專利名稱：全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，尤其是涉及一種新型的全永磁懸浮微摩擦力風(fēng)力發(fā)電機。
背景技術(shù)：
風(fēng)能不但具有清潔環(huán)保、可再生的特點，而且其分布地域廣大，可以說無處不在，而且便于利用，是一種極具發(fā)展前途的新型能源。而且人們利用風(fēng)力發(fā)電，不但不會產(chǎn)生任何負(fù)面影響，而且還會帶來減緩風(fēng)力災(zāi)害、抑制荒漠化、減少或降低沙塵暴數(shù)量和強度的好處。
人們認(rèn)識和利用風(fēng)能有悠久的歷史，早期主要是利用風(fēng)車代替人類進(jìn)行灌溉、舂米等簡單的勞作，目前我們利用風(fēng)力發(fā)電，但是自然界所產(chǎn)生的風(fēng)不但風(fēng)向多變，而且風(fēng)力大小也變幻莫測，而傳統(tǒng)的機械式軸承風(fēng)力發(fā)電機，其起動風(fēng)速要求最低為3m/s，而對于我國大多數(shù)地方來說，一年之中大部分時間其風(fēng)力在3m/s以下，這就使得大量的風(fēng)力資源無法利用而白白浪費掉了，如果能夠降低風(fēng)力發(fā)電機的起動風(fēng)速，不但會提高風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的利用效能，而且會多生產(chǎn)大量電力，其經(jīng)濟效益和社會效益都極其巨大。
現(xiàn)有機械式軸承風(fēng)力發(fā)電機葉輪一般都以懸臂方式置于發(fā)電機軸一端，這樣的懸臂結(jié)構(gòu)造成發(fā)電機軸受到葉輪向下的重力作用而對其軸承產(chǎn)生非軸向力，使得軸承受力不均衡，受力狀況不佳，摩擦力較大，加上軸本身還有自重，因此目前機械式風(fēng)力發(fā)電機的起動阻力矩、起動風(fēng)速、切入風(fēng)速普遍較高而輸出功率低(三高一低)，而人們在試圖將起動阻力矩、起動風(fēng)速、切入風(fēng)速降低時，又把輸出功率也降低了，因此難以使低風(fēng)速風(fēng)力資源得到應(yīng)用。
如果能使得風(fēng)力發(fā)電機軸懸臂端克服葉輪和軸的重力作用而處于懸浮狀態(tài)，則能消除軸承的不均衡徑向力，并能大大減少整個發(fā)電機組軸承所受徑向力，同時能大大減少軸承的摩擦力，可以有效降低風(fēng)力發(fā)電機的起動風(fēng)速。目前的磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，如美國的電磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，由于懸浮軸承在各個自由度都需要控制，因此其控制系統(tǒng)極其復(fù)雜和龐大，其成本非常高昂，并且對運行中的維護(hù)和應(yīng)用環(huán)境很挑剔，不能廣泛適用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。
實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本實用新型提供一種利用磁懸浮技術(shù)克服懸臂軸受重力撓性變形的風(fēng)力發(fā)電機。本實用新型采用特定的磁路結(jié)構(gòu)，利用所產(chǎn)生的向上的磁作用力克服葉輪和軸自身重力，不但使得發(fā)電機軸承受力得到均衡，還減小了軸承所產(chǎn)生的摩擦力，從而能有效降低風(fēng)力發(fā)電機的起動阻力矩、起動風(fēng)速、切入風(fēng)速，同時能較大幅度提高輸出功率。
本實用新型的技術(shù)方案如下全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，包括機架、機械軸承、軸和葉輪，所述葉輪設(shè)置于軸前部，所述軸通過機械軸承與機架相連，其特征在于所述葉輪和機械軸承之間設(shè)置有一組或多組利用環(huán)繞在軸上并分別固定在軸和機架上的對應(yīng)磁極的位差產(chǎn)生向上磁性力以抵消所述葉輪和軸重力的永磁懸浮裝置。
所述永磁懸浮裝置包括一永磁體轉(zhuǎn)子和于其側(cè)對應(yīng)設(shè)置的一個或兩個永磁體定子，所述轉(zhuǎn)子套裝于軸上并可隨軸一起轉(zhuǎn)動，定子固定設(shè)置在機架上，且轉(zhuǎn)子和定子的軸心具有一高度差。
所述定子軸心高于轉(zhuǎn)子軸心，定子和轉(zhuǎn)子具有相反的磁極結(jié)構(gòu)；或者是定子軸心低于轉(zhuǎn)子軸心，定子和轉(zhuǎn)子具有相同的磁極結(jié)構(gòu)。
所述轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成拉推磁路結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子和定子分別由沿徑向分布的相鄰磁極交替的磁塊組成，所述磁塊為環(huán)行結(jié)構(gòu)。
所述葉輪和機械軸承之間還設(shè)置有用以抵消所述永磁懸浮裝置所產(chǎn)生軸向力的吸斥磁路。
所述吸斥磁路由定磁環(huán)和動磁環(huán)組成，所述動磁環(huán)套裝于所述軸上，所述定磁環(huán)與機架固定相連。
所述定磁環(huán)和動磁環(huán)皆為永磁體結(jié)構(gòu)。
所述永磁懸浮裝置為反向拉推磁路裝置，所述定子為兩個且并列對稱設(shè)置于所述轉(zhuǎn)子兩側(cè)，所述定子固定設(shè)置于機架上。
所述轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成拉推磁路結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子和定子分別由沿徑向分布的相鄰磁極交替的磁塊組成，所述磁塊為環(huán)行結(jié)構(gòu)。
本實用新型的技術(shù)效果為本實用新型的永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，在風(fēng)輪和機械軸承之間設(shè)置有一組或多組利用相對應(yīng)的且分別設(shè)置在軸和機架上的磁極位差產(chǎn)生向上磁性力以抵消所述風(fēng)輪和軸重力的永磁懸浮裝置，由于對應(yīng)的磁極存在位差，就能抵消葉輪和軸的重量，具體地，這種位差使得對應(yīng)的同性磁極在徑向盡力排斥，異性磁極在徑向盡力吸引，合理設(shè)置磁極的位置，就能產(chǎn)生向上的作用力，抵消葉輪和軸向下的重力，使得機械軸承的受力大為減小，特別是懸臂軸撓性變形狀況得到明顯改善，其所產(chǎn)生的摩擦力大幅減小，從而不但降低風(fēng)力發(fā)電機的起動阻力矩、起動風(fēng)速、切入風(fēng)速，同時能提高輸出功率。因此本實用新型既擴大了可利用的有效風(fēng)速范圍，又提高了輸出的發(fā)電量，能使低風(fēng)速風(fēng)力資源得到應(yīng)用，同時采用永磁體結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、使用和維護(hù)都方便，有巨大的經(jīng)濟和社會價值。
由于能產(chǎn)生磁極位差的磁路不但會產(chǎn)生向上的懸浮力，還會同時產(chǎn)生一軸向力，該軸向力會增加軸承的負(fù)荷，為了抵消該軸向力，在風(fēng)力發(fā)電機組軸上還可設(shè)置用以抵消所述軸向力的吸斥磁路。針對所產(chǎn)生軸向力的方向不同，可以利用吸斥磁路產(chǎn)生吸力或斥力來予以消除。這樣就可以避免由于產(chǎn)生軸向力而增加軸承的摩擦力。
本實用新型定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成拉推磁路，能進(jìn)一步增大向上的懸浮力，可以在實現(xiàn)三低一高的同時，制作大型的風(fēng)力發(fā)電機，提高發(fā)電機的裝機容量。
本實用新型還提供了一種可以自行抵消軸向力的反向拉推磁路，通過在轉(zhuǎn)子兩側(cè)分別設(shè)置定子，使轉(zhuǎn)子分別受到兩定子的磁性力，由于兩磁性力具有方向相反的軸向力，可以相互抵消，從而不需另外設(shè)置吸斥磁路，使得整個磁路結(jié)構(gòu)得以簡化。
實驗證明，傳統(tǒng)的機械式軸承風(fēng)力發(fā)電機其起動風(fēng)速最低為3.5m/s，本實用新型的風(fēng)力發(fā)電機其起動風(fēng)速可有效降低為1.5m/s，并可提高輸出發(fā)電功率20％。


圖1為本實用新型的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為拉推磁路的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為反向拉推磁路的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為反向拉推磁路的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖2的吸斥磁路結(jié)構(gòu)示意圖。
1-葉輪，2-軸，3-機械軸承，4-發(fā)電機，5-定子，6-轉(zhuǎn)子，7-定磁環(huán)，8-動磁環(huán)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明。
如圖1所示為本實用新型的一種實施例。
傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機組包括葉輪1、軸2、機械軸承3、發(fā)電機4，其中葉輪1一般都設(shè)置于軸2的一端，發(fā)電機4設(shè)置于軸2的另一端，發(fā)電機4兩端分別設(shè)置有機械軸承3。由于風(fēng)力的方向變換不定，葉輪1需要不斷變換角度以正對風(fēng)向，軸2通過一機械旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)置于機架上。
這樣的軸結(jié)構(gòu)為典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，軸2受葉輪1重力影響會產(chǎn)生一定的撓性變形，并在機械軸承3上產(chǎn)生一非軸向力，從而機械軸承3在隨軸2轉(zhuǎn)動時，由于軸2撓性變形會對機械軸承3產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響，同時葉輪1自身重力也將使得機械軸承3的摩擦力增大，這些都將影響風(fēng)力發(fā)電機的起動阻力矩、起動風(fēng)速、切入風(fēng)速和輸出發(fā)電功率。
本實施例在葉輪1和機械軸承3之間設(shè)置了一組拉推磁路裝置，由定子5和轉(zhuǎn)子6組成，定子5和轉(zhuǎn)子6均由沿徑向分布的相鄰磁極交替的環(huán)形永磁塊構(gòu)成，定子5其外側(cè)環(huán)形磁極為N極，轉(zhuǎn)子6其外側(cè)環(huán)形磁極為S極。
為了增加拉推磁路的作用力，本實施例中轉(zhuǎn)子和定子采用多級磁環(huán)組合磁路結(jié)構(gòu)，分別為4個磁環(huán)，各級磁環(huán)之間磁極交替為N極或S極。
定子5和轉(zhuǎn)子6均套裝于軸2上，其中轉(zhuǎn)子6固定套裝于軸2上并隨軸2轉(zhuǎn)動，定子5偏心設(shè)置于軸2上并其外側(cè)固定設(shè)置于機架上，定子5不隨軸2轉(zhuǎn)動。定子5的軸心與轉(zhuǎn)子6的軸心具有一高度差δ，即定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極的位差，當(dāng)轉(zhuǎn)子6隨軸2轉(zhuǎn)動時，總是受到定子5對其產(chǎn)生的引力Fδ，F(xiàn)δ可以分解成軸向力Fδz和徑向力FδR，其中徑向力FδR與葉輪1和軸2的重力方向相反，可以相互抵消，從而使得負(fù)擔(dān)葉輪1的軸2的部分懸浮，減輕軸承3所受的負(fù)荷，減小機械支撐3的支撐力，降低摩擦力。
影響徑向力FδR的因素包括定子5和轉(zhuǎn)子6之間的水平間距δ1以及軸心高度差δ以及定子5和轉(zhuǎn)子6的磁通強度，調(diào)整這些因素就可以使得FδR至少大于葉輪1重力，乃至抵消部分軸的重力，使得機械軸承3承受較小的重力，大大改善機械軸承3的受力狀態(tài)。
本實施例中還在拉推磁路裝置和軸承3之間設(shè)置有吸力磁路，吸力磁路由定磁環(huán)7和動磁環(huán)8組成，動磁環(huán)8固定套裝于軸2上并隨軸2轉(zhuǎn)動，定磁環(huán)7與動磁環(huán)8相對應(yīng)套于軸2上但與機架相固定，動磁環(huán)8與定磁環(huán)7其對應(yīng)端磁極相異，則動磁環(huán)8受定磁環(huán)7吸引而產(chǎn)生軸向力，該軸向力與Fδz反向，只要調(diào)整動磁環(huán)8和定磁環(huán)7之間的距離δ2以及磁通強度，就可以使該軸向力與Fδz大小相等而相互抵消，從而徹底消除葉輪1重力對機械軸承3的影響，使得機械軸承3的摩擦力大幅降低，并降低風(fēng)力發(fā)電機的起動風(fēng)速和提高發(fā)電輸出功率。
實驗證明，采用本實用新型的風(fēng)力發(fā)電機，可以有效降低起動阻力矩、起動風(fēng)速、切入風(fēng)速和提高發(fā)電輸出功率，其中，起動力矩降低73.3％，起動風(fēng)速由3.5m/s降低為1.5m/s，切入風(fēng)速降低23.8％，在同樣風(fēng)速下發(fā)電輸出功率可提高20％。
在本實施例中，也可以將定子5其外側(cè)磁極改為S極，而將轉(zhuǎn)子6其外側(cè)磁極改為N極，轉(zhuǎn)子6所受引力Fδ不變。即在定子5軸心高于轉(zhuǎn)子6軸心時，其對應(yīng)磁極相異，則相互吸引而產(chǎn)生設(shè)定的向上引力。
圖5所示為本實施例的另一結(jié)構(gòu)方式，即定子5和轉(zhuǎn)子6在軸上的位置調(diào)換，將定子5設(shè)置于轉(zhuǎn)子6的左側(cè)，由動磁環(huán)8和定磁環(huán)7構(gòu)成的吸力磁路較佳地設(shè)置在轉(zhuǎn)子6的右2，靠近葉輪。
圖2所示為本實用新型拉推磁路的另一實施例。
本實施例中將定子5的軸心低于轉(zhuǎn)子6的軸心，定子5軸心與轉(zhuǎn)子6軸心也具有高度差δ。本實施例中只要將定子5和轉(zhuǎn)子6的對應(yīng)磁極設(shè)為同性磁極，則由于相互排斥而在轉(zhuǎn)子6上產(chǎn)生斥力Fδ，其可分解為向上的徑向力FδR與軸向力Fγz，其中徑向力FδR與葉輪1和軸2的重力相抵消。
對于本實施例中，由于軸向力Fδz方向與前一實施例中相反，故其吸力磁路相應(yīng)改變?yōu)橥屏Υ怕?，只需要將動磁環(huán)8和定磁環(huán)7的對應(yīng)端設(shè)為同性磁極，則其所產(chǎn)生的斥力依然與軸向力Fδz方向相反。
本實施例也可以采用圖5所示的結(jié)構(gòu)方式。
圖3、圖4所示為本實用新型的另外兩種實施例。
圖示實施例的永磁懸浮裝置為反向拉推磁路結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子6為雙側(cè)多磁塊永磁體組合結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子6兩側(cè)分別設(shè)置有定子5，構(gòu)成兩組拉推磁路，并使定子5的軸心與轉(zhuǎn)子6的軸心具有一高度差δ。
在圖3中，定子5軸心高于轉(zhuǎn)子6軸心。與圖1所示的實施例相同，使定子5和與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)子6的磁極對應(yīng)設(shè)置為相異磁極，轉(zhuǎn)子6兩側(cè)將分別受到定子5的吸引，其徑向力FδR皆向上，其軸向力Fδz大小相等、方向相反，正好相互抵消，因此本實施例的結(jié)構(gòu)，不需要再設(shè)置吸力磁路或推力磁路，可以簡化磁路結(jié)構(gòu)。
圖4中，定子5軸心低于轉(zhuǎn)子6軸心。與圖2所示的實施例相同，使定子5和與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)子6的磁極對應(yīng)設(shè)置為相同磁極，轉(zhuǎn)子6兩側(cè)將分別受到定子5的排斥，其徑向力FδR皆向上，其軸向力Fδz大小相等、方向相反，正好相互抵消，因此本實施例的結(jié)構(gòu)，也不需要再設(shè)置吸力磁路或推力磁路，磁路結(jié)構(gòu)簡單。
在圖3和圖4所示實施例中，轉(zhuǎn)子6為結(jié)構(gòu)相同的多磁塊雙永磁體結(jié)構(gòu)，但是，轉(zhuǎn)子6也可以是單塊或單環(huán)永磁體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)相異的雙永磁體結(jié)構(gòu)。
以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，依據(jù)本實用新型的發(fā)明精神和實質(zhì)，還可以做出很多的變型和改進(jìn)，但這些變型和改進(jìn)均將落入本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，包括機架、機械軸承、軸和風(fēng)輪，所述風(fēng)輪設(shè)置于軸前部，所述軸通過機械軸承與機架相連，其特征在于所述風(fēng)輪和機械軸承之間設(shè)置有一組或多組利用環(huán)繞在軸上并分別設(shè)置在軸和機架上的對應(yīng)磁極的位差產(chǎn)生向上磁性力以消除所述風(fēng)輪重力影響的永磁懸浮裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述永磁懸浮裝置包括一永磁體轉(zhuǎn)子和于其側(cè)對應(yīng)設(shè)置的一個或兩個永磁體定子，所述轉(zhuǎn)子套裝于軸上并可隨軸一起轉(zhuǎn)動，定子固定在機架上，且轉(zhuǎn)子和定子的軸心具有一高度差。
3.如權(quán)利要求2所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述定子軸心高于轉(zhuǎn)子軸心，定子和轉(zhuǎn)子具有相反的磁極結(jié)構(gòu)；或者是定子軸心低于轉(zhuǎn)子軸心，定子和轉(zhuǎn)子具有相同的磁極結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成拉推磁路結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子和定子分別由沿徑向分布的相鄰磁極交替的磁塊組成，所述磁塊為環(huán)行結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述葉輪和機械軸承之間還設(shè)置有用以抵消所述永磁懸浮裝置所產(chǎn)生的軸向力的吸斥磁路。
6.如權(quán)利要求5所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述吸斥磁路由定磁環(huán)和動磁環(huán)組成，所述動磁環(huán)套裝于所述軸上，所述定磁環(huán)與機架固定相連。
7.如權(quán)利要求6所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述定磁環(huán)和動磁環(huán)皆為永磁體結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求3所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述永磁懸浮裝置為反向拉推磁路裝置，所述轉(zhuǎn)子為雙側(cè)設(shè)置永磁體的組合結(jié)構(gòu)，所述定子為兩個并分別對稱設(shè)置于所述轉(zhuǎn)子兩側(cè)，所述定子固定設(shè)置于機架上。
9.如權(quán)利要求8所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述定子與轉(zhuǎn)子分別由沿徑向分布的相鄰磁極交替的磁環(huán)。
10.如權(quán)利要求9所述的全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述定子或轉(zhuǎn)子各相對應(yīng)的磁環(huán)其磁極相同或相反。
專利摘要本實用新型提供了一種全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，包括機架、機械軸承、軸和風(fēng)輪，所述風(fēng)輪設(shè)置于軸前部，所述軸通過機械軸承與機架相連，其特征在于所述風(fēng)輪和機械軸承之間設(shè)置有一組或多組利用環(huán)繞在軸上并分別設(shè)置在軸和機架上的對應(yīng)磁極的位差產(chǎn)生向上磁性力以消除所述風(fēng)輪重力影響的永磁懸浮裝置。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單合理、起動風(fēng)速低、輸出功率大的優(yōu)點。
文檔編號F03D11/00GK2881140SQ20062002280
公開日2007年3月21日 申請日期2006年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月6日
發(fā)明者李國坤, 曾智勇, 謝丹平 申請人:廣州中科恒源能源科技有限公司