CN213270138U - 一种壁挂式无铁芯扁线风力发电机 - Google Patents

一种壁挂式无铁芯扁线风力发电机 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种壁挂式无铁芯扁线风力发电机，包括叶片、主轴、多个转子盘、多个定子盘和机壳，所述叶片固定在主轴一端，主轴另一端伸入机壳，并与机壳转动连接；所述主轴在与机壳互相靠近的位置设有互相配合的磁极对，所述磁极对使主轴悬浮在机壳上；所述多个转子盘和多个定子盘均设置于机壳内，所述多个转子盘固定连接在主轴上，所述多个定子盘固定在机壳内壁上，所述多个转子盘和多个定子盘沿主轴轴向方向间隔设置；所述转子盘正面设有正面内环磁极和正面外环磁极，背面设有反面内环磁极和反面外环磁极，所述正面内外环磁极和反面内外环磁极的相邻面极性相异,且构成Halbach阵列，该发电机具有高效率、漏磁少、损耗小，稳定性好等特点。

Description

一种壁挂式无铁芯扁线风力发电机
技术领域
本实用新型涉及一种风力发电机，具体涉及一种采用磁悬浮空心转轴和扁线线圈的盘式无铁芯永磁风力发电机。
背景技术
近年来垂直轴风力发电机在风光互补路灯、充电桩、家庭用电等方面发展迅速。但是传统的垂直轴盘式电机很难摆脱滚珠轴承和铁芯的使用，这使得电机很难具有微风启动性能，还增加了电机的损耗，而且影响轴承的使用寿命。另外一些小型风力发电机采用的扇叶具有制造工艺难度大，转动力矩小的特点，如达里厄式叶片，很难实现微风启动。中国专利公开号为CN305178815S，名称为“垂直轴磁悬浮风力发电机”设计的风力发电机就是使用了达里厄式叶片。
传统垂直轴风力发电机没有摆脱传统轴承的束缚，中国专利公开号为CN206259836U，名称为”一种组合正弦型盘式无铁芯永磁风力发电机”采用空心转轴和无铁芯盘式定子结构，这样的结构虽然能减轻一部分重量，但是还是没能摆脱对传统轴承的依赖，损耗依然不小。
为了实现风力发电机的微风启动，中国专利公开号为CN204145234U，名称为“一种微风启动高效的无铁芯盘式永磁风力发电机”采用轴向磁通无铁芯结构，该结构无齿槽转矩，启动转矩小，但是该结构还是没摆脱传统滚珠轴承，并且等效气隙长度较大，漏磁较多，谐波含量比较明显。
为了实现低损耗和微风启动，中国专利公开号为CN108843514A，名称为“一种磁悬浮叶轮虹吸风力发电机”采用磁悬浮叶轮和虹吸管，这样的结构对自然风速的方向有较高的要求，永磁材料提供的悬浮力过小。一般小型风力发力发电机都是固定在地面上或者做风光互补路灯使用，农村家庭庭院内风力不足，使用不方便。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有技术中存在的问题，提供一种高效率、漏磁少、损耗小，稳定性好，可以灵活使用的永磁风力发电机。
为了达到上述目的，本实用新型提出的技术方案为：一种壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：包括叶片、主轴、多个转子盘、多个定子盘和机壳，所述叶片固定在主轴一端，主轴另一端伸入机壳，并与机壳转动连接；所述主轴在与机壳互相靠近的位置设有互相配合的磁极对，所述磁极对使主轴悬浮在机壳上；所述多个转子盘和多个定子盘均设置于机壳内，所述多个转子盘固定连接在主轴上，所述多个定子盘固定在机壳内壁上，所述多个转子盘和多个定子盘沿主轴轴向方向间隔设置；所述转子盘正面设有正面内环磁极和正面外环磁极，背面设有反面内环磁极和反面外环磁极，所述正面内外环磁极和反面内外环磁极的相邻面极性相异,且构成Halbach阵列。
对上述技术方案的进一步设计为：所述机壳包括互相固定连接的上机壳和下机壳，机壳内部设有空腔，所述多个转子盘、多个定子盘均设置于空腔内。
所述上机壳上设有通孔，下机壳内侧设有凹槽，所述主轴下端穿过上机壳的通孔伸入空腔内，且端部伸入凹槽内。
该风力发电机还包括保护装置，所述保护装置包括设置在上机壳上部的环状空心杯体和固定在主轴上的环状圆柱体，所述主轴穿过环状空心杯体，且环状圆柱体位于环状空心杯体内，所述主轴与环状空心杯体转动连接。
所述磁极对包括设置于凹槽内的主轴底部磁极对、环状圆柱体上方磁极对和保护装置内部磁极对。
所述主轴底部磁极对的两磁极分别设置于主轴底端和凹槽内侧；所述的保护装置内部磁极对的两磁极分别设置于环状空心杯体内侧和环状圆柱体外侧，所述圆柱体上方磁极对的两磁极分别设置于环状圆柱体上侧和环状空心杯体内侧。
所述定子盘由扁线线圈和填充材料制成，且呈盘式结构，定子盘通过螺栓固定在机壳内壁上；所述的扁线线圈采用无焊点形式的波绕组冲压绕制而成；所述的填充材料为绝缘复合材料。
所述叶片包括扭曲型叶片和叶片转轴，所述扭曲型叶片通过螺栓固定在叶片转轴上，所述叶片转轴通过螺栓固定在主轴上。
本实用新型的有益效果为：
1、本实用新型的壁挂式无铁芯扁线风力发电机中转子部分是导磁的合金圆盘和不等宽的方波型阵列环状磁极共同构成；所述导磁合金圆盘上都安装有轴向充磁的内环磁极和外环磁极，正面内外环磁极和反面内外环磁极按相邻面极性相异排列，构成Halbach阵列的方波阵列，可以增强靠近定子盘一侧气隙内的磁场强度；盘上的永磁体均采用内嵌式结构，采用厌氧胶固定，制造方便，极大地减少了电机的漏磁，提高了永磁体的利用率；同时，内嵌式安装方式有利于增加电机结构的稳定性，进一步提高电机的使用寿命。
2、本实用新型的风力发电机，由于设置多个定子盘和转子盘，转子盘转动时可以看作是线圈在多个圆盘之间切割磁感应线，从而产生感应电流；定子盘上的线圈不仅进是在相邻两转子盘构成的磁场之间切割磁感线，而是在多个转子盘构成的磁场，即每个定子盘上的线圈均可看做是在多个转子盘构成的磁场之间切割磁感线，提高了发电效率，多个定子盘和转子盘的设置不仅仅是数量上的简单叠加，还提高了发电机的发电效率。
3、本实用新型提出的一种壁挂式无铁芯扁线风力发电机，该电机既可以水平轴电机的特点、又具有垂直轴磁悬浮盘式电机的特点；同时，该电机结构上保留了盘式无铁芯电机涡流损耗小、漏磁少，效率高的特点，制造方便，很适合应用于大型湖泊周边渔船、地面风力资源不足的城市郊区，可以安装在农村楼房高处的墙壁内，形成壁挂式风力发电机，将平时的风能存储起来，供日常使用；还可以与光伏发电结合形成风光互补的发电系统，如风光互补路灯、风光互补充电桩等。
4、本发明所述的空心转轴主要由底部磁极对、保护装置内部磁极对悬浮力；空心转轴相比传统转轴质量更加轻盈，并且不采用传统滚珠轴承，只在保护装置与转轴之间采用复合运动的旋转直线轴承，悬浮力可以大大降低轴承的摩擦损耗。既可以做垂直轴风力发电机使用，也可以做水平轴电机使用；水平轴放置时可以做电动机使用，也可以做发电机使用，具有一定灵活性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的部分磁路示意图；
图3是本发明的垂直式主轴受力示意图；
图4是本发明的水平式主轴受力示意图；
图5是本发明的定子扁线线圈立体结构示意图；
图6是本发明的转子结构正反面示意图；
图7是本发明的叶片示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本实用新型进行详细说明。
实施例
如图1所示，本实施例的一种壁挂式无铁芯扁线风力发电机，该电机为三转子四定子结构的四气隙盘式无铁芯永磁电机。该电机包括叶片、空心的主轴2、三个转子盘3、四个定子盘4、机壳和保护装置，定子盘3与转子盘4间隔设置，构成轴向多气隙电机，三个转子盘3同轴安装，定子盘4固定在机壳内侧，构成多组外定子内转子的三盘式结构。
结合图7所示，叶片包括扭曲型叶片1和叶片转轴2.1，扭曲型叶片1采用玻璃钢复合材料，制作成的四片扭曲型叶片，叶片成S型，中间有一定的空间，扭曲型叶片2.1通过螺栓固定在叶片转轴上，所述叶片转轴2.1通过螺栓9.1固定在主轴2的一端。本实施例叶片的设计使得迎风面受力面积大，背风面受力面积小，所以该叶片具有较大的转动力矩，易于实现微风启动。
主轴2另一端伸入机壳内，并与机壳转动连接；所述主轴在与机壳互相靠近的位置设有互相配合的磁极对，所述磁极对使主轴悬浮在机壳上；所述多个转子盘3和多个定子盘4均设置于机壳内，所述多个转子盘3通过转子盘螺栓9.3固定连接在主轴2上，所述多个定子盘4通过定子盘螺栓9.4固定在机壳内壁上，所述多个转子盘和多个定子盘沿主轴2轴向方向间隔设置。
所述的定子盘4是由扁线线圈和填充材料制成中间有孔的环状圆盘，中间有比主轴2直径略大的圆孔，扁线线圈采用无焊点形式的波绕组冲压绕制而成；由此绕制而成的定子绕组内阻低，电流大，散热性好，发电效率提高。
所述转子盘3上固定有由不等宽环状磁极8.3构成的方波型阵列，类似于Halbach阵列能够起单向聚磁作用，盘上所有磁极都是轴向充磁，不同盘中相邻磁极按极性相异排列。所述轴向充磁的磁极包括正面外环状磁极8.3.3、正面内环状磁极8.3.1和反面外环磁极8.3.4、反面内环磁极8.3.2，正反两面磁极共同构成方波型阵列，使得靠近定子侧气隙磁密得到加强。转子盘上的磁极均采用内嵌式结构，用厌氧胶固定。
结合图5所示，左边为定子盘4的俯视图，右边为定子盘4的立体图；定子盘4是由扁线线圈和填充材料构成、内圆环4.3和外圆环4.1连通扁线4.2构成回路，当电机作为发电机使用的时候扁线切割磁感应线，与内外环形成闭合回路进行发电；当电机作为电动机使用的时候，扁线线圈分成多相通电即可。
结合图6所示，左边转子盘为反面俯视图，内环磁极8.3.2由八块相同的环状条形磁极组成，外环磁极8.3.4由八块相同的环状条形磁极组成，内环磁极8.3.2和外环磁极8.3.4宽度相同，长度不同；右边转子盘为正面俯视图，其中内环磁极8.3.1由八块相同的环状条形磁极组成，外环磁极8.3.3也由八块相同的环状条形磁极组成；而且右边正面俯视图内外环磁极长度也不相同，宽度与反面环状磁极宽度相同；转子盘中磁极都是轴向充磁，并且按照邻近面极性相异排列。
本实施例中机壳包括互相固定连接的上机壳5.1和下机壳5.2，二者通过侧壁固定连接，形成截面呈矩形的壳体，机壳内部设有空腔，转子盘3和定子盘4均设置于该空腔内。
本实施例的壁挂式无铁芯扁线风力发电机还包括保护装置，所述保护装置包括通过螺栓9.5固定在上机壳5.1上部的环状空心杯体6.1和套设在主轴2上的环状圆柱体6.2，环状空心杯体6.1上部通过螺栓9.2固定有上盖，所述主轴2穿过环状空心杯体6.1的上盖，且环状圆柱体6.2位于环状空心杯体6.1内，所述主轴2与环状空心杯体6.1之间通过旋转直线轴承7.1转动连接。
上机壳5.1上设有通孔，下机壳5.2内侧设有凹槽，所述主轴2下端通过该通孔伸入空腔内，且端部伸入凹槽内，主轴2通过旋转直线轴承7.2与上机壳5.1转动连接；并通过旋转直线轴承7.3与凹槽转动连接。
本实施例中主轴2在与机壳互相靠近的位置设置的磁极对包括设置于主轴2底部的磁极对8.4、设置于保护装置内部的磁极对和设置于环状圆柱体6.2上方的磁极对；构成主轴底部磁极对8.4的两磁极分别为与转轴相连的底部磁极8.4.1和位于凹槽内与下外壳5.2相连的底部磁极8.4.2；构成保护装置内部磁极对的两磁极分别为通过内磁极螺栓9.6固定于环状空心杯体内侧的瓦型磁极8.2和设置于环状圆柱体外侧的环状磁极8.1，构成圆柱体上方磁极对8.6的两磁极分别为设置于环状圆柱体上侧的磁极8.6.1和通过螺栓固定在环状空心杯体内侧的磁极8.6.2。环状圆柱体上侧的磁极8.6.1与环状空心杯体内侧的磁极8.6.2对应面极性相同；主要防止风速过大时转轴运行不稳定，发生摩擦。
本实施例的的壁挂式无铁芯扁线风力发电机工作原理如下：
如图1所示，当叶片受到一定风速作用的时候，叶片会带动叶片转轴2.1转动，叶片转轴2.1又带动主轴2、转子盘3以及排列成方波阵列的内磁环和外磁环转动；由于定子盘4固定不动，所以可以看作是线圈在多个转子盘3之间切割磁感应线，从而产生感应电流。
如图2所示，恒定磁通从反面外环磁极8.3.4出发，经过合金圆盘、正面外环磁极8.3.3、正面内环磁极8.3.1、反面内环磁极8.3.2、气隙、定子盘、气隙、反面内环磁极8.3.2’、正面内环磁极8.3.1’、合金圆盘、正面外环磁极8.3.1、反面外环磁极8.3.4’、气隙、定子盘、气隙、回到反面外环磁极8.3.4，形成一个闭合回路。
如图3所示，当壁挂式无铁芯扁线风力发电机竖直设置时，空心的主轴2主要由底部磁极对8.4.1和8.4.2、保护装置内部磁极8.1和8.2提供向上的悬浮力，其中磁极对8.4.1和8.4.2都是具有一定厚度的轴向充磁的圆柱形磁极，利用同性相斥原理，给转轴2提供一个向上的悬浮力；保护装置内部磁极8.1为径向充磁的环状磁极、8.2为径向充磁的瓦型磁极，轴上磁极8.1的设置高度高于磁极8.2，利用高度差和同性相斥原理形成一个斜向上的悬浮力；两个力共同作用使得转轴悬空。保护装置内部磁极8.6.1和8.6.2都为环状磁极，其中8.6.2固定在空心杯体内侧，两个磁极相邻面极性相同，所以转轴会受到一个向下的力，防止摩擦；
如图4所示，当壁挂式无铁芯扁线风力发电机水平设置时，空心转轴此时主要由磁极8.1、8.2和8.1’和8.2’提供一个与重力方向相反的悬浮力，底部磁极对8.4.1和8.4.2提供向外的推力，保护装置内部磁极8.6.1和8.6.2给转轴提供一个向内的力；磁极8.1为具有一定厚度的径向充磁的环状磁极，磁极8.2为瓦型磁极，利用同性相斥原理形成一个与重力方向相反的悬浮力；磁极8.1’和8.1结构相同，磁极8.2’和8.2相同，利用异性相吸原理形成一个与重力方向相反的悬浮力，减轻轴承的磨损。
本实用新型的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本实用新型要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：包括叶片、主轴、多个转子盘、多个定子盘和机壳，所述叶片固定在主轴一端，主轴另一端伸入机壳，并与机壳转动连接；所述主轴在与机壳互相靠近的位置设有互相配合的磁极对，所述磁极对使主轴悬浮在机壳上；所述多个转子盘和多个定子盘均设置于机壳内，所述多个转子盘固定连接在主轴上，所述多个定子盘固定在机壳内壁上，所述多个转子盘和多个定子盘沿主轴轴向方向间隔设置；所述转子盘正面设有正面内环磁极和正面外环磁极，背面设有反面内环磁极和反面外环磁极，所述正面内外环磁极和反面内外环磁极的相邻面极性相异,且构成Halbach阵列。
2.根据权利要求1所述壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：所述机壳包括互相固定连接的上机壳和下机壳，机壳内部设有空腔，所述多个转子盘、多个定子盘均设置于空腔内。
3.根据权利要求2所述壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：所述上机壳上设有通孔，下机壳内侧设有凹槽，所述主轴下端穿过上机壳的通孔伸入空腔内，且端部伸入凹槽内。
4.根据权利要求3所述壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：还包括保护装置，所述保护装置包括设置在上机壳上部的环状空心杯体和固定在主轴上的环状圆柱体，所述主轴穿过环状空心杯体，且环状圆柱体位于环状空心杯体内，所述主轴与环状空心杯体转动连接。
5.根据权利要求4所述壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：所述磁极对包括设置于凹槽内的主轴底部磁极对、环状圆柱体上方磁极对和保护装置内部磁极对。
6.根据权利要求5所述壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：所述主轴底部磁极对的两磁极分别设置于主轴底端和凹槽内侧；所述的保护装置内部磁极对的两磁极分别设置于环状空心杯体内侧和环状圆柱体外侧，所述圆柱体上方磁极对的两磁极分别设置于环状圆柱体上侧和环状空心杯体内侧。
7.根据权利要求1所述壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：所述定子盘由扁线线圈和填充材料制成，且呈盘式结构，定子盘通过螺栓固定在机壳内壁上；所述的扁线线圈采用无焊点形式的波绕组冲压绕制而成；所述的填充材料为绝缘复合材料。
8.根据权利要求1所述壁挂式无铁芯扁线风力发电机，其特征在于：所述叶片包括扭曲型叶片和叶片转轴，所述扭曲型叶片通过螺栓固定在叶片转轴上，所述叶片转轴通过螺栓固定在主轴上。
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