一種小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，包括靜止部分和轉(zhuǎn)動部分。靜止部分含沿軸向依次由外向內(nèi)對稱固定在垂直定子支撐軸上的上下端蓋擋環(huán)，上下保護軸承，上下徑向磁軸承定子以及中間固定的發(fā)電機定子，下端蓋擋環(huán)上固定有軸向磁軸承靜磁環(huán)，定子支撐軸支撐在地面的塔架上；轉(zhuǎn)動部分含固定在風力機外殼上的風力機葉片，外殼上下端蓋內(nèi)分別連接發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子，雙外轉(zhuǎn)子內(nèi)分別嵌裝有徑向磁軸承轉(zhuǎn)子，外殼下端蓋內(nèi)孔嵌裝軸向磁軸承動磁環(huán)。本發(fā)明上下徑向磁軸承分別實現(xiàn)左右前后四個自由度懸浮，軸向動、靜磁環(huán)間斥力和動磁環(huán)與壓緊螺母之間吸力支撐風力機重量并保持軸向自由度平衡，可實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，且無噪聲、無摩擦損耗、啟動風速低。
【專利說明】
一種小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，尤其是一種軸向長度短、結(jié)構(gòu)緊湊、徑向和軸向受力穩(wěn)定的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]小型低風速風力發(fā)電機非常適用于無電網(wǎng)的邊遠地區(qū)，可以作為分布式電源給這些地區(qū)提供所需電力。與水平軸風力發(fā)電機相比較，垂直軸風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，可以捕捉不同的風向，具有可分散、單獨使用以及小型化的特點，特別適用于牧場、海島、山區(qū)、樓頂?shù)葓龊稀?br>[0003]但是自然的風力大小和方向在不斷的變化，根據(jù)風速大小分為O?12級，其中0~2級稱為輕微風，相應(yīng)微風風速是0.55?1.67m/s，輕風為1.94?3.33m/s?，F(xiàn)有的風力發(fā)電機啟動風速較大，一般為3?5m/s風速啟動，最低為2m/s。
[0004]為了減少機械摩擦，實現(xiàn)“輕風啟動，微風發(fā)電”，中國專利公開號為CN102338038A，名稱為“盤式磁懸浮內(nèi)轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組”的專利文獻利用永磁轉(zhuǎn)子和定子鐵芯的吸力，減少機械軸承承受的軸向力，但是徑向自由度仍需要機械軸承，不能完全消除摩擦力。中國專利公開號為CN104389741A，名稱為“一種豎直軸外轉(zhuǎn)子磁懸浮風力發(fā)電機”的專利文獻利用上、下軸向磁軸承和上、下徑向磁軸承來實現(xiàn)無摩擦懸浮，并利用電勵磁調(diào)節(jié)使其穩(wěn)定懸浮。中國專利公開號為CN204283732U，名稱為“一種垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機”的專利文獻利用徑向混合磁軸承和軸向磁軸承實現(xiàn)五自由度懸浮，完全消除了機械摩擦，這兩種方法磁軸承沿軸向分布過長，控制復(fù)雜，還增加了永磁體的用量，會增加成本，不利于風力機縮小體積，減輕重量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機。它能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動部分五自由度懸浮，轉(zhuǎn)動部分與靜止部分完全消除機械摩擦和磨損，磁懸浮軸承在發(fā)電機內(nèi)部，充分利用發(fā)電機內(nèi)部空間，大大減少軸向長度，結(jié)構(gòu)緊湊，并且軸向利用吸力和斥力來分別承受軸向力和保持軸向穩(wěn)定懸浮。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，包括靜止部分和轉(zhuǎn)動部分。所述靜止部分包括沿軸向依次由外向內(nèi)對稱固定在垂直定子支撐軸上的上、下端蓋擋環(huán)，上、下保護軸承，上、下徑向磁軸承定子，以及中間固定的發(fā)電機定子，下端蓋擋環(huán)上固定有軸向磁軸承靜磁環(huán)，所述定子支撐軸支撐在地面的塔架上;所述轉(zhuǎn)動部分包括風力機葉片，風力機葉片固定在風力機外殼上，風力機外殼上、下端蓋內(nèi)分別連接發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子，發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子上分別粘貼有永磁體，發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子內(nèi)分別嵌裝有徑向磁軸承轉(zhuǎn)子，所述風力機外殼下端蓋內(nèi)孔嵌裝軸向磁軸承動磁環(huán)。
[0007]所述上、下徑向磁軸承定子分別是由與所述定子支撐軸螺紋連接的壓緊螺母將定子永磁環(huán)、隔磁材料固定在與所述定子支撐軸固定連接的磁環(huán)臺上而成;徑向磁軸承轉(zhuǎn)子是通過轉(zhuǎn)子永磁環(huán)、隔磁材料嵌入到發(fā)電機轉(zhuǎn)子而成;徑向磁軸承定子與徑向磁軸承轉(zhuǎn)子間的工作氣隙范圍為1.5?3mm。
[0008]進一步，所述徑向磁軸承定子磁環(huán)和轉(zhuǎn)子磁環(huán)為相對徑向充磁，相互排斥形成徑向推力。當風力大小改變時，徑向所受承載力使其發(fā)生左右搖動，徑向磁軸承定子磁環(huán)和轉(zhuǎn)子磁環(huán)間工作氣隙小的一側(cè)會產(chǎn)生較大的斥力，來維持徑向自由度平衡，完成風力機轉(zhuǎn)子徑向四個自由度平衡。
[0009]進一步，所述軸向磁軸承為軸向充磁且同極相背，由軸向磁軸承動磁環(huán)與壓緊螺母之間的吸力和軸向磁軸承動磁環(huán)與靜磁環(huán)間的斥力支撐發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分的整體重量和保持軸向自由度穩(wěn)定懸浮。當風力變大時，軸向所受承載力變大，軸向動、靜磁環(huán)間的工作氣隙變小，斥力變大，使風力機旋轉(zhuǎn)部分保持上、下自由度平衡。
[0010]進一步，發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子上粘貼的永磁體，軸向磁軸承動、靜磁環(huán)，以及徑向磁軸承所用的永磁環(huán)均為高磁能積的釹鐵硼材料。
[0011]優(yōu)選的，所述上端蓋擋環(huán)和風力機外殼上端蓋間保護間隙范圍為0.5?1mm。
[0012]優(yōu)選的，風力機外殼上端蓋和上保護軸承間的保護間隙、風力機外殼下端蓋和下保護軸承間的保護間隙范圍均為0.5?1mm。
[0013]所述發(fā)電機定子是集中繞組，其中心圓盤部分與磁環(huán)臺直徑大小一樣，并固定在所述定子支撐軸上，中心以外部分圓盤是由環(huán)氧樹脂澆注而成。
[0014]所述上、下端蓋擋環(huán)與其對應(yīng)的所述定子支撐軸部分螺紋連接。
[0015]優(yōu)選的，所述軸向磁軸承包括動磁環(huán)、靜磁環(huán)、隔磁材料，其中動磁環(huán)、隔磁材料內(nèi)嵌在風力機外殼下端蓋內(nèi)孔處，靜磁環(huán)固定在下端蓋上，軸向動、靜磁環(huán)間為軸向工作氣隙范圍為1~2_，軸向磁軸承動磁環(huán)與壓緊螺母之間為軸向工作氣隙范圍為1.5~3mm，軸向磁軸承動磁環(huán)與下保護軸承之間為保護間隙范圍為0.5?Imm。
[0016]優(yōu)選的，發(fā)電機定子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)永磁體間的工作氣隙為I?2mm。
[0017]基于上述，本發(fā)明小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明利用徑向、軸向磁軸承實現(xiàn)五自由度懸浮，完全消除機械摩擦，并且軸向利用動磁環(huán)和壓緊螺母間的吸力和軸向動、靜磁環(huán)間的斥力來支撐風力機旋轉(zhuǎn)部分整體重量并且實現(xiàn)軸向穩(wěn)定懸浮，減少永磁體厚度，降低發(fā)電機成本。
[0018]徑向、軸向磁軸承安裝在發(fā)電機本體內(nèi)部，充分利用發(fā)電機內(nèi)部空間，使發(fā)電機軸向長度大大縮短，減小風力機整體重量。
[0019]綜合上述優(yōu)點，本發(fā)明一種垂直軸磁懸浮風力發(fā)電具有無噪聲、啟動風速低、無摩擦、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、徑向和軸向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定懸浮、成本低的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)“輕風啟動，微風發(fā)電”。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的徑向磁軸承軸向剖面圖；
圖3是圖2的A-A剖視圖；
圖4是本發(fā)明的軸向磁軸承軸向剖面圖。
[0021 ]圖中各標號:I是風力機葉片，2和7是風力機外殼上、下端蓋，31和31/是徑向磁軸承定子，32和32'是徑向磁軸承轉(zhuǎn)子，310是徑向工作氣隙，311和31V是壓緊螺母，312是定子永磁環(huán)，321是轉(zhuǎn)子永磁環(huán)，322是隔磁材料，41和61是發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子，42和62是粘貼在發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子上的永磁體，5是發(fā)電機內(nèi)定子，8是沉頭螺釘，90是風力機外殼2與上保護軸承12間的保護間隙，91是軸向磁軸承動磁環(huán)，93、95是軸向工作氣隙，94是軸向磁軸承靜磁環(huán)，11是風力機塔架，12和13是保護軸承，14和15是風力機外殼上、下端蓋擋環(huán)，141是風力機外殼上端蓋與上端蓋擋環(huán)間的保護間隙。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明:
如圖1所示，一種小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，包括靜止部分與轉(zhuǎn)動部分:
所述靜止部分包括沿軸向依次由外向內(nèi)對稱固定在垂直定子支撐軸上的上、下端蓋擋環(huán)14、15，上、下保護軸承12、13，徑向磁軸承定子31、3V，以及中間固定的發(fā)電機定子5，下端蓋擋環(huán)15上粘貼有軸向靜磁環(huán)94，所述定子支撐軸支撐在地面的塔架11上。上、下端蓋擋環(huán)14、15均為隔磁材料，上、下端蓋擋環(huán)與其對應(yīng)的定子支撐軸螺紋連接。
[0023]所述轉(zhuǎn)動部分包括風力機葉片I，風力機葉片I固定在風力機外殼上，風力機外殼上、下端蓋2、7內(nèi)分別連接發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子41和61，發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子41和61上分別粘貼有永磁體42和62，發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子41和61內(nèi)嵌裝有徑向磁軸承轉(zhuǎn)子32和32'，風力機外殼下端蓋7內(nèi)孔嵌裝軸向磁軸承動磁環(huán)91，軸向磁軸承動磁環(huán)91與下端蓋擋環(huán)15上粘貼的軸向磁軸承靜磁環(huán)94，同極相背，形成軸向斥力。風力機的上、下殼用沉頭螺釘8固定，上、下殼內(nèi)壁分別固定有雙外轉(zhuǎn)子41、61，雙外轉(zhuǎn)子分別粘貼有永磁體42、62，其粘貼劑可用1015319結(jié)構(gòu)膠，永磁體和磁軸承永磁環(huán)均用高磁能積的釹鐵硼材料，發(fā)電機定子是無槽無鐵芯結(jié)構(gòu)，采用集中繞組，其中心圓盤部分與磁環(huán)臺直徑大小一樣，并固定在定子支撐軸上，中心以外部分圓盤是由環(huán)氧樹脂澆注而成，這樣利于加工、安裝，定子無槽無鐵芯不僅減輕了電機重量而且消除了與之相關(guān)的齒槽轉(zhuǎn)矩和鐵芯損耗。
[0024]如圖2所示，徑向磁軸承定子31是由與所述定子支撐軸螺紋連接的壓緊螺母311將定子永磁環(huán)312、隔磁材料322固定在與所述定子支撐軸固定連接的磁環(huán)臺313上而成，磁環(huán)臺313是定子支撐軸凸出的部分，和定子支撐軸是固定連接一體的，徑向磁軸承轉(zhuǎn)子32通過隔磁材料322嵌入到外轉(zhuǎn)子41(見圖1)中；徑向磁軸承定子31和徑向磁軸承轉(zhuǎn)子32間工作氣隙310范圍為1.5?3mm;上端蓋擋環(huán)14和風力機外殼上端蓋2間保護間隙141、風力機外殼上端蓋2和上保護軸承12間的保護間隙90范圍均為0.5?Imm。
[0025]如圖3所示，徑向磁軸承定子永磁環(huán)312和轉(zhuǎn)子永磁環(huán)321同極相對，形成徑向的斥力，當風力大小改變時，徑向所受承載力使其發(fā)生左右搖動，徑向磁軸承定子磁環(huán)和轉(zhuǎn)子磁環(huán)間工作氣隙小的一側(cè)會產(chǎn)生較大的斥力，來維持徑向自由度平衡，滿足徑向上、下四個自由度的懸浮，下徑向磁軸承和上徑向磁軸承一樣，不再贅述。
[0026]如圖4所示，軸向磁軸承動磁環(huán)91通過隔磁材料92嵌入到風力機外殼下端蓋7中，軸向磁軸承動磁環(huán)91和壓緊螺母31V之間的軸向工作氣隙93范圍為1.5?3mm，風力機外殼下端蓋7和下保護軸承13間的保護間隙90范圍為0.5?1mm，軸向磁軸承動磁環(huán)91和靜磁環(huán)94間的軸向工作氣隙95范圍均為I?2_;壓緊螺母31V為A3鋼導(dǎo)磁材料，壓緊螺母與軸向磁軸承動磁環(huán)間的吸力和軸向動、靜磁環(huán)間的斥力來支撐風力機軸向整體重量和保持軸向自由度穩(wěn)定懸浮。風力變大時，軸向所受承載力變大，軸向動、靜磁環(huán)間的工作氣隙變小，斥力變大，使風力機旋轉(zhuǎn)部分穩(wěn)定并保持上、下自由度平衡。
[0027]如圖2、4所示，本發(fā)明懸浮軸承安裝在發(fā)電機本體內(nèi)部，充分利用發(fā)電機內(nèi)部空間，使發(fā)電機軸向長度大大縮短，減小風力機整體重量，并且軸向磁軸承動磁環(huán)91與壓緊螺母31V之間的吸力和與靜磁環(huán)94間的斥力來支撐發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分的整體重量和實現(xiàn)軸向穩(wěn)定懸浮。
[0028]本發(fā)明不僅具有無噪聲、無摩擦損耗、啟動風速低，還具有軸向長度短、結(jié)構(gòu)緊湊，軸向自由浮動穩(wěn)定，成本低，磁軸承和發(fā)電機轉(zhuǎn)子無磁路耦合，且無需額外電源和控制器，既能實現(xiàn)五自由度穩(wěn)定懸浮。
【主權(quán)項】
1.一種小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，包括靜止部分與轉(zhuǎn)動部分，其特征在于: 所述靜止部分包括沿軸向依次由外向內(nèi)對稱固定在垂直定子支撐軸上的上、下端蓋擋環(huán)(14、15)，上、下保護軸承(12、13)，上、下徑向磁軸承定子(31、310，以及中間固定的發(fā)電機定子(5)，下端蓋擋環(huán)(15)上固定有軸向磁軸承靜磁環(huán)(94)，所述定子支撐軸支撐在地面的塔架(I I)上； 所述轉(zhuǎn)動部分包括風力機葉片(I)，風力機葉片(I)固定在風力機外殼上，風力機外殼上、下端蓋(2、7)內(nèi)分別連接發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子(41、61)，發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子(41、61)上分別粘貼有永磁體(42、62)，發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子(41、61)內(nèi)分別嵌裝有徑向磁軸承轉(zhuǎn)子(3232,)，風力機外殼下端蓋(7)內(nèi)孔嵌裝軸向磁軸承動磁環(huán)(91)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:所述上、下徑向磁軸承定子(31、31')分別是由與所述定子支撐軸螺紋連接的壓緊螺母(31U311,)將定子永磁環(huán)(312)、隔磁材料(322)固定在與所述定子支撐軸固定連接的磁環(huán)臺(313)上而成;徑向磁軸承轉(zhuǎn)子(32)是通過轉(zhuǎn)子永磁環(huán)(321)、隔磁材料(322)嵌入到發(fā)電機轉(zhuǎn)子(41)而成；徑向磁軸承定子(31)與徑向磁軸承轉(zhuǎn)子(32)間的工作氣隙(310)范圍為1.5?3_。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:所述徑向磁軸承定子永磁環(huán)(312)和轉(zhuǎn)子永磁環(huán)(321)為相對徑向充磁，相互排斥形成徑向推力。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:所述軸向磁軸承為軸向充磁且同極相對，由動磁環(huán)(91)與壓緊螺母(3110之間的吸力和動磁環(huán)(91)與靜磁環(huán)(94)間的斥力支撐發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分的整體重量和保持軸向自由度穩(wěn)定懸浮。5.據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:發(fā)電機雙外轉(zhuǎn)子(41、61)上粘貼的永磁體(42、62)，軸向磁軸承動、靜磁環(huán)(91、94)，以及徑向磁軸承所用的永磁環(huán)(312、321)均為高磁能積的釹鐵硼材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:所述上端蓋擋環(huán)(14)和風力機外殼上端蓋(2)間保護間隙(141)范圍為0.5?1mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:風力機外殼上端蓋(2)和上保護軸承(12)間的保護間隙(90)、風力機外殼下端蓋(7)和下保護軸承(13)間的保護間隙(90 )范圍均為0.5?Imm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:所述發(fā)電機定子(5)是集中繞組，其中心圓盤部分與磁環(huán)臺直徑大小一樣，并固定在所述定子支撐軸上，中心以外部分圓盤是由環(huán)氧樹脂澆注而成。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:所述上、下端蓋擋環(huán)(14、15 )與其對應(yīng)的所述定子支撐軸部分螺紋連接。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:所述軸向磁軸承包括動磁環(huán)(91)、靜磁環(huán)(94)、隔磁材料(92)，其中動磁環(huán)(91)、隔磁材料(92)內(nèi)嵌在風力機外殼下端蓋(7)內(nèi)孔處，靜磁環(huán)(94)固定在下端蓋擋環(huán)(15)上，軸向動、靜磁環(huán)間為軸向工作氣隙(95)范圍為I?2mm，軸向磁軸承動磁環(huán)(91)與壓緊螺母(3110之間為軸向工作氣隙(93)范圍為1.5?3mm，軸向磁軸承動磁環(huán)(91)與下保護軸承(13)之間保護間隙(90)范圍為0.5~lmm。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機，其特征在于:發(fā)電機定子(5) 和發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)永磁體(42、62 )間的工作氣隙為I?2_ ο
【文檔編號】F03D3/00GK105840430SQ201610381249
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】朱軍, 李少龍, 劉慧君, 李香君, 張麗燕, 上官璇峰, 王海星, 楊海柱, 張國澎
【申請人】河南理工大學