CN202906701U - 一种风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机，包括线圈组件、磁钢组件、转轴和叶轮，线圈组件的两侧外均设置有磁钢组件，线圈组件为圆盘形，圆盘形线圈组件上设置有用于切割磁感线的电路，磁钢组件包括磁钢和磁轭，磁钢和磁轭为圆盘形，磁钢上均匀间隔设置有复数块磁极，磁钢设置于磁轭的一侧，磁轭上设置有磁钢的一面朝向线圈组件，转轴穿过线圈组件和线圈组件两侧的磁钢组件的圆心，并且磁钢组件的磁轭的圆心与转轴连接，叶轮连接于转轴上。本实用新型的有益效果为：通过本实用新型的设计，使得磁场密度大、均匀度高；线圈可以多组输出、任意组合；风能利用率高、启动风力低。

Description

一种风力发电机

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电机，具体来说是一种启动力小、适应转速(风力)范围广，能量利用率高，结构轻巧，造价低廉，发热量小的风力发电机。

背景技术

风能是一种可再生新能源，具有无污染、环保等优点。在现在这个提倡节能环保的时代，如何利用风能已经是一个很重要的研究课题。现有技术中，风力发电机已经被广泛的应用，但是现在的风力发电机还存在着诸多的缺陷，例如：风力发电机的启动力矩较大，在风力较小的时候，风力发电机的叶轮转动不起来，从而使得发电机不能运转；在风力较大的时候，为了防止转子的过速运转，不得不改变风叶的角度，以减少风能的利用；在更大风力的时候，还不得不停止工作，由此造成风能的利用率很低。还有传统的风力发电机采用常规的绕组形式和磁钢的组合安装方式,在发电机工作时,不可避免的产生大量的热量,这些主要有：由轭铁产生的涡流发热，变速箱等机械传动产生的摩擦发热，导线电阻发热。并且主要的热量是由前两个产生，这样直接导致发电机内部的温度很高，影响使用。本实用新型可以去除涡流发热和变速箱等机械传动的发热.

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中风能发电机所存在的问题，提供一种启动力小、发热量小的风力发电机来解决上述问题。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种风力发电机，包括线圈组件、磁钢组件、转轴，所述线圈组件的两侧外均设置有磁钢组件，其特征在于，所述线圈组件为圆盘形，所述圆盘形线圈组件上设置有用于切割磁力线的导线，所述磁钢组件包括磁钢和磁轭，所述磁轭为圆盘形，所述磁钢可以为多极充磁的一块磁钢,也可以以均匀间隔设置有数块磁钢或数组磁钢组成圆盘形，磁轭也为圆盘形，磁钢设置于磁轭的一侧，所述磁轭上设置有磁钢的一面朝向线圈组件，所述转轴穿过线圈组件和线圈组件两侧的磁钢组件的圆心，并且磁钢组件的磁轭与转轴固定连接，转轴由风叶等动力源驱动。

上述的一种风力发电机，其特征在于，对于小型和微型发电机,所述线圈组件可以为PCB板，所述PCB板可以是单面,双面或多层PCB板,或多组PCB板,均蚀刻有电路。

上述的一种风力发电机，其特征在于，对于大型和超大型发电机,所述线圈组件可以为中空导线线路，并且中空导线内有冷媒经过，进一步为空心铜管线路，空心铜管内可以通水或油进行冷却。

上述的一种风力发电机，其特征在于，对于一般的发电机,所述线圈组件可以为普通电磁线线路。

上述的一种风力发电机，其特征在于，包括两个以上线圈组件，所述磁钢组件的数量是线圈组件的两倍，一个线圈组件与它两侧的磁钢组件构成一个发电模块，发电模块与发电模块之间相互连接。

上述的一种风力发电机，其特征在于，包括一个或两个以上线圈组件，所述每个磁钢组件均在朝向线圈组件的面产生多对N-S磁极,两个磁钢组件N极和S极相对安装,中间留有安装线圈组件的空间.磁钢组件在转轴的带动下,相对线圈组件产生交变磁场，一个或几个线圈组件构成一个发电模块，发电模块与发电模块之间相互连接。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述发电模块与发电模块之间的电路通过串联连接。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述发电模块与发电模块之间的电路通过并联连接。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢由包括复数块磁铁组成。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁铁的磁极排布如下：一块或一组或一部分N极朝向线圈组件的磁铁和一块或一组或一部分N极朝向磁轭的磁铁间隔设置。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁铁的磁极排布如下：一块或一组N极朝向线圈组件的磁铁和一块或一组N极朝向磁轭的磁铁间隔设置，N极朝向线圈组件的磁铁两侧还设置有两块或两组N极45°朝向中间的磁铁。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁铁的磁极排布如下：一块或一组N极朝向线圈组件的磁铁和一块或一组N极朝向磁轭的磁铁间隔设置，N极朝向线圈组件的磁铁两侧还设置有两块或两组N极水平朝向中间的磁铁。

上述的一种风力发电机，其特征在于，所述线圈组件、磁钢组件外设置有外壳。

本实用新型的有益效果为：通过本实用新型的设计，使得磁场密度大、均匀度高；发电机整机结构紧凑,重量轻；噪音小运行平稳；机械损耗小,维护成本低,使用寿命长；线圈可以多组输出、任意组合；风能利用率高、启动风力低,对风能的适应范围大。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的剖视图。

图2为本实用新型实施例2的剖视图；

图3为本实用新型的磁钢的正面结构图；

图4为本实用新型的线圈组件的其中一个实施方式示意图；

图5为本实用新型的线圈组件的另外一个实施方式示意图；

图6为磁钢上磁铁的磁极排布其中一个实施方式示意图；

图7为磁钢上磁铁的磁极排布另外一个实施方式示意图。

具体实施方式

为使对本实用新型的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

实施例1：

参看图1，一种风力发电机，包括线圈组件100、磁钢组件200、转轴300和叶轮(图中未示)，线圈组件100的两侧外均设置有磁钢组件200。

参看图4，线圈组件100为圆盘形，圆盘形线圈组件100上设置有用于切割磁力线的导线110，在本实用新型的其中一个优选实施方式中，线圈组件100为PCB板，PCB板的两侧表面均蚀刻有电路，对于一般的发电机,线圈组件100可以为普通电磁线线路。

参看图1和图3，磁钢组件200包括磁钢210和磁轭220，磁钢210和磁轭220均为圆盘形，磁钢210可以为多极充磁的一块磁钢,也可以以均匀间隔设置有数块磁钢或数组磁钢组成圆盘形，当磁钢210上均匀间隔设置有复数块磁铁211，磁钢210就是由复数块磁铁211组合在一起形成的一块整体的磁钢210，磁钢210设置于磁轭220的一侧，磁轭220上设置有磁钢210的一面朝向线圈组件100，转轴300穿过线圈组件100和线圈组件100两侧的磁钢组件200的圆心，并且磁钢组件200的磁轭220的圆心与转轴300固定连接，叶轮连接于转轴300上。

工作的时候，风力带动转轴300旋转，转轴300带动磁钢组件200的磁轭220旋转，磁轭220再带动设置于磁轭220上的磁钢210旋转，而此时，线圈组件100两侧外的磁钢组件200之间产生磁场，并且磁钢组件200还在旋转之中，所以线圈组件100上的电路110开始切割磁力线，从而达到切割磁力线发电的效果。

参看图6，为了增强磁钢组件200之间的磁场强度，在本实用新型的其中一个优选实施方式中，磁钢210上的磁铁211的磁极排布如下：N极朝向线圈组件100的磁铁211和N极朝向磁轭220的磁铁211间隔设置，N极朝向线圈组件100的磁铁211两侧还设置有两块N极45°朝向中间的磁铁211。

参看图7，为了增强磁钢组件200之间的磁场强度，在本实用新型的另外一个优选实施方式中，磁钢210上的磁铁211的磁极排布如下：N极朝向线圈组件100的磁铁211和N极朝向磁轭220的磁铁211间隔设置，N极朝向线圈组件100的磁铁211两侧还设置有两块N极水平朝向中间的磁铁211。

通过以上两种磁极排布的组合，可以提高磁场的强度40%左右，达到了聚合磁场的效果。

参看图5，由于本实用新型的发电机在工作的时候，由于磁轭220不会产生涡流发热，机械传动产生的摩擦发热仅仅为轴承的发热，所以发电机产生的热量很少,仅仅是导线线圈组件100发热，为了进行降温，本实用新型的线圈组件100也可以为普通电磁线,也可以为空心铜管110线路，空心铜管110内有冷水经过。首先铜材质的散热效果就很好，其次在空心铜管110内有冷却水流过，能够起到水冷的效果。

在本实用新型的其中一个优选实施方式中，线圈组件100、磁钢组件200外设置有外壳。

实施例2：

参看图1，一种风力发电机，包括线圈组件100、磁钢组件200、转轴300和叶轮(图中未示)，线圈组件100的两侧外均设置有磁钢组件200。并且在本实施例中，风力发电机包括两个以上线圈组件100，磁钢组件200的数量是线圈组件100的两倍，一个线圈组件100与它两侧的磁钢组件200构成一个发电模块400，发电模块400与发电模块400之间相互连接。

参看图4，线圈组件100为圆盘形，圆盘形线圈组件100上设置有用于切割磁力线的电路110，在本实用新型的其中一个优选实施方式中，线圈组件100为PCB板，PCB板的两侧表面均蚀刻有电路，对于一般的发电机,线圈组件100可以为普通电磁线线路。

参看图1和图3，磁钢组件200包括磁钢210和磁轭220，磁钢210和磁轭220均为圆盘形，磁钢210可以为多极充磁的一块磁钢,也可以以均匀间隔设置有数块磁钢或数组磁钢组成圆盘形，当磁钢210上均匀间隔设置有复数块磁铁211，磁钢210就是由复数块磁铁211组合在一起形成的一块整体的磁钢210，磁钢210设置于磁轭220的一侧，磁轭220上设置有磁钢210的一面朝向线圈组件100，转轴300穿过线圈组件100和线圈组件100两侧的磁钢组件200的圆心，并且磁钢组件200的磁轭220的圆心与转轴300固定连接，叶轮连接于转轴300上。

工作的时候，风力带动转轴300旋转，转轴300带动磁钢组件200的磁轭220旋转，磁轭220再带动设置于磁轭220上的磁钢210旋转，而此时，线圈组件100两侧外的磁钢组件200之间产生磁场，并且磁钢组件200还在旋转之中，所以线圈组件100上的电路110开始切割磁力线，从而达到切割磁力线发电的效果。

并且由于本实施例中，一个风力发电机包含有多个发电模块400，而发电模块400与发电模块400之间的电路可以通过串联连接也可以通过并联连接。这样的设计在外部风力较大时，可以采用将发电模块400与发电模块400之间的电路并联连接，这样不仅保证了输出电压，保护了电路，同时还可以提高输出功率；在外部风力较小时，可以采用将发电模块400与发电模块400之间的电路串联连接，这样可以增大电压，在外部风力很小的情况下也能达到供电的效果。

参看图6，为了增强磁钢组件200之间的磁场强度，在本实用新型的其中一个优选实施方式中，磁钢210上的磁铁211的磁极排布如下：一块N极朝向线圈组件100的磁铁211和一块N极朝向磁轭220的磁铁211间隔设置，N极朝向线圈组件100的磁铁211两侧还设置有两块N极45°朝向中间的磁铁211。

参看图7，为了增强磁钢组件200之间的磁场强度，在本实用新型的另外一个优选实施方式中，磁钢210上的磁铁211的磁极排布如下：一块N极朝向线圈组件100的磁铁211和一块N极朝向磁轭220的磁铁211间隔设置，N极朝向线圈组件100的磁铁211两侧还设置有两块N极水平朝向中间的磁铁211。

通过以上两种磁极排布的组合，可以提高磁场的强度40%左右，达到了聚合磁场的效果。

参看图5，由于本实用新型的发电机在工作的时候，由于磁轭220不会产生涡流发热，机械传动产生的摩擦发热也仅仅是轴承的发热，导线线圈组件100的发热量很小，为了进行降温，本实用新型的线圈组件100也可以为空心铜管110线路，空心铜管110内有冷水经过。首先铜材质的散热效果就很好，其次在空心铜管110内有冷却水流过，能够起到水冷的效果。

在本实用新型的其中一个优选实施方式中，线圈组件100、磁钢组件200外设置有外壳。

本实用新型的有益效果为：

（1）目前的风力发电机,由于采用常规的绕组形式和磁钢的组合安装方式,在发电机工作时,不可避免的产生大量的热量,这些主要有:由轭铁产生的涡流发热,机械传动产生的摩擦发热,导线电阻发热.并且主要的热量是由前两个产生.本实用新型磁钢固定在轭铁上,并和轭铁一起固定在转轴上,在一对磁钢的气隙中间产生恒定均匀的磁场,没有涡流发热.由于是风叶直接带动转轴,没有增速机构,机械摩擦仅仅是轴承的摩擦,所以摩擦发热就会很小.因此本实用新型的结构设计决定了整套发电机的发热量比起常规设计,会大大减少,对冷却的要求就会降低很多很多。

（2）本实用新型的磁钢组合和安装方式,使磁钢的磁能的利用率有极大的提高.磁钢几乎所有的磁场都集中在两组磁钢和轭铁组成的气隙中间,杂散磁场很小.气隙内磁场强度均匀,强度大,大型的风力发电机可以达到12000Gs以上,微型的风力发电机也可以达到6000Gs以上.高而均匀的磁场可以提高风电的效率,为后续的整流和变流提供稳定和充沛的能源。

（3）由于风力的不稳定性,风力有时很小,有时又很大,风能和风速的立方成正比.因此,常规设计的风力发电机,能利用的风速范围很窄.风速低了,启动不了,风速高了,恐烧毁设备,要强制停机.本实用新型可以解决这个问题,使风力发电机对风速要求大大降低,风速的可利用范围大大提高.具体的方法是:每个风力发电单元多组线圈输出,整套风力发电机的输出组数就会很多.再由外围的控制系统根据每组线圈的输出电压,进行不同数量的线圈输出串联,以达到一定范围内相对稳定的输出电压.再把这些达到要求输出电压的线圈组进行并联,就达到了增大输出功率的目的,尽可能高的利用了风能.例如:在最低风速时,可以有360个线圈串联,输出380伏电压,在高风速时,2个线圈串联就能达到380伏电压,这时可以有180组并联输出,输出极高的功率。

（4）通常的风力发电机设计,由于整机的发热很大,需要采用的磁钢要求很高,要求有高的磁能积和很高的Hc(矫顽力)才能正常稳定的长期工作,而这种磁钢的价格很高,这就造成了整台风力发电机的成本很高.本实用新型对磁钢的要求就不高,使用N牌号或M牌号的钕铁硼磁钢就能正常工作.在磁钢的费用上,可以节约50%左右.而按常规设计,使用SH牌号的钕铁硼,整台风力发电机的磁钢成本通常在25%左右。

（5）以前通常设计的风力发电机,它的磁钢是安装在转子的圆周上,转子在高速转动时,会产生很大的离心力,这就要求一方面磁钢必须安装得非常牢固,以防止磁钢松动,又要非常小心,以防止过分大的锁紧力对磁钢造成损伤.另一方面,由于转子的长度比较长,整个转子必须做动平衡试验,耗费的时间和费用很高.本实用新型磁钢安装在薄圆片的平面上,长径比很小,只要做静平衡就可以了.方便了磁钢的安装和调试.另外转子工作时受力方向也和常规的完全不同,只是受到侧向的力,而这种力是很容易消除的.另外两组磁钢和轭铁相对组装,它们之间的气隙中,磁场强度均匀,强度高,并且可以根据不同的线圈尺寸,调整不同的气隙,很方便线圈的设计。

（6）通常设计的风力发电机,由于线圈是嵌在矽钢片的线槽内,矽钢片和磁钢之间的吸引力很大,并且有死点.这样风力发电机的启动必须要有很大的风力.同时,根据资料,目前的风力发电机的最大可以利用的风力也很低,大约到10级风,再大就不能利用.本实用新型的线圈中没有铁磁性材料,线圈和磁铁没有作用力,所以很小的风力就可以启动发电机.并且,通过线圈输出的不同组合,可以承受极高的输出功率.这样风力发电机的工作范围向风力小和风力大两个方向扩展,大大地提高了风能的利用率,也提高了风力发电机的利用率,很大程度上节约了风力发电的成本。

（7）如前面所介绍,在本实用新型中,在风速很低时,主轴的转速很慢,这时每组线圈的输出电压很低,这时很低的电压是几乎没有利用价值的,但是如果把几百个线圈输出的电压串联起来(即电压加起来),就可以得到一定电压值的有利用价值的输出.在很高风速时,主轴的转速很高,这时一个线圈的输出电压就有可能达到上百伏特甚至几百伏特,这样只有几个或者一个线圈的输出就达到了输出要求,这时把几个线圈串联成一组再并联甚至每个线圈都并联起来,风力发电机就有了极高的输出功率.把风力发电机的定子线圈分成多组线圈,再分别连接到控制系统,控制系统根据每组线圈的输出电压大小,进行分组,进行串联或并联,可以极大改善风力发电机的工作状况,提高了风力发电机的性能,风力发电机的输出能量可以有几百倍的变化。

（8）线圈在几乎平行的磁场中直接做切割磁力线运动,由于线圈中没有铁芯,转子磁铁不会被常规设计中线圈里的铁芯吸引.所以理论上,本实用新型的风力发电机,可以在极微的风力中启动,只要克服轴承的阻力既可以工作。

（9）按照前面的介绍,本实用新型的风力发电机,其输出的功率从最小到最大,可以有1000倍的差距.所以它最低可以在2级风力正常工作,也可以在11级甚至以上的强风中工作.在强风中工作时,由于没有齿轮增速机构,风叶的转速也不会无限提高,因此不会出现发电机转子打飞车的现象。

（10）在本实用新型中,由风叶直接驱动发电机的转子,发电机的构造及其简单,只有轭铁和磁钢组成的转子,定子线圈,定位转子和线圈的机壳,适当的冷却系统组成,所以整个发电机的结构很紧凑,发电机的重量很轻.这对发电机的安装和维护产生了极大的方便.并大大的节约了制造成本。

（11）由于在大多数时候,风力比较小,风叶的转速会很低.因此常规的风力发电机的设计,需要有很多齿轮组成的增速机构,来提高转子的转速,达到可利用的输出电压,这样在齿轮传动过程中,造成了很多的能量损失,增加了发热,磨损,噪音等.本实用新型中,由于采用了独特的线圈分多组和有控制系统智能组合的办法,使得发电机转子在很低的转速下,也能得到可利用的输出电压,所以可以把齿轮增速机构省略,同时,在强风下发电机的转子也不会出现飞车现象.这样,在机械传动的能量损耗就就会没有了,运行中由机械产生的噪音也消失了,发电机的自重也省去了一大半,造价也低了很多.而且去掉了机械增速部分,发电机的维护周期也变得很长很长.常规的风力发电机,齿轮增速部分是经常出故障的地方。

（12）在本实用新型中,由于没有了涡流发热,机械的摩擦发热,所有的仅仅是线圈有电流流过时欧姆发热,因此发电机的发热功率大大减少,发出的热量也大大减少,这样冷却系统的负担就很轻,冷却系统就可以设计得很简单。

（13）在本实用新型中,由于发热少,冷却系统可以很简单,甚至不需要冷却系统,因此可以把发电机生产成密封型的,这样对延长发电机的寿命有很大的帮助.同时由于没有机械传动部分,发电机运行是噪音也有极大的降低。

（14）在示意图中可以看出,本实用新型设计简单,加工方便,组装简便,因此发电机的生产成本低廉。

（15）本实用新型涉及一种发电机,可以应用于稳定能源,如水力发电,汽轮发电,也可以应用在不稳定能源,如风能,潮汐能,波浪能等.发电机的应用范围很广。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种风力发电机，包括线圈组件、磁钢组件、转轴和叶轮，所述线圈组件的两侧外均设置有磁钢组件，其特征在于，所述线圈组件为圆盘形，所述圆盘形线圈组件上设置有用于切割磁力线的导线，所述磁钢组件包括磁钢和磁轭，所述磁钢和磁轭为圆盘形，磁钢设置于磁轭的一侧，所述磁轭上设置有磁钢的一面朝向线圈组件，所述转轴穿过线圈组件和线圈组件两侧的磁钢组件的圆心，并且磁钢组件的磁轭的圆心与转轴固定连接，所述叶轮连接于转轴上。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机，其特征在于，所述线圈组件为PCB板，所述PCB板的表面均蚀刻有电路。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机，其特征在于，所述线圈组件为下列其中之一：普通电磁线线路；中空导线线路，并且中空导线内有冷媒经过。

4.根据权利要求2或3所述的一种风力发电机，其特征在于，包括两个以上线圈组件，所述磁钢组件的数量是线圈组件的两倍，一个线圈组件与它两侧的磁钢组件构成一个发电模块，发电模块与发电模块之间相互连接。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电机，其特征在于，所述发电模块与发电模块之间的电路通过串联连接。

6.根据权利要求4所述的一种风力发电机，其特征在于，所述发电模块与发电模块之间的电路通过并联连接。

7.根据权利要求5或6所述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁铁的磁极排布如下：N极朝向线圈组件的磁铁和N极朝向磁轭的磁铁间隔设置，N极朝向线圈组件的磁铁两侧侧还设置有两块N极45°朝向中间的磁铁。

8.根据权利要求5或6所述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢上的磁铁的磁极排布如下：N极朝向线圈组件的磁铁和N极朝向磁轭的磁铁间隔设置，N极朝向线圈组件的磁铁两侧侧还设置有两块N极水平朝向中间的磁铁。

9.根据权利要求1所述的一种风力发电机，其特征在于，所述线圈组件、磁钢组件外设置有外壳。

10.根据权利要求1所述的一种风力发电机，其特征在于，所述磁钢由包括复数块磁铁组成。

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