專利名稱：一種五自由度全懸浮垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機，具體是一種五自由度全懸浮垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，通過對不同發(fā)電方式進行比較，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電是完整意義上的綠色電力——無污染、可再生，用之不竭。全球的風(fēng)能蘊量巨大，約為2.74X 109MW。可利用的風(fēng)能約為2X IO7MW,約為地球上可開發(fā)的水能總量的10倍。我國風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量約為lX109kW，其中，陸地上風(fēng)能儲量約為2.53X 108kW (離地IOm高度)，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量約為
7.5X108kW。在世界各國重視節(jié)能環(huán)保的今天，風(fēng)力發(fā)電對改善地球生態(tài)環(huán)境，減少空氣污染有著非常積極的作用，世界各國也都越來越重視風(fēng)力發(fā)電的研究和應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電中，可以被用來產(chǎn)生電能的風(fēng)能是介于切入風(fēng)速和停機風(fēng)速之間的風(fēng)速段，降低啟動風(fēng)速和切入風(fēng)速就能夠增加有效風(fēng)能的利用量，就可以在相同風(fēng)速下產(chǎn)生更多的電能，從而能夠更充分地利用風(fēng)力來發(fā)電。但是，在設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機時，為了獲得較低的切入風(fēng)速，不得不降低風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率，為了解決這一矛盾，人們將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用到了風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子的支承上，用磁懸浮軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械軸承，這樣做不但可以大幅度的降低轉(zhuǎn)子和軸承間的摩擦力、摩擦力矩，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的“輕風(fēng)起動、微風(fēng)發(fā)電”，擴大風(fēng)力資源的利用率，提高發(fā)電效率，還可以免除以往機械軸承使用和維護的高額費用，降低風(fēng)力發(fā)電成本，這不僅有利于我國風(fēng)力發(fā)電的普及和風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，而且對我國實施節(jié)能減排工作起著重要的推動作用。根據(jù)懸浮力是否可控，磁懸浮軸承可分為被動型和主動型兩種類型。被動型磁懸浮軸承主要利用磁性材料之間固有的斥力或吸力(如永磁材料之間，永磁材料與軟磁材料之間)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮，其結(jié)構(gòu)簡單，功率損耗少。主動型磁懸浮軸承主要是通過主動控制定、轉(zhuǎn)子之間的磁場力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定懸浮，根據(jù)偏置磁場建立方式的不同，主動型磁懸浮軸承可分為電磁偏置型與永磁偏置型兩種。永磁偏置型磁懸浮軸承米用永磁材料來建立偏置磁場，能夠較大程度地降低磁懸浮軸承的功率損耗。在現(xiàn)有的全永磁型磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機中，風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子無法實現(xiàn)五個自由度的全部懸浮，因此風(fēng)機中轉(zhuǎn)動部分與非轉(zhuǎn)動部分之間的機械摩擦并未徹底消除，無法進一步降低切入風(fēng)速。若要實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子的五自由度懸浮，則所采用的支承系統(tǒng)同中必須有主動型磁懸浮軸承的存在，若采用電磁偏置型磁懸浮軸承，會帶來較大的能量損耗，此外，若在多個自由度采用主動型磁懸浮軸承，則會增加控制系統(tǒng)的規(guī)模，導(dǎo)致磁懸浮軸承系統(tǒng)的使用和運行成本較高。
發(fā)明內(nèi)容[0007]本實用新型的目的在于提出一種維護費用低、風(fēng)能利用率高、起動風(fēng)速低的五自由度全懸浮垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機。本實用新型包括外殼,安裝在外殼內(nèi)壁上的第一發(fā)電機定子、第二發(fā)電機定子、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子B以及主軸；主軸上設(shè)置有第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子A、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B ;自上而上依次設(shè)置的永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子及永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子B位于第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A之間；第一發(fā)電機定子位于第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子A與第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B之間,第二發(fā)電機定子位于第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B之間；主軸的兩端分別從外殼的頂部和底部伸出，其頂部安裝有風(fēng)葉，底部安裝有位移傳感器。上述第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子A與第一發(fā)電機定子之間,第一發(fā)電機定子與第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B之間，永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A與永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子之間，永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子與永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子B之間，第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A與第二發(fā)電機定子之間，第二發(fā)電機定子與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B之間與均留有氣隙。上述氣隙的作用主要是作為磁場能量存儲的介質(zhì)，其寬度優(yōu)選0.3^1.5mm。 上述第一發(fā)電機和第二發(fā)電機米用的均是盤式無鐵心Halbach永磁發(fā)電機基于上述結(jié)構(gòu)，本實用新型的磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機具有以下優(yōu)點:(I)實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子五自由度全懸浮，消除了定、轉(zhuǎn)子之間的機械摩擦，減小了風(fēng)機在啟動時受到的阻力。(2 )采用盤式無鐵心Halbach永磁發(fā)電機，具有重量輕、功率密度高、噪音小、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點。(3)米用永磁偏置型磁懸浮軸承,偏置磁場由永磁體來產(chǎn)生,在不影響懸浮性能的情況下，能夠大大降低磁懸浮系統(tǒng)的能量消耗。(4)利用兩個盤式發(fā)電機在工作時定、轉(zhuǎn)子之間的作用力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向的被動懸浮，省去了兩個徑向磁懸浮軸承，因此整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低。(5)只對轉(zhuǎn)子的軸向位移進行主動控制，因此控制系統(tǒng)比較簡單。同時，由于電機為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子之間的軸向作用力方向相反，相互抵消，減輕了其對軸向磁懸浮軸承懸浮性能的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。(6)軸向磁懸浮軸承能夠?qū)D(zhuǎn)子的軸向位移進行主動控制，在穩(wěn)定狀態(tài)下，定、轉(zhuǎn)子之間不存在軸向偏心的，解決了定、轉(zhuǎn)子偏心對發(fā)電機性能的影響。

圖1是一種五自由度全懸浮垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖1中標(biāo)號名稱:1、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子A。2、第一發(fā)電機定子。3、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B。4、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子。5、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A。6、外殼。7、主軸。8、位移傳感器。9、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子 B。10、第二發(fā)電機定子。11、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子B。12、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A。13、風(fēng)葉。
具體實施方式
[0021]如圖1所示，第一發(fā)電機定子2、第二發(fā)電機定子10、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A12及永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子Bll均固定在外殼6內(nèi)部,其中,第一發(fā)電機定子2位于第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子Al與第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B3之間，永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A12、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子Bll位于第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B3與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A5之間，第二發(fā)電機定子10位于第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A5與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B9之間第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子Al、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B3、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子4、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A5、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B9、風(fēng)葉13、位移傳感器8均套裝在主軸7外部，其內(nèi)端面均與主軸7的外端面接觸。其中，第一發(fā)電機定子2位于第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子Al與第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B3內(nèi)端面形成的軸孔中，且第一發(fā)電機定子2外端面分別與第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子Al、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B3內(nèi)端面之間存在微小氣隙；永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A12、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子Bll分別位于永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子4兩側(cè)，且永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A12下端面與永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子4上端面之間存在微小氣隙，永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子Bll上端面與永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子4下端面之間存在微小氣隙；第二發(fā)電機定子10位于第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A5與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B9內(nèi)端面形成的軸孔中，且第二發(fā)電機定子10外端面分別與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A5、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B9內(nèi)端面之間存在微小氣隙；風(fēng)葉(13)安裝于主軸7的最頂部，位移傳感器8安裝于主軸7的最底部。本實用新型利用第一發(fā)電機定子2與第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子Al、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B3之間的相互作用；第二發(fā)電機定子10與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A5、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B9之間的相互作用實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在軸向四個自由度上的被動懸浮，利用永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子4與永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A12、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子Bll之間的相互作用實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向自由度的主動懸浮。采用本實用新型利用風(fēng)力發(fā)電時，風(fēng)吹向風(fēng)葉13，風(fēng)葉13帶動主軸7轉(zhuǎn)動，主軸7帶動套裝在其外部的第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子Al、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B3、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A5、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B9旋轉(zhuǎn)，使第一發(fā)電機定子2、第二發(fā)電機定子10發(fā)出電能。
權(quán)利要求1.一種五自由度全懸浮垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于:包括外殼(6),安裝在外殼(6)內(nèi)壁上的第一發(fā)電機定子(2)、第二發(fā)電機定子(10)、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A (12)、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子B (11)以及主軸(7);主軸(7)上設(shè)置有第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子A (I)、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B (3)、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子(4)、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A (5)、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B (9);自上而上依次設(shè)置的永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A (12)、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子(4)及永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子B (11)位于第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B (3)與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A (5)之間；第一發(fā)電機定子(2)位于第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子A (I)與第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B (3)之間，第二發(fā)電機定子(10)位于第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A (5)與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B (9)之間；主軸(7)的兩端分別從外殼的頂部和底部伸出，其頂部安裝有風(fēng)葉(13)，底部安裝有位移傳感器(8)。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于:第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子A(I)與第一發(fā)電機定子(2)之間,第一發(fā)電機定子(2)與第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B (3)之間,永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A (12)與永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子(4)之間，永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子(4)與永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子B (11)之間，第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A (5)與第二發(fā)電機定子(10)之間，第二發(fā)電機定子(10)與第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B (9)之間與均留有氣隙。
3.如權(quán)利要求2所 述的發(fā)電機，其特征在于:所述氣隙的寬度在0.3^1.5mm之間。
專利摘要一種五自由度全懸浮垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，包括安裝在外殼內(nèi)壁上的第一發(fā)電機定子、第二發(fā)電機定子、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子A及永磁偏置型軸向磁懸浮軸承定子B。主軸上設(shè)置有第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子A、第一發(fā)電機轉(zhuǎn)子B、永磁偏置型軸向磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子、第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子A以及第二發(fā)電機轉(zhuǎn)子B。主軸的兩端從外殼的兩端伸出，分別安裝有風(fēng)葉和位移傳感器。本實用新型利用兩個永磁型軸向磁懸浮軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在四個軸向自由度上的懸浮，利用一個永磁偏置型軸向磁懸浮軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在軸向自由度的懸浮，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的全懸浮，降低了切入風(fēng)速，而且簡化了風(fēng)力發(fā)電機磁懸浮軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了能量轉(zhuǎn)換的效率。
文檔編號H02K7/18GK202937410SQ20122065160
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者張廣明, 張申, 朱劍, 王德明, 梅磊 申請人:南京工業(yè)大學(xué)