CN203604113U - 一种垂直轴微风启动高效空芯风力发电机及发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种垂直轴微风启动高效空芯风力发电机，包括叶片（1）、磁铁（2）、无芯线圈（4）、电机支撑叶片（6）、主轴（24）、外转子轮圈（13）以及电机支撑杆（9），其中，所述电机支撑杆（9）径向支撑所述外转子轮圈（13），所述电机支撑叶片（6）的一端斜支撑所述外转子轮圈（13），且所述电机支撑杆（9）与电机支撑叶片（6）的另一端支撑于所述转子轴套（20）上，其中，所述叶片（1）具有一根部梁(26)，且所述外转子轮圈（13）具有一叶片插槽（23）供所述叶片的根部梁(26)插入固定。本实用新型提供一种能够微风启动，效率高，制造成本低的民用分布式组合式风力发电机组。

Description

一种垂直轴微风启动高效空芯风力发电机及发电机组

技术领域

本实用新型涉及一种垂直轴微风启动高效空芯组合式风力发电机，更具体地说，是一种能够微风软风启动的民用或工业用分布式风力发电机组。

背景技术

现有技术中的风力发电机都是利用叶片截取风能，风轮机带动发电机发电。通常使用的发电机有水平轴和垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机的发电机大多都是盘式无芯结构，线圈排列方向垂直于转轴，线圈外围和内围切割磁力线速度不同，虽然能够微风启动，但是效率低，重量偏重，成本高，适合风向不定的城市。水平轴风力发电机普遍包含3个叶片，少数具有5-6个叶片，叶片是典型的悬臂梁结构，叶片根部承受巨大应力，在强风中易折断。因而水平轴风力发电机的叶片根部都很粗壮，这大大增加了重量，尤其对于兆瓦级大功率风力发电机，叶片越长，转速反而越低，力矩增大，更增加了叶片根部的应力。

大型兆瓦级风力发电机，一般都有变速齿轮箱增速，使发电机得以工作在50HZ，并网发电。由于齿轮箱普遍比较笨重，因此微风时难以启动。一般的风力发电机，为了增加磁场交链密度，线圈都是绕在铁芯上，跟磁铁会产生吸力，即便是优化磁路，一般都要3米每秒的风速启动，另外铁芯会产生震动，磁滞涡流，总体效率不高。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述现有技术中存在缺陷，提供一种能够微风启动，效率高，制造成本低的民用分布式组合式风力发电机组，既可以实现单机单层或多层发电。通过多个单机的重叠套装在较长的固定通轴上可形成一个“风电柱”，又可相互连接成“风电机树林”或“风电机柱墙”。这种结构改变了传统垂直轴风力发电机的装配结构，可以和现代建筑结合来安装的垂直轴风电机，形成特有的全新的建筑规范和风电系统，使得各种建筑物周围的风力资源得到充分利用，形成独特的景观新能源风电场。

本实用新型提供的一种垂直轴微风启动高效空芯风力发电机，包括叶片（1）、磁铁（2）、无芯线圈（4）、电机支撑叶片（6）、主轴（24）、外转子轮圈（13）以及电机支撑杆（9），

其中，所述电机支撑杆（9）径向支撑所述外转子轮圈（13），所述电机支撑叶片（6）的一端斜支撑所述外转子轮圈（13），且所述电机支撑杆（9）与电机支撑叶片（6）的另一端支撑于所述转子轴套（20）上，

其中，所述叶片（1）具有一根部梁(26)，且所述外转子轮圈（13）具有一叶片插槽（23）供所述叶片的根部梁(26)插入固定。

可选地，所述磁铁（2）具有多个，磁铁（2）以其南北极面平行于外转子轮圈（13）旋转轴线的方向布满安装于外转子轮圈（13）内壁的外转子内铁质圈（21）上，且相邻两个磁铁南北极反向，

可选地，所述相邻两个磁铁间具有大体为二分之一磁铁宽度间隙，

可选地，还包括内定子铁质圈（22），定子支撑片（5），所述定子支撑片（5）的一端支撑所述内定子支撑圈（22），所述定子支撑片（5）另一端支撑于主轴（24），所述无芯线圈（4）安装于所述内定子铁质圈（22）上，无芯线圈（4）具有多组，每组无芯线圈（4）的线圈平面与所述内定子铁质圈（22）的圆周表面大体平行；

可选地，所述内定子铁质圈（22）与外转子内铁质圈（21）构成的发电机半径是叶片（1）外端部扫过圆半径的十分之一至十分之九；

可选地，还包括整流桥堆二极管（12），将多组无芯线圈（4）的输出整流成直流输出。

可选地，所述风力发电机主轴（24）上具有一对双列角接触球轴承（7），所述电机支撑杆（9）和电机支撑叶片（6）分别支撑于两个轴承。

可选地，所述风力发电机的主轴（24）内沿轴线设有注油管（8），主轴（24）前端具有与注油管（8）连通的注油口（15）；注油管（8）末端在主轴（24）末端，油从注油管（8）末端流出，通过转子轴套（20）内壁润滑两个轴承。

可选地，所述定子支撑片（5）根部具有外防水圈（10），转子轴套（20）一端设有内防水圈（25），所述内防水圈（25）设于所述外防水圈（10）内，且内防水圈（25）的内孔直径比主轴（24）直径大1毫米。

可选地，所述外防水圈（10）底部设有用于流出多余油和雨水的出水出油孔（11）。

可选地，所述发电机主轴（24）下端外轴套（20）内壁上设有铜片刷，铜片刷与所述导电滑环（17）弹力接触。

可选地，所述叶片（1）的根部梁（26）为一插片状，且与所述叶片插槽（23）公母配合，

可选地，所述叶片（1）的根部梁（26）为公槽，所述叶片插槽（23）为母槽，铸模在外转子轮圈（13）上，公母槽在近两侧端点处同一个位置上设有2个固定螺丝孔（27），由固定螺丝（28）加固插片根部梁（26）与插槽（23）的连接。

可选地，所述叶片（1）为呈弧形45度的长方形，叶片根部梁（26）为T形公槽，所述叶片（1）的长度为100-2000mm，宽度为100-500mm，厚度为1-100mm。

本实用新型还公开了一种风力发电机组，包含上述任一一种风力发电机，且所述风力发电机形成多机多层式结构，所述风力发电机组通过长主轴（24）串联组合，由每个风机主轴（24）上的立轴键槽（29）固定在主轴（24），主轴（24）底端固定安装在主轴（24）底座（18）上，并与主轴（24）上端盖（3），外支架顶端固定点（16），外支撑框架（14）连接共同固定住发电机组。

本实用新型的有益效果是，通过增加了发电机直径，降低了叶片根部的应力，提高了安全性；通过无芯线圈，减少了涡流效应，提高了效率。本实用新型不需要变速箱，减轻了发电机的重量。

本实用新型体积小、用途广泛、结构简单，可以根据不同的情况而灵活安装，从而改变了原有风力发电机结构复杂、强度弱和体积大的缺点，适合装在各种建筑物上，不受场地条件限制，更好地做到了对风力资源的综合利用。

附图说明

图1为本实用新型实施例无芯风力发电机的正视图；

图2为本实用新型实施例无芯风力发电机的侧视图；

图3A为本实用新型实施例无芯风力发电机外转子轮圈插槽的结构示意图；

图3B为本实用新型实施例无芯风力发电机叶片的侧视图；

图3C为本实用新型实施例无芯风力发电机叶片的正视图；

图4为本实用新型实施例无芯风力发电机组立式侧面图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。

参见图1-4所示，揭示一种微风启动无芯风力发电机的实施例，包括叶片1、磁铁2、无芯线圈4、主轴24，还包括外转子轮圈13、电机支撑杆9径向支撑该外转子轮圈13，电机支撑叶片6的一端斜支撑该外转子轮圈13，且该电机支撑杆9与电机支撑叶片6的另一端支撑于该转子轴套20上，叶片1根部梁26插入该外转子轮圈13上的叶片插槽23中，叶片1插片根部梁26与插槽23的结构设计成公母槽，叶片1插片根部梁26为公槽，插槽23为母槽，铸模在外转子轮圈13上，公母槽在近两边端点处同一个位置上设有2个固定螺丝孔27，由固定螺丝28加固插片根部梁26与插槽23的连接。该磁铁2具有多个，磁铁2以其南北极面平行于外转子轮圈13旋转轴线的方向布满安装于外转子轮圈13内壁的外转子内铁质圈21上，且相邻两个磁铁南北极反向，相邻两个磁铁间具有大约二分之一磁铁宽度间隙；内定子铁质圈22，定子支撑片5支撑该内定子支撑圈22，定子支撑片5另一端支撑于主轴24，无芯线圈4安装于该内定子铁质圈22上，无芯线圈4具有多组，每组无芯线圈4的线圈平面与该内定子铁质圈22的圆周表面平行；该内定子铁质圈22与外转子内铁质圈21构成的发电机半径是叶片1外端部扫过圆半径的十分之一至十分之九；整流桥堆二极管12，将多组无芯线圈4的输出整流成直流输出。

单机发电机水平放置，发电机主轴自然垂直于地面，固定在地面支架或支柱上。风从任意方向吹来，吹动叶片1顺时针旋转，发电机主轴24上除了旋转扭力不受其它方向的力的影响。弧形的叶片1有多组，弧形的正面凹面为受风受力面，推动风机的旋转，弧形的背面为卸风卸力面，受风的阻力小，不会使风机反转。电机支撑叶片6的一端斜支撑外转子轮圈13，电机支撑叶片6与外转子轮圈13的倾斜角度在45度，倾斜角度上风口方向与叶片1的受风方向相一致，从而确保风机的旋转方向为顺时针。

如图3A、图3B、图3C所示，叶片1的下端设计成插片型，可以更加方便的更换叶片1，比如在一年四季不同的季节里，风速有明显的不同，在大风的季节里防止因风电机高速旋转而损坏叶片1，就可以便捷的更换成小型叶片1，反之亦然。一旦发生有损坏的叶片1，就能及时替换，即使不更换叶片，也不会影响发电机的工作状态。相比，原有的插杆式的叶片容易在大风或长时间的转动过程中造成叶片与发电机的角度发生改变，影响发电机功率。再则，当叶片被大风吹断以后，插杆断杆留在发电机支撑杆9中，不能很方便地取出，影响整台发电机的工作。

插片式叶片1是弧形45度的长方形，形状如菜刀状，叶片根部为T型公槽。叶片1的长度可为100-2000mm，宽度可为100-500mm，厚度可为1-100mm。

叶片1插片根部梁26与插槽23的结构设计成公母槽，叶片1插片根部梁26为公槽，，插槽23为母槽，铸模在外转子轮圈13上，公母槽在近两边端点处同一个位置上设有2个固定螺丝孔27，由固定螺丝28加固插片根部梁26与插槽23的连接。

气流从迎风方向或同时从电机组底部向上吹来，吹动叶片1和电机支撑叶片6，带动外转子轮圈13和磁铁2转动（磁力线垂直于主轴），切割线圈（线圈排列平行于主轴方向），磁力线通过气隙切割线圈，产生电流，无芯线圈4经过整流桥堆二极管12整流成直流。由于磁铁2及无芯线圈4非常多，电机口径大，转速很低的情况都能产生让充电器工作的最低电压。

为防止磁铁2和无芯线圈4之间很小的气隙（间隙）擦碰，电机的轴承要用双列角接触球轴承7，它能承受径向（风的推力）和轴向（外转子电机重量和转动时候的离心力）受力，水平偏移极小，保证磁铁和无芯线圈之间的0.3-7毫米左右的气隙，长时间工作不会擦碰。

磁铁2和无芯线圈4表面都用环氧树脂包裹，进风侧与外转子轮圈13注模一体形成有挡尘立面，隔离颗粒大的沙吹进气隙，防止擦碰线圈和磁铁。转子轴套20带动内防水圈25转动，内防水圈25的内孔直径比主轴24直径大1毫米左右，外防水圈10固定在定子支撑片5上，水不会进到轴承里，大雨的时候少量的残水从出水出油孔11流出来。

风力发电机工作一段时间，润滑油氧化变质，加注润滑油的时候，旋开注油口15，把油加压力灌入，注油管8沿主轴24中间的空心到两个轴承7前面，把氧化的润滑油挤出来，残余的油从转子轴套20带动的内防水圈25内孔和主轴24之间1毫米左右的缝隙中孔流出，从出水出油孔11流出来。

发电机主轴24下端外轴套20内壁上设有铜片刷，铜片刷与该导电滑环17弹力接触。两个导电滑环17固定在发电机主轴24上，直流输出导线19从发电机主轴外轴套20中间引出，导电滑环17对应的外轴套20位置安装两个铜片刷，铜片刷靠弹力压在导电滑环17上，导电滑环17能把电流导出，从直流输出导线19输出直流电。

由于是多相线圈，输出线头多，3相就有6条输出线，交流输出需要的导电滑环17多，所以经过整流桥堆二极管12整流成直流，只需要正负两条直流输出导线19，简单可靠。由于风力发电机工作在风吹日晒雨淋的恶劣环境下，接触性部件越少越好，寿命越长。这样的微风启动风力发电机接触性部件少，只有轴承2个，导电滑环2个。

另如图4所示，多机多层式结构发电机组通过长主轴24串联组合，由每个风机主轴24上的立轴键槽29固定在主轴24上，主轴24底端固定安装在主轴24底座18上，并与主轴24上端盖3，,外支架顶端固定点16，外支撑框架14连接共同固定住发电机组。

多个发电柱或发电柱墙可以实现高功率发电，广泛用于海岛，渔船，海水淡化，灌溉提水，草原牧区，水产养殖加温，边防哨所，路灯，楼房照明，野外通讯站，别墅，寺院，小企业等民用工业并网发电等。

本领域技术人员均应了解，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可以对本实用新型进行各种修改和变型。因而，如果任何修改和变型落入所附权利要求书以及等同物的保护范围内时，认为本实用新型涵盖这些修改和变型。

Claims (15)

1.一种垂直轴微风启动高效空芯风力发电机，包括叶片（1）、磁铁（2）、无芯线圈（4）、电机支撑叶片（6）、主轴（24）、外转子轮圈（13）以及电机支撑杆（9）， 

其中，所述电机支撑杆（9）径向支撑所述外转子轮圈（13），所述电机支撑叶片（6）的一端斜支撑所述外转子轮圈（13），且所述电机支撑杆（9）与电机支撑叶片（6）的另一端支撑于所述转子轴套（20）上， 

其中，所述叶片（1）具有一根部梁(26)，且所述外转子轮圈（13）具有一叶片插槽（23）供所述叶片的根部梁(26)插入固定。 

2.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：还包含多个磁铁（2），磁铁（2）以其南北极面平行于外转子轮圈（13）旋转轴线的方向布满安装于外转子轮圈（13）内壁的外转子内铁质圈（21）上，且相邻两个磁铁南北极反向。 

3.如权利要求2所述的风力发电机，其特征在于：所述相邻两个磁铁间具有大体为二分之一磁铁宽度间隙。 

4.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：还包括内定子铁质圈（22），定子支撑片（5），所述定子支撑片（5）的一端支撑所述内定子支撑圈（22），所述定子支撑片（5）另一端支撑于主轴（24），所述无芯线圈（4）安装于所述内定子铁质圈（22）上，所述无芯线圈（4）具有多组，每组无芯线圈（4）的线圈平面与所述 内定子铁质圈（22）的圆周表面大体平行。 

5.如权利要求4所述的风力发电机，其特征在于：所述内定子铁质圈（22）与外转子内铁质圈（21）构成的发电机半径是叶片（1）外端部扫过圆半径的十分之一至十分之九。 

6.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，还包括整流桥堆二极管（12），将多组无芯线圈（4）的输出整流成直流输出。 

7.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述风力发电机主轴（24）上具有一对双列角接触球轴承（7），所述电机支撑杆（9）和电机支撑叶片（6）分别支撑于两个轴承。 

8.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述风力发电机的主轴（24）内沿轴线设有注油管（8），主轴（24）前端具有与注油管（8）连通的注油口（15）；注油管（8）末端在主轴（24）末端，油从注油管（8）末端流出，通过转子轴套（20）内壁润滑两个轴承。 

9.如权利要求4所述的风力发电机，其特征在于，所述定子支撑片（5）根部具有外防水圈（10），转子轴套（20）一端设有内防水圈（25），所述内防水圈（25）设于所述外防水圈（10）内，且内防水圈（25）的内孔直径比主轴（24）直径大1毫米。 

10.如权利要求9所述的风力发电机，其特征在于，所述外防水圈（10）底部设有用于流出多余油和雨水的出水出油孔（11）。 

11.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述发电机主轴（24）下端外轴套（20）内壁上设有铜片刷，所述铜片刷与一 导电滑环（17）弹力接触。 

12.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述叶片（1）的根部梁（26）为一插片状，且与所述叶片插槽（23）公母配合。 

13.如权利要求12所述的风力发电机，其特征在于：所述叶片（1）的根部梁（26）为公槽，所述叶片插槽（23）为母槽，铸模在外转子轮圈（13）上，公母槽在近两侧端点处同一个位置上设有2个固定螺丝孔（27），由固定螺丝（28）加固插片根部梁（26）与插槽（23）的连接。 

14.如权利要求12所述的风力发电机，其特征在于：所述叶片（1）为呈弧形45度的长方形，叶片根部梁（26）为T形公槽，所述叶片（1）的长度为100-2000mm，宽度为100-500mm，厚度为1-100mm。 

15.一种风力发电机组，其特征在于，包含多个如权利要求1-14任一项所述的风力发电机，且所述风力发电机形成多机多层式结构，所述风力发电机组通过长主轴（24）串联组合，由每个风机主轴（24）上的立轴键槽（29）固定在主轴（24），主轴（24）底端固定安装在立轴底座（18）上，并与主轴（24）上端盖（3），外支架顶端固定点（16），外支撑框架（14）连接共同固定住发电机组。 

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