專利名稱：環(huán)式風力發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電機的結構，特別涉及一種具有環(huán)形電機的環(huán)式風力發(fā)電機。
背景技術：
自100年前，丹麥人發(fā)明了風力發(fā)電機以來，風力發(fā)電技術取得了長足的進步。近20年，由于應用了空氣動力好的新翼型，復合材料槳葉的制造技術，新型電機制造技術，電子控制技術，多種機械加工技術，大型設備吊裝技術和計算機遠方監(jiān)控技術，使風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的面目煥然一新，風電設備的可靠性和實用性有了很大提高。全球風電產(chǎn)業(yè)近15年出現(xiàn)勃勃生機，年平均增長率達到了26％，如今，風電已成為電力行業(yè)中的朝陽產(chǎn)業(yè)。
10年前，丹麥的四大名牌，(Vestas、Bonas、NTK、Micon)曾經(jīng)包攬了全球風電機市場的2/3，他們的共同的技術特點是定轉速、長葉片、上風式、三槳葉、異步電機、軟切入并網(wǎng)；區(qū)別是在定槳和變槳以及定極和變極上有所不同。
然而，風電的發(fā)電成本，與現(xiàn)實需求，還有較大差距，風電成本比火電成本高1～2倍，主要根源是容量系數(shù)(年發(fā)電的等效小時/8760)比較低和機組單位造價比較高兩個方面。
如圖5所示，傳統(tǒng)的風力發(fā)電機，其風輪通過傳動主軸與發(fā)電機相連，常規(guī)發(fā)電機需要高速旋轉，才能工作，因而要有一個增速齒輪箱。(如MW級風電機，風輪只有15～20r.p.m，發(fā)電機需1500r.p.m)而齒輪箱成本高，易磨損，故障多。
近幾年，以德國Enercon為代表，開發(fā)變轉速機型有了長足的發(fā)展，并成為世界第一風電大國-德國的最大風機銷售商。其突出特點是采用大直徑盤式發(fā)電機從而省掉了齒輪箱。
瑞典ABB公司最近研制了一種高壓發(fā)電機，稱作Powerfomer型，如圖6，是盤式，采用高電壓、AC/DC技術，多臺風電機組可并入DC網(wǎng)，DC網(wǎng)經(jīng)換流站并入AC網(wǎng)，這種風電機組不僅省掉了齒輪箱，還省掉了變壓器。
但傳統(tǒng)機型具有結構復雜，設備昂貴，由葉片微顫和抖動引起的機組的震動較大等缺點。
在授權公告號CN2459457Y，CN2448941Y介紹了一種高效便攜式戶用風力發(fā)電機和其自適應調速裝置，其特點是外形為雙曲線形的喇叭狀風罩罩體內設有導風肋板，根據(jù)風罩內不同截面風力強度迅速遞減的規(guī)律，使用自適應調速裝置將電機及風輪移動到適當?shù)奈恢?，從而消除風力大時強風飛車的危險。
上述技術與失速效應來防止飛車的傳統(tǒng)機型相比，雖能提高機組的效率，增加發(fā)電量，但在風輪的氣流通道上設有自適應調速裝置，影響空氣流動，并具有結構較復雜的缺點。

發(fā)明內容
為了解決目前風電機所存在的問題，本發(fā)明人經(jīng)過長期研究，開發(fā)出一種全新的，高效、結構簡單、可靠的環(huán)式風力發(fā)電機。
本發(fā)明技術方案所提供的發(fā)電裝置是由多槳葉外環(huán)風輪、環(huán)形發(fā)電機、翼型斷面的罩體、回轉體及塔架構成。新結構減少了許多部件，是風力發(fā)電機的創(chuàng)新。
本發(fā)明中的環(huán)式風力發(fā)電機，包括一塔架、一設置在塔架頂端的回轉體、一通過罩托固定在回轉體上的環(huán)罩、和由多葉槳葉通過一輪轂固定而成的一風輪，其特征為，還包括一環(huán)形發(fā)電機，該環(huán)形發(fā)電機包括環(huán)形轉子和環(huán)形定子；上述風輪的周邊固定有一風輪外環(huán)，上述環(huán)形轉子固定套在該風輪外環(huán)的外圍，該環(huán)形轉子與風輪外環(huán)通過固定在其外緣的止推和導向組合軸承整體支撐；上述環(huán)罩的喉部設有環(huán)形凹槽，上述止推和導向組合軸承、環(huán)形轉子和風輪外環(huán)依次由外而內同軸設置于環(huán)罩的環(huán)形凹槽內，該環(huán)罩的頭部內對應于環(huán)形轉子設有環(huán)形定子。
上述環(huán)形定子由絕緣層包裹硅鋼疊片和繞組線圈而成。
上述環(huán)形轉子的硅鋼疊片層內鑲有稀土磁鋼。
上述環(huán)形發(fā)電機采用橫向磁通。
上述回轉體與罩托之間采法蘭連接固定，其中部設有回轉軸承。
上述環(huán)罩的軸向截面為翼型。
上述環(huán)式風力發(fā)電機的主要特點為1，風能利用較充分
●符合空氣動力學的要求，在風輪的前后氣流通道上沒有影響空氣流動的其他物體。
●環(huán)罩內風輪旋轉尾流形成的負壓抽吸作用，可使風輪功率增強，即產(chǎn)生旋風效應。
●多只葉片的根部固定在一個流線體輪箍上，頂部固定在葉輪外環(huán)上，此結構可防止葉片的微顫和抖動，有效地減少機組的振動，實現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)電。
●風輪轉速隨風速大小而變，全風速段的葉尖高速比均處于風輪效率曲線的高效區(qū)內(η-λ曲線)。
2、發(fā)電機效率高●環(huán)形電機可以最大限度地提高磁極旋轉的線速度，從而可以選擇較高的電壓等級。
●環(huán)形電機直徑較大，可以使定子和轉子的散熱效果較好。
●發(fā)電機定子線圈及出線采用新型絕緣材料，可以確保環(huán)形電機能夠實現(xiàn)高電壓安全運行，從而提高電機效率。
3、可靠性高●結構簡單，沒有齒輪箱、尾舵、傳動主軸、伺服電機、偏航齒輪，液壓機構和槳距調節(jié)機構。與傳統(tǒng)機型相比減少了大部分部件和故障點，可降低故障率，提高可用率。
●環(huán)形電機的轉子與風輪緊密聯(lián)結，直接傳動、結構緊湊。
●與傳統(tǒng)機型相比，減少了許多傳感器及與之配套的控制裝置。
4、經(jīng)濟性能好本發(fā)明與同容量的傳統(tǒng)代表機型PFLEIDERER，1500kW進行了經(jīng)濟性的比較，如表1所示。表中可看出，●單機重量可由200噸減至160噸，減輕20％。
●風電機組的單位造價可由4800元/千瓦降至3600元/千瓦，降低25％。
●綜合造價可由7000元/千瓦降至5600元/千瓦，降低20％。
●在V10＝7.2米/秒的風場中，容量系數(shù)可由0.3增至0.375，提高了25％。
表1兩種機型的經(jīng)濟比較(1500kw)



5、機型適用范圍廣●本機型的工作風速帶寬，切入風速比傳統(tǒng)機型低50％；切出風速高44％?？蓴U大適用地區(qū)范圍。
●本機型可適用于大、中、小各種容量等級的風力發(fā)電機。
6、有利于發(fā)揮稀土資源的優(yōu)勢全球稀土資源80％在中國，中國的稀土資源90％在包頭，包頭市號稱“稀土城”，有稀土高科技工業(yè)園區(qū)。


圖1為本發(fā)明中環(huán)式風力發(fā)電機的外形示意圖。
圖2為本發(fā)明中環(huán)式風力發(fā)電機的垂直剖面圖。
圖3為圖2之環(huán)罩頭部結構的放大示意圖。
圖4為圖3之A-A剖面圖。
圖5為傳統(tǒng)風力發(fā)電機的結構示意圖。
圖6為ABB Powerformer機型的結構示意圖。
圖7為本發(fā)明之環(huán)式風力發(fā)電機的結構示意圖。
圖號說明1、止推和導向組合軸承2、環(huán)形轉子3、環(huán)形定子 4、風輪外環(huán)5、風輪 6、輪轂7、環(huán)罩 8、罩托9、回轉體10、環(huán)形發(fā)電機11、稀土磁鋼 12、氣隙13、繞組線圈 14、塔架15、電子箱 16、避雷設施具體實施方式
下面結合附圖，對本發(fā)明的環(huán)式風力發(fā)電機進行詳細的說明。
如圖1、2和3所示，本發(fā)明之環(huán)式風力發(fā)電機主要包括，風輪5，輪轂6，環(huán)罩7，罩托8，回轉體9，塔架14，避雷設施16(未圖示)，環(huán)形轉子2，環(huán)形定子3，止推和導向組合軸承1，風輪外環(huán)4，稀土磁鋼11，繞組線圈13。其中有外環(huán)的風輪5位于環(huán)形發(fā)電機轉子2內部，風輪5有多只槳葉，外有環(huán)4，與環(huán)形發(fā)電機轉子組合成一體。
如圖2和3所示，環(huán)形轉子2位于環(huán)罩7的喉部凹槽內，呈環(huán)狀，與風輪5的外環(huán)緊密固定，成為一體，并由其外緣的，均勻分布于環(huán)形轉子2外側凹槽內的止推和導向組合軸承1整體支撐。如圖4，上述環(huán)形轉子2的硅鋼疊片內，均勻分布地鑲有若干對釹鐵硼磁鋼11，釹鐵硼磁鋼11的數(shù)量可根據(jù)發(fā)電機功率大小，可從24個12對極到192個96對極之間適當決定。實踐中發(fā)現(xiàn)，稀土永磁電機效率高，而且抗衰減、抗老化、抗腐蝕性能強。
環(huán)形定子3其硅鋼疊片及繞組線圈13均位于環(huán)罩7頭部之內，呈環(huán)狀。環(huán)罩頭部與罩體的中部、尾部固定連接，定子繞組有堅實的絕緣層。環(huán)形發(fā)電機10的環(huán)形定子3與環(huán)形轉子2直徑相同、位置相對，之間有氣隙12，繞組線圈13的三相出線通過環(huán)罩7和罩托8內部，經(jīng)回轉體9中心引下。
因環(huán)形轉子2位于風輪外環(huán)處，而環(huán)形定子3與環(huán)形轉子2直徑相同、位置相對，故環(huán)形發(fā)電機可以最大限度地提高磁極旋轉的線速度，從而可以選擇較高的電壓等級。環(huán)形發(fā)電機直徑較大，可以使環(huán)形定子3和環(huán)形轉子2的散熱效果較好。發(fā)電機定子線圈及出線采用新型絕緣材料，可以確保環(huán)形電機能夠實現(xiàn)高電壓安全運行，從而提高電機效率。
罩體包括環(huán)罩7和罩托8。環(huán)罩7斷面為翼型。環(huán)罩7頭部內有放置定子3的空間。環(huán)罩7中部及尾部按軸對稱分瓣。環(huán)罩7的頭部、中部、尾部均為可裝卸式。環(huán)罩7與罩托緊密連接。環(huán)罩下部附有剛性很好的罩托8。罩托中空其下端有法蘭。
回轉體9上部有法蘭，可與罩托8的法蘭連接固定，中部有回轉軸承，以便機頭自由旋轉對風。下部有接口，以便牢固地固定在塔架14頂端。(輸出電流經(jīng)滑環(huán)、C-C電刷、電纜、電子箱及塔底的電纜通道送出。)塔架14可以是桁架，也可以是筒管。
1989年德國Jens Peter Motly所著的“風能理論、應用與測試”一書中，關于“風道式風電機比自由流風電機吸收能量多的論斷和計算推導”，以及陳通漠的《水平軸風電機型譜分析》一文中有關P.D.n與風速參數(shù)合理匹配的理論及其計算方法，同樣適用于本發(fā)明的機型。而且，針對本發(fā)明的機型所做的計算表明，電機磁極的線速度與風輪葉尖的線速度在同一數(shù)量級內，可以匹配。
如圖7所示，本發(fā)明的環(huán)式風力發(fā)電機沒有齒輪箱、尾舵、傳動主軸、聯(lián)軸器、伺服電機、偏航齒輪、液壓機構和槳距調節(jié)機構。與圖5的傳統(tǒng)機型，圖6的ABB Powerformer機型相比減少了大部分部件和故障點，可降低故障率。環(huán)形電機的轉子與風輪緊密聯(lián)結，直接傳動、結構緊湊。與傳統(tǒng)機型相比，減少了許多傳感器及與之配套的控制裝置，表2為幾種機型所需主要設備對比。
一般的發(fā)電機為徑向磁通，而本發(fā)明中的環(huán)形發(fā)電機為橫向磁通，這樣可減小發(fā)電機尺寸，而且結構更為緊湊。
表2幾種機型所需主要設備對比


本發(fā)明采用翼形的環(huán)罩結構，罩體內表面呈喇叭狀向外擴展，形成導流罩，其尾流氣旋的抽吸作用可以大幅度提高環(huán)罩進口的風速，使風功率強度提高數(shù)倍。根據(jù)計算和試驗，可使風輪直徑減至傳統(tǒng)機型的1/3左右，而且當風速很大時，增速效應漸漸減小，以使槳葉的失速特性顯現(xiàn)出來。這樣就將工作風速段拓寬，容量系數(shù)提高。同時，由于采用環(huán)形結構的稀土永磁發(fā)電機，本發(fā)明的機組部件進一步減少，結構進一步簡化，使整機的重量減少1/5左右，造價降低1/4左右。
本發(fā)明中環(huán)式風力發(fā)電機所具有的性能特點為1.平穩(wěn)的對風性能實驗證明大于等于0.4m/s即可平穩(wěn)對風；2.靈敏的起動性能本機型可迅速啟動，捕捉陣風的能量，彌補了常規(guī)機型的不足；3.高效的發(fā)電性能由于環(huán)罩內旋轉尾流的負壓抽吸作用，可使罩口風速增大一倍，風功率強度增至8倍，發(fā)電效果明顯；而且，本裝置的環(huán)形風輪及環(huán)形電機轉子具有一定的儲能、平穩(wěn)作用；4.疾風失速的性能實驗證明，當自然風速達到7級(疾風)時，槳葉的失速效應便顯現(xiàn)出來，無需調節(jié)槳距，就能起到功率限制作用。
由于具備了以上優(yōu)異性能，本發(fā)明中的環(huán)式風力發(fā)電機可明顯減少停機時間，大幅度提高風電機組的容量系數(shù)，降低發(fā)電成本。
權利要求
1.一種環(huán)式風力發(fā)電機，包括一塔架(14)、一設置在塔架(14)頂端的回轉體(9)、一通過罩托(8)固定在回轉體(9)上的環(huán)罩(7)、和由多葉槳葉通過一輪轂(6)固定而成的一風輪(5)，其特征為，包括一環(huán)形發(fā)電機(10)，該環(huán)形發(fā)電機(10)包括環(huán)形轉子(2)和環(huán)形定子(3)；上述風輪(5)的周邊固定有一風輪外環(huán)(4)，上述環(huán)形轉子(2)固定套在該風輪外環(huán)(4)的外圍，該環(huán)形轉子(2)與風輪外環(huán)(4)通過固定在其外緣的止推和導向組合軸承(1)整體支撐；上述環(huán)罩(7)的喉部設有環(huán)形凹槽，上述止推和導向組合軸承(1)、環(huán)形轉子(2)和風輪外環(huán)(4)依次由外而內同軸設置于環(huán)罩(7)的環(huán)形凹槽內，該環(huán)罩(7)的頭部內對應于環(huán)形轉子(2)設有環(huán)形定子(3)。
2.如權利要求1所述的環(huán)式風力發(fā)電機，其特征為，上述環(huán)形定子(3)由絕緣層包裹硅鋼疊片和繞組線圈而成。
3.如權利要求1所述的環(huán)式風力發(fā)電機，其特征為，上述環(huán)形轉子(2)的硅鋼疊片層內鑲有稀土磁鋼。
4.如權利要求1所述的環(huán)式風力發(fā)電機，其特征為，上述環(huán)形發(fā)電機(10)采用橫向磁通。
5.如權利要求1所述的環(huán)式風力發(fā)電機，其特征為，上述回轉體(9)與罩托(8)之間采用法蘭連接固定，其中部設有回轉軸承。
6.如權利要求1所述的環(huán)式風力發(fā)電機，其特征為，上述環(huán)罩(7)的軸向截面為翼型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效、靈敏、簡單、可靠的環(huán)式風力發(fā)電機，屬于可再生能源領域。本發(fā)明是由有外環(huán)的多槳葉風輪、橫向磁通的環(huán)形稀土永磁發(fā)電機、罩體、回轉體及塔架構成。其環(huán)式發(fā)電機具有，對風性能平穩(wěn)，實驗證明大于等于0.4m/s即可平穩(wěn)對風；起動性能靈敏；高效的發(fā)電效率高，由于環(huán)罩內風輪旋轉尾流形成的負壓抽吸作用，可使罩口風速增大一倍，風功率強度增至8倍，發(fā)電效果明顯；疾風失速性能好，可確保機組的安全；沒有齒輪箱，傳動主軸，聯(lián)軸器，剎車片，片航齒輪，伺服電機，液壓機構和槳距調節(jié)機構等易磨損部件，故障點相應減少；噪音震動小，容量系數(shù)大等優(yōu)點。
文檔編號F03D11/04GK1734086SQ20041005843
公開日2006年2月15日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權日2004年8月11日
發(fā)明者陳通謨, 陳曉忠, 陳曉清, 陳曉東 申請人:陳曉忠, 陳通謨