CN205013200U - 风电机组中的磁悬浮弹簧 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示的风力发电机组中的磁悬浮弹簧，是由发电机磁场本身产生的一种半磁悬结构：轴承为转向和轴向双自由度轴承，通过轴向自由移动获得磁悬浮力；磁悬浮弹簧结构由发电机转子永磁体与定子磁轭间产生的径向磁吸力形成；磁力线方向与磁悬浮力的方向垂直。它能自动平衡机组轴向所受到的外力，例如水平轴机组中的风推力，或者垂直轴机组中的重力，使发电机磁场兼具磁悬浮功能，能在减少大约一半的摩损，具备优异机械性能的同时，获得很高性价比。磁悬浮弹簧可用于从小至几瓦级的微型机至几兆瓦级的大型机的不同功率等级的机组中，具有很广泛的实用价值。

Description

风电机组中的磁悬浮弹簧

技术领域

本发明属于涡轮发电机技术领域，具体地说，是提出一种具有磁悬浮特性的风力发电机组结构。

背景技术

在风力发电技术领域，涡轮发电机组是实现能量收集转换的重要装置，在整个发电系统中具有重要地位。

机组受到两种外力作用－－转子重力和风推力，在机组转动时这两种力都会在轴承中产生摩擦力，摩擦力会阻滞机组起动，也会降低机组发电效率，增加磨损、故障和噪声，降低机组运行寿命。带磁悬浮轴承的风力发电机能同时克服上述诸多缺点。但是，增加通常的全磁悬浮结构后，整个风机的成本大幅上升，性价比下降，反而会增加度电成本，不利于磁悬浮技术在风力发电机组中的推广应用，为此必须开发高性价比、低成本的新结构磁悬浮轴承风力发电机，以满足高端风电市场的需要。

发明内容

本实用新型的目的是通过所发明的一种半磁悬浮结构，来扭转风力发电机磁悬浮化困难的局面。半磁悬浮结构技术可以在有效消除轴承部分摩擦损耗、提高机械性能和效率的同时，大幅降低磁悬浮风力发电机组的成本，从而使磁悬浮风力发电机组提高效率多发电，并获得诸多优异性能，和一个很高的性价比。

不管是水平轴风力发电机组还是垂直轴机组，都会受两种外力作用－－转子重力和风推力。全磁悬浮结构是无接触技术，能消除重力和风推力所产生的全部摩擦，但全磁悬结构复杂、制造成本相当高。本实用新型采用的是称为“磁悬浮弹簧”的半磁悬浮结构，只消除或者是风推力或者是重力，二者之一所产生的摩擦，故有半磁悬浮(准磁悬浮)结构之称。

本发明的装置是这样实现的，风力发电机中的磁悬浮弹簧，其特征为，轴承为转向和轴向双自由度轴承，通过轴向自由移动获得磁悬浮力；磁悬浮弹簧结构由发电机转子永磁体与定子磁轭间产生的径向磁吸力形成；磁力线方向与磁悬浮力的方向垂直。

磁悬浮弹簧结构能自动平衡风力发电机组中的轴向外力，与全磁悬浮结构相比，几乎可消除一半的摩擦损耗，也就不同程度继承了全磁悬浮的全部优点。同时，由于不再需要额外的磁体结构用来实现磁悬浮，所以其成本与原有非磁悬浮结构相当，造价增加有限，机组的性价比很高，有利于先进风电机组的磁悬浮化。

附图说明

图1、本实用新型水平轴风力发电机组中的磁悬浮弹簧纵剖图

图2、发电机转子受风推力作用轴向移动示意图

图3、磁悬浮弹簧原理——发电机定转子间磁力线变化图

图4、本实用新型可自制的一种特殊二自由度轴承简图

图5、本实用新型垂直轴风力发电机组中的磁悬浮弹簧纵剖图

图6、可增大磁悬浮力的双定转子发电机磁悬浮弹簧结构示意图

具体实施方式

众所周知，在传统磁悬浮概念中，不管是磁悬浮电机还是磁悬浮高速列车，要产生任何一种磁悬浮力，通常都要增加磁体和控制，最简单的方法是采用永磁体构成的被动型磁悬浮结构。被动型磁悬浮结构有斥力型和吸力型两大类。

在斥力型磁悬浮结构中，要产生同性相斥的磁悬浮力，必须要二组磁铁，所以成本较高，但斥力型磁悬浮本身可以自己保持平衡，这是其优点。

吸力型磁悬浮即利用铁磁吸力产生的磁悬浮力，只需一组磁体就够了，磁体的成本较斥力型低。但是，吸力型磁悬浮没有自稳定能力，通常得靠外加控制才能维持平衡状态，所以实施起来，并不容易。

总之，传统的磁悬浮，对风力发电机来说，其重大缺陷是结构复杂、制造困难、价格高昂。

如何降低磁悬浮风力发电机组的造价，成为磁悬浮结构能否在市场中取代普通风力发电机的决定性因素。根据对市场需求的分析，本实用新型的半磁悬浮结构是能达到提高机电性能和性价比双重目标的合理选择。

风力发电机中通常有两种相互垂直的外部作用力——转子重力和风推力。全磁悬浮能同时消除两个力的摩擦损耗，但制造难度大、成本高。半磁悬浮结构则只能消除一种力的摩擦，而利用双自由度的轴承约束另一个力，这样可降低大约一半的摩擦损耗。例如在水平轴机组中，本实用新型的半磁悬浮结构可以消除风推力产生的摩擦损耗，而无法消除重力产生的摩擦损耗。在垂直轴机组中则恰好相反，半磁悬浮结构可以消除重力产生的摩擦损耗，而无法消除风推力产生的摩擦损耗。半磁悬浮总只能消除两种之一种或大致认为一半的摩擦损耗，故有半磁悬浮之称。

由于半磁悬浮结构简单，制造成本低，性价比比较高，是值得在风电领域广泛推广的新技术。

如何在半磁悬浮的概念下，研究出不再需要外加控制的铁磁吸力型磁悬浮，而且是无需外加控制就能达到随遇平衡的磁悬浮，产生自平衡的磁悬浮力。那么，磁悬浮的实现就简单得多了，开发研究就从这一目标切入。

从陀螺现象得到启示，为什么转动的陀螺能保持垂直状态而一旦停转就会立刻倒下，原因在于陀螺的点状支点很小，所以在静止状态下，其重心肯定在支点区外，倒下的方向应与重力的作用方向一致，受重力影响，使其很快在重力方向倒下。

在其高速旋转时，由于陀螺效应，即使重心偏移，但其倒下的方向与重力方向垂直，不会沿重力方向倒下，这就是陀螺绕轴进动的现象，像倒又不会倒的原因。

本实用新型受到陀螺效应的启示，使磁悬浮力与磁力线方向垂直，其特点是，一种直接利用发电机本身的磁场，不再需要外加控制的铁磁吸力型磁悬浮，而且是无需外加控制就能达到随遇平衡的磁悬浮，产生自平衡的磁悬浮力。在本实用新型的磁悬浮结构中，磁力线方向与磁悬浮力的方向垂直，二者不在同一方向，就能像转动的陀螺那样保持随遇平衡。且其结构简单，制造也很容易，制造成本与非磁悬浮的普通发电机相当，所以就达到了其它磁悬浮都不易达到的高性价比，有着巨大的市场经济前景。

在本实用新型的水平轴机组中，可以消除风推力产生的摩擦损耗，但是不可能消除转子重力所带来的摩擦损耗，所以不能像全磁悬浮那样取消轴承。

直驱型风力发电机组，大都采用径向磁场永磁同步发电机，利用发电机转子永磁体与定子磁轭间产生的径向磁吸力，形成磁悬浮弹簧。

图1为本实用新型的水平轴风力发电机组中的磁悬浮弹簧纵剖图。

众所周知，传统的同步发电机大都采用永磁体径向磁场结构，定子磁轭(4)上有电枢绕组，转子轴(1)上布置磁场(2)产生固定的场激励，本实用新型中的发电机与传统发电机结构相同，不同的仅在轴承上，本结构的前后轴承(3)为转向和轴向双自由度轴承，该结构看起来与现有传统风力发电机组结构极为相似，其实有本质上的区别。由图可以明显看出，本实用新型中的轴承是一种特殊结构的双自由度轴承，既像传统发电机那样允许转子轴转动；又不同于传统发电机，因为传统发电机是不允许转子轴在轴向移动的，而本实用新型的发电机恰恰允许转子轴作轴向自由移动。通过轴向自由移动，才能得到磁悬浮力，这就是本实用新型结构上区别于传统机组的最明显结构特征。

图2为发电机转子受风推力作用轴向移动示意图。图2中，由于发电机转子轴与风轮机转子轴是一体结构。假设风推力为F，如图中左端自左向右的箭头所示，则由于转子轴可在轴向自由移动，风推力将直接作用在发电机转轴上，轴肯定会向右偏移一段距离，这位移又是怎样影响转子磁场的呢。

图3为磁悬浮弹簧原理——发电机定转子间磁力线变化图。

图3a)为风推力为零时定、转子位置下的磁场图，此时，众多磁力线沿转子径向流入定子，由于铁磁吸力作用，定、转子对齐，磁力线都垂直于转轴轴线，其各向磁合力相等且互相抵消，所以并没有轴向力。

图3b)为风推力作用时定、转子产生位移位置下的磁力线图。此时，由于风推力的作用，转子轴向右移动，使定、转子间的磁力线被拉长，磁力线被拉长而不再与轴线垂直，拉长的磁力线虽然沿径向的各向分力仍可抵消，但它们在轴向会产生一个新的合力P，P的方向如箭头所指自右向左，这可以看作一种新产生的磁悬浮力，与风推力的方向相反，自然会减小风推力的影响；且该磁悬浮力本身来源于风推力，所以能达到与风推力的自然平衡。合力P也可称为回复力，因为它总是趋向回复到转子未受外力作用时的位置。

以上作用过程与弹簧的机理类似，当没有外力作用时，弹簧不产生形变，也就没有位移；但当向其施加外力时，弹簧被压缩而产生位移，弹簧的位移量与外力成正比，外力越大，位移量也越大。弹簧的形变或称位移会产生一个弹力，也是一种回复力。弹力来源于外力，弹力与外力产生平衡时，弹力的大小即等于外力。

以上为磁悬浮力产生的原理性说明，也可以说是磁悬浮弹簧的原理图。本实用新型的磁悬浮弹簧的结构原理，已为实验样机所验证。

如果在轴上施加一个推力，轴就会沿推力方向移动一定距离，推力的大小决定了位移距离的长短。

按磁悬浮弹簧的半磁悬浮结构设计的实验样机完全达到了实验目标预期，电机轴用力按，轴就被压下去，但手一离开电机，轴就自动弹起，恢复到原来位置，就像电机轴内装有“弹簧”一样，但是，电机内是没有弹簧的，这种半磁悬浮结构被冠名为“磁悬浮弹簧”。

在本实用新型中，针对风推力产生的位移，会产生与风推力大小相同、方向相反的轴向力，所以就不需要采用推力轴承，本实用新型的轴承也不承担外力平衡的作用，因此，轴承运转时也就没有了相应的摩擦力，自然也不存在风推力摩擦损耗。

摩擦是需要消耗能量的，没有了风推力摩擦，也就意味着，风电机组的效率会有所提高，同样的风况下，风轮机将获得更多的风能量。

风推力摩擦的消除减少了轴承磨损，轴承保养和修换的成本降低。

风推力摩擦的消除，减少了轴承噪音，风力发电机运转更平稳安静。

风推力摩擦的消除，使机组启动阻力小、起动更容易，有利于微风发电。

风推力摩擦的消除，提高了机组的可靠性，减少了机组故障率，延长了机组寿命。

可见，磁悬浮弹簧结构对风力发电有着诸多优点。

本实用新型的轴承与传统机组不同，通常有两种商品可从市场直接购买，也可自制或定制。第一种就是如图1中所示的轴瓦型，轴瓦型既可以提供转动自由度，又能提供轴向移动自由度，满足本实用新型的需要。也可购置滚珠型轴承，与传统滚珠轴承不同的是，本发明中的双自由度滚珠轴承有多排滚珠均布在径向和轴向，所以既能像传统滚珠轴承一样满足转动的需要，也能沿轴平滑移动，而后者在传统滚珠轴承中是不允许的。

图4为本发明可自制的一种特殊二自由度轴承简图。图中，轴承内圆环(31)的外表面放滚珠(32)，滚珠外端为轴承外圆环(33)，轴承外圆环的内表面为圆形，而外表面为非圆形(不易转动的形状)，这样的轴承，与传统轴承的制造方法基本相同，仅区别于轴承外环外缘的不同形状。

所以本实用新型的自制轴承也不难，这可从传统的滚珠轴承中得到启示。例如，只要将传统轴承的外环外端改变形状，使其不易转动就可以了，例如外环外端可以采用三角形、矩形、多边形或带线凸、键槽的圆形，等等都可根据具体机组的配合方式设计。图中轴承外环外端为矩形，将该轴承安置在一个同样是矩形的配合机座槽内，转轴就可以在轴向自由移动。采用本节推荐的外环为非圆形双自由度轴承时，滚珠就可以改成滚柱，滚柱是线接触，其承载力比点接触的滚珠大得多，适合在大重量的风力发电机中使用。

所述非圆形外环外端的双自由度轴承牢固安装在转子轴上，使转子获得转动自由度，轴承外环则位于基座凹槽的配合座中，获得轴向自由度。槽中充放润滑油剂，以提高位移润滑的活动度。

在一定的机组设计中，如果前轴承两边的转子部分，即涡轮机转子与发电机转子的重力矩相等或接近相等，则可适当放宽前轴承尺度，而省略后轴承，使机组成为仅有前轴承的单轴承结构。

本实用新型的机组可以在不同功率等级的风电产品中广为使用，从小至几瓦级的微型机至几兆瓦级的大型机，都可采用本发明的结构实现磁悬浮化。

在小型机中，一般不设机械制动器，强风制动可由发动机电枢绕组短接产生的制动力矩实现。

在大型机中，一般都设置机械制动器，由于在直驱机组中，涡轮机转轴与发电机转轴连成一体，整个转轴产生的轴向移动可能影响制动器，所以制动器应该采用允许轴向移动的新结构。

图5为本实用新型的垂直轴风力发电机组中的磁悬浮弹簧纵剖图。

本实用新型的磁悬浮弹簧也可用于垂直轴风力发电机组中。在垂直轴风力发电机组中的轴向外力即为重力G。在重力G的作用下，由于双自由度轴承不可能产生轴向推力，所以转子受重力影响将产生位移下沉一定距离，从而拉长定转子间的磁力线，被拉长了的磁力线就像被拉长的弹簧，产生一个回复力试图恢复到其原始位置，磁悬浮弹簧产生的磁悬浮力与重力达到平衡。

有些垂直轴涡轮机在受到水平方向风力作用时，可能产生一个向上或向下的垂直分力，这个分力将与转子重力一起共同作用在机组中。然而，只要是在磁悬浮弹簧许可的外力范围内，磁悬浮弹簧有着自适应的能力，可随外力的变化自动调整位移，达到与变化中外力的平衡。

图6为可增大磁悬浮力的双定转子发电机结构示意图。

为了增大磁悬浮力，可将定转子拆分成两个部分，中间留有足够轴间空间。因为对于直径确定的发电机，磁悬浮力的大小主要决定于轴向位移，而与定转子轴向长度关系较小。为此，将定转子分成两段后，同样大小的轴向位移，所产生的磁悬浮力将有效增大。

定转子磁轭分成两段后，但电枢绕组也可仍为一组，不必拆分成两组。在该结构中，两个定子磁轭齿槽错开半个齿布置，这样可以降低发电机的齿槽阻力，发电机更容易起动，同时，转动更轻巧稳定，发电机的齿槽损耗也将有所减少。

另一种结构是将两台电机定子的齿槽对齐，而将两台电机转子上的磁体位置相差半个齿槽位置，则同样可达到偏移定子齿槽后相同的技术效果。

本实用新型所披露的内容，也适用于采用励磁型而不是永磁型发电机的情况。

关于励磁型发电机结构对于磁悬浮特性的影响，有必要强调的是，在不加电励磁时，电机转子无磁场，所以不可能产生磁悬浮力，没有磁悬浮弹簧的功能。因此在机组设计中，在机组准备起动前，应先将励磁线圈通电，形成转子磁场，激活磁悬浮弹簧。

另外，也要充分考虑到在机组遇到强风情况下，很大的风推力将迫使转子产生很大移动，所以应该设置轴向限位，以提高机组的安全性。同时，类似于现有大型风机的安全处置措施，即模仿现有机组在超过风速时，传统机组仍保证偏航系统供电的做法，在本实用新型的励磁型磁悬浮发电机中，同样必须保持在超过风速时对励磁绕组的供电，使电机转子上有足够强的磁场实现磁悬浮弹簧的功能，以抵挡强风推力的影响，保证设备安全。

本实用新型以磁悬浮结构为先导，说明书已对涉及本磁悬浮弹簧结构的风力发电机组中的涡轮机、转轴、发电机、磁场、制动器、轴承等作了披露说明，特别是磁悬浮弹簧新结构产生磁悬浮力的机理作了详分析描述，并有实验样机的实践；对其优缺点和技术的实施要点和难度也作了客观分析。按本说明书去实践，将有足够能力制造出新结构的、性能卓著的磁悬浮弹簧风力发电机整机产品。

Claims (9)

1.风电机组中的磁悬浮弹簧结构，其特征为，轴承为转向和轴向双自由度轴承，通过轴向自由移动获得磁悬浮力；磁悬浮弹簧结构由定子磁轭(4)和转子轴(1)上的磁场(2)构成；磁力线方向与磁悬浮力的方向垂直。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮弹簧结构，其特征为，轴承(3)为轴瓦型或滚珠型。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的磁悬浮弹簧结构，其特征为，轴承(3)的外环外端为非圆形的滚柱或滚珠轴承。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮弹簧结构，其特征为，机组为单轴承(3)结构。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮弹簧结构，其特征为，结构适用为从几瓦级的微型机至几兆瓦级的大型机全功率范围的机组。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征为，发电机为双定转子结构。

7.根据权利要求1或权利要求6所述的磁悬浮弹簧结构，其特征为，发电机两个定子磁轭齿槽错开半个齿布置。

8.根据权利要求1或权利要求6所述的磁悬浮弹簧结构，其特征为，发电机两个定子磁轭齿槽对齐，两个转子上的磁体位置相差半个齿槽位置。

9.根据权利要求1或权利要求5所述的磁悬浮弹簧结构，其特征为，发电机为励磁型同步发电机，磁悬浮弹簧由励磁磁场所产生。