CN202937410U - 一种五自由度全悬浮垂直轴盘式风力发电机 - Google Patents

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张广明
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朱剑
王德明
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Abstract

一种五自由度全悬浮垂直轴风力发电机，包括安装在外壳内壁上的第一发电机定子、第二发电机定子、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A及永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B。主轴上设置有第一发电机转子A、第一发电机转子B、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子、第二发电机转子A以及第二发电机转子B。主轴的两端从外壳的两端伸出，分别安装有风叶和位移传感器。本实用新型利用两个永磁型轴向磁悬浮轴承实现转子在四个轴向自由度上的悬浮，利用一个永磁偏置型轴向磁悬浮轴承实现转子在轴向自由度的悬浮，实现了转子的全悬浮，降低了切入风速，而且简化了风力发电机磁悬浮轴承系统的结构，提高了能量转换的效率。

Description

一种五自由度全悬浮垂直轴盘式风力发电机
技术领域
本实用新型涉及一种垂直轴盘式风力发电机，具体是一种五自由度全悬浮垂直轴盘式风力发电机，属于风力发电技术领域。
背景技术
风力发电的原理是利用风力带动发电机转子旋转产生电能，通过对不同发电方式进行比较，可以发现风力发电是完整意义上的绿色电力——无污染、可再生，用之不竭。全球的风能蕴量巨大，约为2.74×109MW。可利用的风能约为2×107MW，约为地球上可开发的水能总量的10倍。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约为1×109kW，其中，陆地上风能储量约为2.53×108kW（离地10m高度），海上可开发和利用的风能储量约为7.5×108kW。在世界各国重视节能环保的今天，风力发电对改善地球生态环境，减少空气污染有着非常积极的作用，世界各国也都越来越重视风力发电的研究和应用。
在风力发电中，可以被用来产生电能的风能是介于切入风速和停机风速之间的风速段，降低启动风速和切入风速就能够增加有效风能的利用量，就可以在相同风速下产生更多的电能，从而能够更充分地利用风力来发电。但是，在设计风力发电机时，为了获得较低的切入风速，不得不降低风力发电机的输出功率，为了解决这一矛盾，人们将磁悬浮技术应用到了风力发电机转子的支承上，用磁悬浮轴承代替传统的机械轴承，这样做不但可以大幅度的降低转子和轴承间的摩擦力、摩擦力矩,实现风力发电机的“轻风起动、微风发电”,扩大风力资源的利用率,提高发电效率,还可以免除以往机械轴承使用和维护的高额费用,降低风力发电成本,这不仅有利于我国风力发电的普及和风电事业的发展,而且对我国实施节能减排工作起着重要的推动作用。
根据悬浮力是否可控，磁悬浮轴承可分为被动型和主动型两种类型。被动型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力（如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间）来实现转轴的悬浮，其结构简单，功率损耗少。主动型磁悬浮轴承主要是通过主动控制定、转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，根据偏置磁场建立方式的不同，主动型磁悬浮轴承可分为电磁偏置型与永磁偏置型两种。永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁材料来建立偏置磁场，能够较大程度地降低磁悬浮轴承的功率损耗。
在现有的全永磁型磁悬浮风力发电机中，风力发电机的转子无法实现五个自由度的全部悬浮，因此风机中转动部分与非转动部分之间的机械摩擦并未彻底消除，无法进一步降低切入风速。
若要实现风力发电机转子的五自由度悬浮，则所采用的支承系统同中必须有主动型磁悬浮轴承的存在，若采用电磁偏置型磁悬浮轴承，会带来较大的能量损耗，此外，若在多个自由度采用主动型磁悬浮轴承，则会增加控制系统的规模，导致磁悬浮轴承系统的使用和运行成本较高。
发明内容
本实用新型的目的在于提出一种维护费用低、风能利用率高、起动风速低的五自由度全悬浮垂直轴盘式风力发电机。
本实用新型包括外壳，安装在外壳内壁上的第一发电机定子、第二发电机定子、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B以及主轴；主轴上设置有第一发电机转子A、第一发电机转子B、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子、第二发电机转子A、第二发电机转子B；自上而上依次设置的永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子及永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B位于第一发电机转子B与第二发电机转子A之间；第一发电机定子位于第一发电机转子A与第一发电机转子B之间，第二发电机定子位于第二发电机转子A与第二发电机转子B之间；主轴的两端分别从外壳的顶部和底部伸出，其顶部安装有风叶，底部安装有位移传感器。
上述第一发电机转子A与第一发电机定子之间，第一发电机定子与第一发电机转子B之间，永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子之间，永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B之间，第二发电机转子A与第二发电机定子之间，第二发电机定子与第二发电机转子B之间与均留有气隙。
上述气隙的作用主要是作为磁场能量存储的介质，其宽度优选0.3~1.5mm。
上述第一发电机和第二发电机采用的均是盘式无铁心Halbach永磁发电机
基于上述结构，本实用新型的磁悬浮风力发电机具有以下优点：
（1）实现了转子五自由度全悬浮，消除了定、转子之间的机械摩擦，减小了风机在启动时受到的阻力。
（2）采用盘式无铁心Halbach永磁发电机，具有重量轻、功率密度高、噪音小、能量转换效率高的特点。
（3）采用永磁偏置型磁悬浮轴承，偏置磁场由永磁体来产生，在不影响悬浮性能的情况下，能够大大降低磁悬浮系统的能量消耗。
（4）利用两个盘式发电机在工作时定、转子之间的作用力来实现转子径向的被动悬浮，省去了两个径向磁悬浮轴承，因此整个系统的结构简单、使用成本低。
（5）只对转子的轴向位移进行主动控制，因此控制系统比较简单。同时，由于电机为双转子结构，定转子之间的轴向作用力方向相反，相互抵消，减轻了其对轴向磁悬浮轴承悬浮性能的影响，提高了系统的可靠性。
（6）轴向磁悬浮轴承能够对转子的轴向位移进行主动控制，在稳定状态下，定、转子之间不存在轴向偏心的，解决了定、转子偏心对发电机性能的影响。
附图说明
图1是一种五自由度全悬浮垂直轴盘式风力发电机结构平面示意图。
图1中标号名称：1、第一发电机转子A。2、第一发电机定子。3、第一发电机转子B。4、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子。5、第二发电机转子A。6、外壳。7、主轴。8、位移传感器。9、第二发电机转子B。10、第二发电机定子。11、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B。12、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A。13、风叶。
具体实施方式
如图1所示，第一发电机定子2、第二发电机定子10、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A12及永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B11均固定在外壳6内部，其中，第一发电机定子2位于第一发电机转子A1与第一发电机转子B3之间，永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A12、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B11位于第一发电机转子B3与第二发电机转子A5之间，第二发电机定子10位于第二发电机转子A5与第二发电机转子B9之间
第一发电机转子A1、第一发电机转子B3、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子4、第二发电机转子A5、第二发电机转子B9、风叶13、位移传感器8均套装在主轴7外部，其内端面均与主轴7的外端面接触。其中，第一发电机定子2位于第一发电机转子A1与第一发电机转子B3内端面形成的轴孔中，且第一发电机定子2外端面分别与第一发电机转子A1、第一发电机转子B3内端面之间存在微小气隙；永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A12、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B11分别位于永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子4两侧，且永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A12下端面与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子4上端面之间存在微小气隙，永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B11上端面与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子4下端面之间存在微小气隙；第二发电机定子10位于第二发电机转子A5与第二发电机转子B9内端面形成的轴孔中,且第二发电机定子10外端面分别与第二发电机转子A5、第二发电机转子B9内端面之间存在微小气隙；风叶(13)安装于主轴7的最顶部，位移传感器8安装于主轴7的最底部。
本实用新型利用第一发电机定子2与第一发电机转子A1、第一发电机转子B3之间的相互作用；第二发电机定子10与第二发电机转子A5、第二发电机转子B9之间的相互作用实现转子在轴向四个自由度上的被动悬浮，利用永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子4与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A12、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B11之间的相互作用实现转子轴向自由度的主动悬浮。
采用本实用新型利用风力发电时，风吹向风叶13，风叶13带动主轴7转动，主轴7带动套装在其外部的第一发电机转子A1、第一发电机转子B3、第二发电机转子A5、第二发电机转子B9旋转，使第一发电机定子2、第二发电机定子10发出电能。

Claims (3)

1.一种五自由度全悬浮垂直轴盘式风力发电机，其特征在于：包括外壳（6），安装在外壳（6）内壁上的第一发电机定子（2）、第二发电机定子（10）、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A（12）、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B（11）以及主轴（7）；主轴（7）上设置有第一发电机转子A（1）、第一发电机转子B（3）、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子（4）、第二发电机转子A（5）、第二发电机转子B（9）；自上而上依次设置的永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A（12）、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子（4）及永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B（11）位于第一发电机转子B（3）与第二发电机转子A（5）之间；第一发电机定子（2）位于第一发电机转子A（1）与第一发电机转子B（3）之间，第二发电机定子（10）位于第二发电机转子A（5）与第二发电机转子B（9）之间；主轴（7）的两端分别从外壳的顶部和底部伸出，其顶部安装有风叶（13），底部安装有位移传感器（8）。
2.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：第一发电机转子A（1）与第一发电机定子（2）之间，第一发电机定子（2）与第一发电机转子B（3）之间，永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子A（12）与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子（4）之间，永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子（4）与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子B（11）之间，第二发电机转子A（5）与第二发电机定子（10）之间，第二发电机定子（10）与第二发电机转子B（9）之间与均留有气隙。
3.如权利要求2所述的发电机，其特征在于：所述气隙的宽度在0.3~1.5mm之间。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102926939A (zh) * 2012-11-30 2013-02-13 南京工业大学 一种五自由度全悬浮垂直轴盘式风力发电机
CN105245070A (zh) * 2015-10-27 2016-01-13 罗彪 大功率盘式发电机
CN109306934A (zh) * 2018-11-13 2019-02-05 曲阜师范大学 低风速双电机型磁悬浮垂直轴风电机组及其控制方法

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