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CN100547900C - 磁悬浮风力发电机 - Google Patents

磁悬浮风力发电机 Download PDF

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CN100547900C
CN100547900C CNB2006100114351A CN200610011435A CN100547900C CN 100547900 C CN100547900 C CN 100547900C CN B2006100114351 A CNB2006100114351 A CN B2006100114351A CN 200610011435 A CN200610011435 A CN 200610011435A CN 100547900 C CN100547900 C CN 100547900C
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China
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李国坤
曾智勇
谢丹平
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Beijing Huayuan Hongsheng Energy Technology Co ltd
Hunan Zhongnanshan Technology Development Co ltd
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Zkenergy Science & Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种磁悬浮风力发电机，包括叶轮、轴、电机和轴承，所述叶轮设置于轴端部，所述电机设置于轴另一端，电机的单侧或双侧设置有轴承，其特征在于：所述轴承一侧或两侧设置有磁悬浮装置，所述磁悬浮装置包括一个或一组固定套装于轴上的具有磁性的或者是可导磁的转子，以及设置于所述转子外侧的磁性定子装置，所述磁性定子装置包括定子磁体，所述定子磁体与转子具有一高度差并与其保持有轴向间隙。本发明具有结构简单、合理、紧凑，成本低廉，无需维护，不但使得风力发电机的起动风速降低，还可以有效提高发电机的输出功率。

Description

磁悬浮风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电设备，尤其是涉及一种新型的磁悬浮风力发电机。
背景技术
风能不但具有清洁环保、可再生的特点，而且其分布地域广大，可以说无处不在，而且便于利用，是一种极具发展前途的新型能源。而且人们利用风力发电，不但不会产生任何负面影响，而且还会带来减缓风力灾害、抑制荒漠化、减少或降低沙尘暴数量和强度的好处。
人们认识和利用风能有悠久的历史，早期主要是利用风车代替人类进行灌溉、舂米等简单的劳作，目前我们利用风力发电，但是自然界所产生的风不但风向多变，而且风力大小也变幻莫测，而传统的机械式轴承风力发电机，其启动风速要求最低为3m/s，而对于我国大多数地方来说，一年之中大部分时间其风力在3m/s以下，这就使得大量的风力资源无法利用而白白浪费掉了，如果能够降低风力发电机的启动风速，不但会提高风力发电设备的利用效能，而且会多生产大量电力，其经济效益和社会效益都极其巨大。
现有机械式轴承风力发电机叶轮一般都以悬臂方式置于发电机轴一端，这样的悬臂结构造成发电机轴受到叶轮向下的重力作用而对其轴承产生非轴向力，使得轴承受力不均衡，受力状况不佳，摩擦力较大，加上轴本身还有自重，因此目前机械式风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速普遍较高而输出功率低(三高一低)，而人们在试图将起动阻力矩、起动风速、切入风速降低时，又把输出功率也降低了，因此难以使低风速风力资源得到应用。
如果能使得风力发电机轴悬臂端处于悬浮状态即克服叶轮和轴重力作用，将大大减少发电机轴承所受径向力，同时将大大减少轴承的摩擦力，可以有效降低风力发电机的起动风速。目前的磁悬浮风力发电机，如美国的电磁悬浮风力发电机，由于悬浮轴承在各个自由度都需要控制，因此其控制系统极其复杂和庞大，其成本非常高昂，并且对运行中的维护和应用环境很挑剔，不能广泛适用于风力发电领域。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种利用磁悬浮技术克服悬臂轴受重力挠性变形的风力发电机，结构简单、成本低。本发明采用新型磁悬浮结构，利用所产生的向上的磁作用力克服叶轮自身重力，从而使得风力发电机轴承受力得到均衡，减小轴承所产生的摩擦力，从而有效降低风力发电机的起动阻力矩、起动风速和切入风速和提高发电输出功率。
本发明的技术方案如下：
磁悬浮风力发电机，包括叶轮、轴、电机和轴承，所述叶轮设置于轴端部，所述电机设置于轴另一端，电机的单侧或双侧设置有轴承，其特征在于：所述轴承一侧或两侧设置有磁悬浮装置，所述磁悬浮装置包括一个或一组固定套装于轴上的具有磁性的或者是可导磁的转子，以及设置于所述转子外侧的磁性定子装置，所述磁性定子装置包括定子磁体，所述定子磁体与转子具有一高度差并与其保持有轴向间隙。
所述转子上部两外侧均设置有定子磁体。
所述定子磁体为永磁体或电磁体。
所述定子磁体的径向剖面为扇形或半环形结构。
所述扇形的圆弧角度为45°。
所述磁性定子装置还包括支架，所述各定子磁体设置于该支架上。
所述支架为倒U形框架导磁通路结构。
所述倒U形框架结构，其两侧壁分别由轴承的端盖及电机外壳组成，所述两侧壁上部通过一导磁性物相连，以使两侧壁构成导磁通路。
所述转子为片状或盘状可导磁或充磁的铁磁性体，所述铁磁性体为硅钢材料或稀土合金材料制成。
所述转子为片状或盘状永磁体。
本发明的技术效果为：
一种磁悬浮风力发电机，通过在轴承一侧或两侧设置磁悬浮装置，该装置包括一个或一组固定套装于轴上的具有磁性的或者是可导磁的转子，以及设置于转子上部外侧的磁性定子装置，磁性定子装置定子磁体与转子具有一高度差，由于转子本身具有磁性或者是在磁性定子的磁化作用下具有相应的磁性，这种高度差就能使转子有向上的磁性作用力(斥力或引力)，因此轴在径向受到的作用力一个是叶轮和轴自身重力所产生的向下的力，另一个是转子受到的向上的磁性力及机械轴承向上的支撑力，由于向上的磁性力，可以抵消部分叶轮和轴的重力，使得轴承的径向受力大为减小，轴所受的不均衡力得到明显改善，因此，其所产生的摩擦力也大幅减小，使得风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速降低，还可以有效提高发电机的输出功率，有巨大的经济和社会价值。
由于本发明在转子两侧均设置有定子磁体，两个定子磁体在转子上分别产生磁性力，各磁性力其径向力方向相同，而轴向力方向相反，从而其轴向力相互抵消，故铁磁性体所受两磁性力的合力为向上的径向力。因此，采用本发明的磁悬浮装置不但可以完全消除风轮重力所产生的不利影响，而且可以避免由于磁性力的轴向分力而影响风力发电机的性能，同时，本发明的永磁悬浮风力发电机结构简单、合理、紧凑，成本低廉，无需维护。
实验证明，传统的机械式轴承风力发电机其起动风速最低为3.5m/s，本发明的风力发电机其起动风速可有效降低为1.5m/s，并可提高输出发电功率20％。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的左视图；
1-叶轮，2-轴，3-转子，4-定子，5-轴套，6-螺母，7-支架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示为本发明优选实施例的结构示意图。
叶轮1位于轴2的一端，轴2的另一端分别设置有电机和轴承。磁悬浮装置设置于电机和叶轮1之间。
磁悬浮装置包括转子3，以及设置于所述转子3外侧的磁性定子装置，所述磁性定子装置包括定子4。
转子3通过轴套5、螺母6固定于轴2上，螺母6通过螺纹连接与轴2相连。故转子3与轴2固定并随轴2转动，其可以采用键连接或过盈配合等紧固连接方法。
转子3可以为永磁体制成，也可以采用铁芯等铁磁性物，当采用铁磁性物时，转子3本身不带有磁性，当位于其侧的定子4带有磁性时，转子3通过磁场感应被充磁。
图1中转子3的两侧对称设置有定子4，定子4可以是永磁体结构也可以是电磁体。定子4设置于支架7的两侧壁上，支架7为倒U形框架结构，其两侧壁可分别为轴承的端盖侧面及电机外壳侧面，所述两侧壁上部通过一导磁性物相连，以使两侧壁构成导磁通路，导磁物可以是普通碳素结构钢等。这样的支架结构，可以利用支架的导磁特性，避免位于其内的定子4由于磁力线外泄而磁能减弱。支架7固定于风力发电机的机架上。当然，支架7也可以是独立设置的倒U形导磁框架结构。
定子4与转子3顶端具有一高度差，当定子4的顶端磁极与转子3相反时，由于磁极相互吸引，转子3受到向上的磁性力作用，从而轴2也受到一向上的作用力，与叶轮1和轴的重力相互抵消，从而达到抵消叶轮和轴重力的目的。
而且由于在转子3两侧均设置有定子4，两侧的定子4均对转子3产生磁性力，两磁性力均具有向上的径向力，但其轴向力正好方向相反，相互抵消，从而避免了轴向磁性力对风力发电机造成的影响，使得本发明的磁悬浮效果更为显著。
定子4和支架7径向横截面为扇形，其外弧角度为45°为佳。定子4和支架7径向横截面也可以为半环形或其它形状。
本实施例中，定子4和支架7设置于转子3的上方，当然，当转子3为永磁体结构时，定子4和支架7也可以设置于转子3的下方，不过，此时定子4的下端磁极要求设为与转子3下端为同性磁极，这样，转子3就会受到向上的磁性排斥力而与叶轮1重力相抵消。
以上所述仅为本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说，依据本发明的发明精神和实质，还可以做出很多的变型和改进，但这些变型和改进均将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.磁悬浮风力发电机，包括叶轮、轴、电机和轴承，所述叶轮设置于轴端部，所述电机设置于轴另一端，电机的单侧或双侧设置有轴承，其特征在于：所述轴承一侧或两侧设置有磁悬浮装置，所述磁悬浮装置包括一个或一组固定套装于轴上的具有磁性的或者是可导磁的转子，其特征在于还包括设置于所述转子外侧的磁性定子装置，所述磁性定子装置包括定子磁体，所述转子上部两外侧或下部两外侧均设置有定子磁体，所述定子磁体与转子具有一高度差并与其保持有轴向间隙。
2.如权利要求1所述的磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述定子磁体为永磁体或电磁装置。
3.如权利要求2所述的磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述定子磁体的径向剖面为扇形或半环形结构。
4.如权利要求3所述的磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述扇形的圆弧角度为45°。
5.如权利要求2所述的磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述磁性定子装置还包括支架，所述各定子磁体设置于该支架上。
6.如权利要求5所述的磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述支架为倒U形框架导磁通路结构。
7.如权利要求1所述的磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述转子为片状或盘状可导磁或充磁的铁磁性体，所述铁磁性体为硅钢材料或稀土合金材料制成。
8.如权利要求1所述的磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述转子为片状或盘状永磁体。
9.磁悬浮风力发电机，包括叶轮、轴、电机和轴承，所述叶轮设置于轴端部，所述电机设置于轴另一端，电机的单侧设置有轴承，其特征在于：所述轴承一侧设置有磁悬浮装置，所述磁悬浮装置包括一个或一组固定套装于轴上的具有磁性的或者是可导磁的转子，其特征在于还包括设置于所述转子外侧的磁性定子装置，所述磁性定子装置包括定子磁体，所述转子上部两外侧或下部两外侧均设置有定子磁体，所述定子磁体与转子具有一高度差并与其保持有轴向间隙，所述定子磁体为永磁体或电磁装置，所述磁性定子装置还包括支架，所述定子磁体设置于该支架上，所述支架为倒U形框架导磁通路结构，所述倒U形框架导磁通路结构，其两侧壁分别由轴承的端盖及电机外壳组成，所述两侧壁上部通过一导磁性物相连，以使两侧壁构成导磁通路。
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Assignor: Hunan Zhongke Hengyuan Technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Vertical full magnetic suspension wind force power generator

Granted publication date: 20091007

License type: Exclusive license

Record date: 20091117

LIC Patent licence contract for exploitation submitted for record

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