属于稳定的位置，则隐含的磁耦合力能作为旋转磁盘和转轴的反抗因受外力而至使产生横轴向相对位置和角度扭变的稳定力源，因为风叶受劲风吹转而通过转轴向机械轴承施加横轴向顶推力和角度扭变时，旋转磁盘和转轴必然会由于偏离磁极耦合态的原位而发生横轴向的位移倾向，此时由于偏离了原来的能态最低的磁极耦合态方位而使能态提高，势必会产生一股耦合力，它与外力是相反方向的，会驱使套有旋转磁盘的转轴，返回到原位的能态最低的方位上去，形成了“反位移”的稳定力源，能够作为横轴向的支承刚度，这就是能态定位效应，可缓释风力造成机械轴承内的顶推力与角度扭变的负担。

由于上述的这种磁结构，它既产生了径向的向上吸拉的磁吸力的支承力，又有轴向的隐含磁耦合力的支承刚度，便称之为：吸耦磁支系统，调整磁结构，即，如果增大永磁体的体积和磁场强度，减小上下磁体的间隙，增大磁极的面积，改变磁体形状等，都可以增大磁支承力和支承刚度的大小值，以达到要求。

作为旋转磁盘的基体的磁环是空心的，并通过环内的非导磁环箍套在转轴上并随之而旋转，磁环有多种方式和结构，在结构上分为整件式和分立式，在置放的方式上有：横置式和竖置式，型式是：整体永磁体的磁环，它的横置式是：在横轴向具有二个相背的互为异磁极性的磁极面，它的竖置式是：具有纵径向二个相背互为异磁极性的磁极面，而分立式是由多个相同外形和相一致的磁极性的永磁体，通过连体而相互较密集的均匀地排列成一个环形，各磁体间有一间隙，它的横置式也是分立在各磁体的磁极面，在横轴向是相背而互为异磁极性的，而竖置式是各分立式和各个磁体都具有在纵径向的二个相背和互为异磁极性的磁极面，此种分立式可以代替整体性的使用，但在分立式的各个分散而有间隙的磁极面上贴装导磁体或导磁环，把各分立的磁极面通过良好的导磁而整合成较均匀的环形磁极面，以便能取代整体式的作用，另外导磁体可以把磁场导向，如在横磁侧面上贴装竖立的导磁体把磁场导向至纵径向，可以起到相当于竖立永磁体的纵径向的磁场面所起的作用。而磁环不论是整件或分立式，都可以在一个旋转磁盘的外周围处设置二个或二个以上的外形相同而环径不同的磁环，称为多环形，各环间有一间隙开距，相邻环在同一方向可以是互为异磁极性的。

固定磁体也是多种结构，和上述的磁环的结构相仿，也能区分为整件式、分立式、横置式和竖置式，原理同上，当然在分立式的固定磁体上也可以加装导磁体，不同结构的旋转磁盘和不同结构的固定磁体之间的相互搭配，而组成的磁支系统，是有多种磁结构的方式的，而各有其用。

一种是整件固定磁体的横置式磁体与整件的旋转磁盘的磁环的横置式磁环的磁支系统，二者都具有横轴向的二个互为异磁极性的磁极面，但固定磁体在一个轴向的磁极面的磁极性是互为异磁极性的，因而相互成为双侧双吸的磁结构，并也形成了：有两个磁吸力的合力，还相互处于隐含耦合力的磁极耦合态；一种是：下方的旋转磁盘是横置式的，上方的固定磁体是具有二个竖立的纵径向的磁极面，此二个磁极面与下方的旋转磁盘的横向的二个磁极面，分别地相对应，而旋转磁盘的横向磁极面也可以通过竖置的导磁体，而把横向磁场导向成为纵径向磁场，与固定磁体的二个纵向磁场的磁极面相对应，这样，磁支承力及支承刚度都较强；在一组磁支系统中，与旋转磁盘相对应的上方固定磁体可以不止一个，它们都分布在上方而对于中线是具对称分布，不止一个的固定磁体对下方的旋转磁盘是分别而同时产生磁吸力的合力，横向分力由于对称分布而相互抵消，纵向合力成为合力，分布的方式和效果是：分布位置越靠近中线，则上吸分力越大，以此调整上吸磁力的合力大小值，多个固定磁体都处于磁极耦合态，支承刚度为各分支承刚度的总和。

在一个固定磁体的竖置方式的结构上也可以成为多极形，即在纵径向的面朝下方的旋转磁盘的方向上，具有不止一个磁极面，此磁极面都可由整体或分立式的磁体形成，各磁极面之间有轴向开距，各相邻磁极面也可以是互为异磁极性，磁极面相对应而互为异磁极性，同样具有双侧双吸的效果，采用多极形的固定磁体与多环形的旋转磁盘组成磁支系统，效果较好，但上方固定磁体的各磁体的磁极面需和下方旋转磁环各环的磁极面相对应并都互为异磁极性，并相互处于磁极耦合态，这样所述的向上的磁支承力为各分磁支承力总和，支承刚度也是总和，效果大增，并且如果采用上述各相邻的磁极性是互为异磁极性，则易于形成磁路的顺路畅通，增大磁性，且在磁耦合力方面形成吸斥磁路，支承刚度增加。所述的磁极耦合态很有讲究，它是指：旋转磁盘和上方的固定磁体相互处于在横轴向方位的稳定状态的位置上，此位置是能态最低的方位，如果因受外力而发生偏离磁耦合态方位，则能态提高，会产生一股耦合力，此力与外力方向相反，驱使旋转磁盘退回至原位能态最低的位置上去，这就是能态定位效应，这就赋予旋转磁盘具有对抗轴向位移和角度扭变的支承刚度，其具体的磁结构是，当固定磁体的竖立永磁体的磁中芯线与竖式磁环的磁中芯截面相交时，以及当固定磁体的竖立永磁体的磁中芯截面与旋转磁盘的横式磁环的磁中间截面相重叠时，都是磁极耦合态，而当多极形固定磁体与多环形旋转磁盘组合成为磁支系统时，二者各自的每一极与相对应的每一极，就都处于各自的磁极耦合态之中，形成组合的支承刚度，刚性大增。说述的磁支系统，在悬臂式风力发电机中可以不止一组地被采用。

有益效果：

磁支系统的采用，能有效地减轻机械轴承的负担，减小磨擦力，提高发电效率，减小磨损，延长机械轴承和整机的寿命，亚优化运行性能，且结构简单，调试方便，成本低.

附图说明：

编号：0，中线  1，转轴  2，发电机转  3，风叶  4，机械轴承  5，旋转磁盘  6，磁环  7，非导磁环  8，机壳9，固定磁体，15，永磁体，16，导磁体，Z₁：固定磁体的竖立永磁体的磁中芯线，11A和11B，磁环的磁极面，12A和12B，固定磁体的磁极面，Z₂，旋转磁盘的竖置磁环的磁中芯截面M₁固定磁体的横置永磁体的磁中芯线，M₂，旋转磁盘的横置磁环的磁中芯截面，N₁，固定磁体的二个竖置永磁体的磁中芯线

附图：

图1，磁支系统的磁结构总图案图2，磁支系统的横轴向侧图

图3，旋转磁盘的磁环的分立式的竖置磁环结构图图4，多极形固定磁体和多环形旋转磁盘的磁支系统图图5磁极耦合态的磁结构图

具体实施方式：

实施例1：磁支系统的磁结构之一的总图见图1

风力发电机的横式的转轴1上连有风叶3和转子2以及机械轴承4和旋转磁盘5，固定磁体9位于旋转磁盘5的上方并固定在机壳8内中，旋转磁盘5与上方的固定磁体9之间有一纵径向间隙开距，而旋转磁盘5是由磁环6通过环内的导磁环7箍套在转轴1上并随之的旋转，磁环6具有二个互为异磁极性的磁极面11A和11B，固定磁体9具有二个互为异磁极性的磁极面12A和12B，11A和12A以及11B和12B都是相互为异磁极性的，所以同时产生双侧双吸的磁吸力，而成为对沉重的转轴1的向上的磁支承力，套有旋转磁盘5的转轴1对于机械轴承4的纵径向的下压力得以缓释，减少了摩擦力与损耗，由图1可见，磁支系统采用了二组，一组在风叶3旁，另一组在尾部，此二组的旋转磁盘5与磁环6都是整件的横置式的，在轴向的纵径向的二个磁力面12A和12B是相对应而又互为异磁极性而相吸引，具有二个相背而互为异磁极生的磁极11A和11B，11A和11B与上方固定磁体9形成对于连有旋转磁盘5的转轴1的双侧双吸的向上吸拉提升的上吸磁支承力，二组磁力装置一头一尾，共同产生上吸磁支承合力，调整磁结构使总的向上的支承力接近于转轴的总重量并达到首尾受力平衡，则转轴1可以达到理论上的“失重”状态的准磁悬浮态；另外在图1的左侧尾部的磁支系统的旋转磁盘5与磁环6可见，在横轴向的磁极面上加装导磁体16，它竖立放置，把横向磁场导向纵径向，与上方的固定磁体9的二个竖置的永磁体15的纵径向的朝下的磁极面相对应，则相互作用的磁力更强.

由图1可见，由于这二个磁支系统的固定磁体9的二个竖置磁极面的磁中芯截面N₁(在图视方面视为直线投影)与下方的旋转磁盘5的横置磁环6的磁中芯截面M₂相重叠，则下方旋转磁盘5与上方的固定磁体9相互处于磁极耦合态，旋转磁盘5与转轴1在横轴向隐含的耦合力能够作为转轴1反抗风叶3受劲风吹转而对机械轴承4造成顶推力和角度扭变的稳定力源，具有能态定位效应，二个磁支系统同时采用也使支承刚度增加，刚性大增。

实施例2：磁力装置的横轴向侧面图见图2

这是图1的磁支系统的侧面图，编号及原理一样，不再重复，但由图2可见，上方的固定磁体9是二块的格式的，分别是9A和9B，这二块均匀分布在中线O的两侧，9A和9B都对下方的旋转磁盘5产生上吸磁支承力，但由于力是斜向的F_A和F_B，分解为纵径向垂直力F_A1和F_B1，这二股力合成总的上吸的总的支承磁力，而横轴向分力F_A2和F_B2由于是上述均匀分布而二股力方向相反和大小相等而相互抵消，由于9A和9B都同时和旋转磁盘5处于磁极耦合态，上述的总的支承刚度的刚性是二者之和，但9A和9B如果均匀地向中线O靠拢，纵向上的F_A1和F_A1和增大，合力增大，反之就减小，来调整上吸磁支承合力的大小值。

实施例3：旋转磁盘的磁环的分立式装置磁环结构图图3

径向为竖置的磁极面在径向的多个外形相同的磁性一致的永磁体15通过连体导磁体16而较密集和均匀地分布，在外圆周处成为空心圆环形分立式磁环6的旋转磁盘5，外周处的导磁体16形成圆环形，把各个分散的永磁体15的径向分散的各个磁极面导磁成为较均匀的整体性的磁极面，以代替整件式的磁环.

实施例4：多极形固定磁体和多极形旋转磁盘的磁支系统见图4旋转磁盘5的纵径向的磁极面分别由三个竖置磁环6组成，此三者间有间隙距，一般常用为相邻磁环互为异磁极性，各磁环6的下端用导磁体16相贴连组合以形成下部的磁通路，可增强相互的磁性与磁力，分立式磁环6上端加装导磁体16以代替整环形，上方的固定磁体9也相应采用多极形，由整体或分立式的竖置永磁体15组合成三个具有纵径向磁极面的多极形，上下极性相反，产生三股同时向上的磁吸力的合力，上下磁极面严格对应，即间隙一致，同样由于固定磁体9的磁中芯线Z₁与下方旋转磁盘5的磁环6的磁中间截面Z₂相交叠而分别都处于磁极耦合态而支承刚度及刚性增大。

实施例5磁耦合态的磁结构图见图5中各分图

图5A所示的是：固定磁体9的竖立永磁体15，它15的纵径向的上下二个互为异磁极性的磁极面的磁性最强之处，是在它15的中心处的磁中芯线Z₁的方位处。

图5B是图5A的固定磁体9的竖立磁体15与下方的旋转磁盘5的竖立磁环6组成的磁支系统，Z₂为磁环6的磁中芯截面，当Z₁和Z₂二者相交时，处于磁极耦合态。

图5C为磁体9的横置永磁体15的磁中间截面M₁，即为横轴向的二个相背的互为异磁极性的磁极面的中间方位的截面M₁，

图5D1为M₁的侧视图，M₁视为直线；在图5D2中，M₂为旋转磁盘5的横式磁环6的磁中间截面，当上方的固定磁体9的横置式永磁体15与下方的旋转磁盘5的横式磁体6组成磁支系统时，M₁与M₂相重叠时，呈磁极耦合态。

Claims (8)

1，一种悬臂式风力发电机的吸耦磁支系统的磁结构，由至少二个而组成至少上下一对的相对应的相互吸引的永磁体构成，其特征在于所述的二个永磁体是指，至少一个旋转磁盘或至少一个固定磁体组成一组吸耦磁支系统，所述的旋转磁盘是由外周处的圆形的空心磁环通过其环内的非导磁环而箍套在风力发电机的转轴上并随着转轴的转动而旋转，所述的固定磁体是至少一块永磁体安装在风力发电机的机壳内相应处，旋转磁盘与上方的固定之间有一纵径向间隙开距，固定磁体与下方所对应的旋转磁盘至少各具一个而组成至少一对的上下相对应而面对面的互为异磁极性的磁极面，因而，套有旋转磁盘的转轴受到了上方的固定磁体的向上吸拉的磁支承力，并由于旋转磁盘和固定磁体相互处于磁极耦合态，所述的转轴被赋于横轴向的支承刚度。

2，根据权利要求1所述的一种悬臂式风力发电机的吸耦磁支系统的磁结构，其特征在于所述的旋转磁盘的磁环，在结构上分为整件式和分立式，在置放的方式上分为横置式和竖置式，所述的整件式是由一块永磁体制成的整件的磁环，分立式是由多个永磁体合成的磁环，所述的横置式磁环是在横轴向具有二个相背的互为异磁极性的磁极面，所述的竖置式磁环是在纵径向具有二个相背的互为异磁极性的磁极面。

3，根据权利要求2所述的磁环的结构，其特征在于所述的竖置式的分立式的旋转磁环是由多个具有相同外形和一致性磁极性的磁极面的竖置永磁体通过连体而相互较密集和均匀地分布在圆周上而成为圆环形，并共同形成了在纵径向二个相背的互为异磁极性的磁极面。

4，根据权利要求2所述的磁环的结构，其特征是在于在所述分立式磁环各个分散的永磁体的磁极面上贴装有导磁体。

5，根据权利要求1所述的一种悬臂式风力发电机的吸耦磁支系统的磁结构，其特征在于所述的旋转磁盘是指多环结构，即，它是由至少二个竖置的磁环通过连体而整合成的多环形结构，多环形结构中的各个磁环具有纵径向的同一的高度，并在横轴向，各环之间有一定的间隙开距，形成了纵径向的多个磁极面，并一起随着转轴的转动而旋转，此多环形结构的相邻的磁环的磁极面在同一纵径向是互为异磁极性的。

6，根据权利要求1所述的一种悬臂式风力发电机的吸耦磁支系统的磁结构，其特征在于，所述的固定磁体在结构上是分为整件式和分立式，在置放的方式上是分为横置式和竖置式；由横置式的固定磁体和下方的横置式磁环的旋转磁盘所组成的磁支系统，这二者上下相对应的轴向的磁极面是互为异磁极性，形成了双侧双吸的磁支系统的磁结构。

7，根据权利要求1所述的一种悬臂式风力发电机磁支系统的磁结构，其特征在于所述的磁结构是指，旋转磁盘的磁环是横置式的，而固定磁体是竖置式的并由二排竖立的永磁体构成，这二排竖立永磁体在纵径向的磁极面是互为异磁极性的并分别与下方的横置式磁环的轴向的二个磁极面相对应，且又相互为异磁极性的，因此，固定磁体的竖置的永磁体的纵向磁极面和旋转磁环的磁极面相互是异性相吸，同时，也形成了双侧双吸的磁结构。

8，根据权利要求6所述的分立式的固定磁体，其特征在于所述的固定磁体的分立式结构是指多排竖置的永磁体由连体整合成具有多条纵向磁极面的结构，每一条内的各竖立永磁体的外形及磁性是相同的，各条磁极面之间有一定的横轴向间隙开距，且各相邻磁极面是互为异磁极性的；这多极形的固定磁体和多环形旋转磁环的旋转磁盘所构成的磁支系统，所述的磁支系统中的固定磁体的各条纵径向的磁极面，和下方的多环形的旋转磁环的各个环的纵向的磁极面是分别地相对应的，且是互为异磁性的。

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