一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造技術(shù)

一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由葉片、轉(zhuǎn)軸、發(fā)電機(jī)、徑向永磁軸承、徑向混合磁軸承、軸向永磁軸承、上保護(hù)軸承和下保護(hù)軸承組成。所述的風(fēng)力機(jī)上端徑向二自由度是由永磁軸承來(lái)完成的，中間是發(fā)電機(jī)，下端二自由度由徑向混合磁軸承來(lái)支承，最下面是軸向永磁軸承，用來(lái)支承風(fēng)力機(jī)的整體重量，在外擾力很小接近于零時(shí)，不消耗電功率就能實(shí)現(xiàn)主軸系統(tǒng)的五自由度穩(wěn)定懸浮。該轉(zhuǎn)軸支承結(jié)構(gòu)僅有下端徑向混合磁軸承，可通過(guò)改變線圈內(nèi)的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)下端徑向二自由度主動(dòng)控制。這種磁懸浮支承方案從根本上消除了傳統(tǒng)機(jī)械支承形式的機(jī)械摩擦，降低了起動(dòng)阻力矩，從而降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)起動(dòng)風(fēng)速，提高了風(fēng)能的利用率。（*該技術(shù)在2024年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于風(fēng)力發(fā)電
，涉及一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，具體是一種小型磁懸浮支承結(jié)構(gòu)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
技術(shù)介紹
隨著人們對(duì)風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用的強(qiáng)烈追捧，促使各種各樣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到了蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)常采用機(jī)械軸承支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分存在較嚴(yán)重的摩擦和磨損，增加了風(fēng)機(jī)維護(hù)成本。同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)風(fēng)速也都較大，嚴(yán)重影響了風(fēng)能轉(zhuǎn)換的效率，為了能充分利用低風(fēng)區(qū)的風(fēng)能資源，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速，采用磁懸浮支承技術(shù)將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，從根本上消除了傳統(tǒng)支承形式的機(jī)械摩擦，降低了起動(dòng)阻力矩，從而降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)起動(dòng)風(fēng)速，提高了風(fēng)能的利用率。公開(kāi)號(hào)為CN101034861A，名稱為“全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)”的專利文獻(xiàn)采用的磁懸浮支承結(jié)構(gòu)中仍有軸向機(jī)械調(diào)整結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谳S向上軸通過(guò)機(jī)械軸承與機(jī)架相連，因此依然存在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的機(jī)械摩擦與磨損。近年來(lái)，稀土資源已被列為我國(guó)未來(lái)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，因而稀土永磁材料的價(jià)格漲幅很大。由于，此公開(kāi)專利文獻(xiàn)中采用大量的永磁體，勢(shì)必會(huì)增加磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造成本，且裝配精度也大受考驗(yàn)，同時(shí)也不利于向大型磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究與開(kāi)發(fā)的方向發(fā)展。公開(kāi)號(hào)為CN201714584U，名稱為“一種新型磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)”的專利文獻(xiàn)，前、后徑向磁軸承，以及軸向磁軸承均為主動(dòng)式磁懸浮軸承，這樣不僅增加磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的規(guī)模，還大大增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造和運(yùn)行成本，不利于磁懸浮支承技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的推廣應(yīng)用。公開(kāi)號(hào)為CN101701573A，名稱為“一種水平軸懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)”的專利文獻(xiàn)采用錐形結(jié)構(gòu)的磁環(huán)，由于錐形結(jié)構(gòu)的偏移量與受力關(guān)系復(fù)雜，因此對(duì)安裝精度要求較高，并且會(huì)出現(xiàn)破損情況，設(shè)計(jì)過(guò)程中，不利于磁懸浮支承結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，采用主被動(dòng)結(jié)合的磁軸承支承系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分完全分離，實(shí)現(xiàn)垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)五自由度穩(wěn)定懸浮，從根本上消除存在的機(jī)械摩擦和磨損，減小維護(hù)和運(yùn)行成本，降低起動(dòng)風(fēng)速，提高低風(fēng)區(qū)的風(fēng)能利用率。本技術(shù)的技術(shù)解決方案：一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分組成，其特征在于：靜止部分包括徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分、發(fā)電機(jī)定子、六極式徑向混合磁軸承定子、軸向永磁軸承下端永磁環(huán)和隔磁環(huán)、上端保護(hù)軸承、下端保護(hù)軸承、風(fēng)力機(jī)外殼和風(fēng)力機(jī)塔架；旋轉(zhuǎn)部分包括：葉輪、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸、擋板、徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、六極式徑向混合磁軸承轉(zhuǎn)子、軸向永磁軸承上端永磁環(huán)；葉輪包括葉片和輪轂；沿轉(zhuǎn)軸方向安裝有葉片、擋板、上端保護(hù)軸承、徑向永磁軸承、發(fā)電機(jī)、六極式徑向混合磁軸承、下端保護(hù)軸承、軸向永磁軸承上端永磁環(huán)；其中葉片安裝在輪轂上，輪轂直接與轉(zhuǎn)軸相連；上端保護(hù)軸承和下端保護(hù)軸承安裝在風(fēng)力機(jī)外殼上；上、下保護(hù)軸承與轉(zhuǎn)軸保持一定的徑向間隙，擋板與上端保護(hù)軸承形成軸向保護(hù)間隙；所述徑向永磁軸承包括徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分和徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分；徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分安裝風(fēng)力機(jī)外殼上，徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分位于徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分的徑向內(nèi)側(cè)，且兩者之間為上端徑向工作氣隙；所述徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分包括動(dòng)磁環(huán)隔磁支架、動(dòng)磁環(huán)組；所述徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分包括靜磁環(huán)隔磁支架、靜磁環(huán)組；其中，徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)隔磁支架、動(dòng)磁環(huán)組和轉(zhuǎn)軸固定連接；其中，動(dòng)磁環(huán)組、靜磁環(huán)組分別鑲嵌在動(dòng)磁環(huán)隔磁支架、靜磁環(huán)隔磁支架中，并通過(guò)連桿固定，以保持永磁環(huán)之間間隙為零。?所述發(fā)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)定子；所述發(fā)電機(jī)定子安裝在風(fēng)力機(jī)外殼上，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位于發(fā)電機(jī)定子的徑向內(nèi)側(cè)，且兩者在徑向上形成了發(fā)電機(jī)的工作氣隙。所述六極式徑向混合磁軸承包括六極式徑向混合磁軸承定子和六極式徑向混合磁軸承轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸固定連接，六極式徑向混合磁軸承定子安裝在風(fēng)力機(jī)外殼上；所述轉(zhuǎn)子位于所述定子的徑向內(nèi)側(cè)，且兩者配合形成下端徑向工作氣隙；所述的六極式徑向混合磁軸承，還包括永磁體、第一電磁線圈、第二電磁線圈、永磁磁極、控制磁極、徑向工作氣隙和定子磁軛；所述永磁體嵌裝在永磁磁極上，徑向混合磁軸承電磁線圈纏繞在控制磁極上。擋板和徑向永磁軸承，徑向永磁軸承和發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)和六極式徑向混合磁軸承，六極式徑向混合磁軸承和軸向磁軸承上端永磁環(huán)，都是通過(guò)轉(zhuǎn)軸相連在一起的；軸向永磁軸承下端永磁環(huán)通過(guò)軸與風(fēng)力機(jī)外殼相連接；風(fēng)力機(jī)外殼固定在風(fēng)力機(jī)塔架上，塔架固定在地面上。所述的軸向永磁軸承包括軸向永磁軸承上端永磁環(huán)、軸向永磁軸承下端永磁環(huán)、軸向工作氣隙、隔磁環(huán)和軸；所述的軸向永磁軸承下端永磁環(huán)包括軸向永磁軸承下端內(nèi)磁環(huán)和軸向永磁軸承下端外磁環(huán)；所述下端內(nèi)磁環(huán)、下端外磁環(huán)和隔磁環(huán)通過(guò)軸與風(fēng)力機(jī)外殼相連接。上述的徑向永磁軸承的定子和轉(zhuǎn)子是由軸向平行磁化的多環(huán)經(jīng)軸向疊加而成的，完成風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子上端徑向兩個(gè)自由度的穩(wěn)定懸浮。徑向永磁軸承永磁體環(huán)的層數(shù)為4，徑向永磁軸承的動(dòng)靜磁環(huán)在徑向上的工作氣隙為1.5~3mm。所述的六極式徑向混合磁軸承的定子與其轉(zhuǎn)子之間形成的徑向工作氣隙為0.1~0.3mm。所述的軸向永磁軸承上端永磁環(huán)與其下端永磁環(huán)之間形成的軸向工作氣隙為1.5~3mm。所述的上端保護(hù)軸承3、下端保護(hù)軸承5與轉(zhuǎn)軸10的徑向間隙應(yīng)小于徑向磁軸承和軸向磁軸承的工作氣隙，為0.2~0.5mm。基于上述結(jié)構(gòu)，本專利技術(shù)的垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：本專利技術(shù)利用徑向和軸向永磁軸承分別完成了轉(zhuǎn)軸上端徑向二自由度和軸向單自由度的懸浮，六極式徑向混合磁軸承完成了轉(zhuǎn)軸下端徑向二自由度的懸浮，不但實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸五自由度懸浮，消除了機(jī)械摩擦和磨損，減少了維護(hù)成本，降低了起動(dòng)風(fēng)速，而且簡(jiǎn)化了磁懸浮支承結(jié)構(gòu)，降低了磁軸承系統(tǒng)損耗，提高了風(fēng)能的利用率。相對(duì)傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，本專利技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、起動(dòng)風(fēng)速低和風(fēng)能利用率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。附圖說(shuō)明圖1是本專利技術(shù)的垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖2是本專利技術(shù)的徑向永磁軸承的軸向剖面圖；圖3是本專利技術(shù)的徑向永磁軸承的端面圖。圖4是本專利技術(shù)的六極式徑向混合磁軸承的軸向剖面圖；圖5是本專利技術(shù)的六極式徑向混合磁軸承的端面圖。圖6是本專利技術(shù)的軸向永磁軸承的軸向剖面圖；圖7是本專利技術(shù)的軸向永磁軸承的端面圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明：葉片-1、輪轂-2、上端保護(hù)軸承-3、徑向永磁軸承-4、下端保護(hù)軸承-5、發(fā)電機(jī)-6、六極式徑向混合磁軸承-7、軸向永磁軸承上端永磁環(huán)-8、軸向永磁軸承下端永磁環(huán)-9、轉(zhuǎn)軸-10、擋板-11、風(fēng)力機(jī)外殼-12、隔磁環(huán)-13、軸-14、風(fēng)力機(jī)塔架-15、徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分-41、徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分-42、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子-61、發(fā)電機(jī)定子-62、六極式徑向混合磁軸承轉(zhuǎn)子-71、六極式徑向混合磁軸承定子-72、軸向永磁軸承下端內(nèi)磁環(huán)-91、軸向永磁軸承下端外磁環(huán)-92、動(dòng)磁環(huán)隔磁支架-411、靜磁環(huán)隔磁支架-421、動(dòng)磁環(huán)組-412、靜磁環(huán)組-422、徑向工作氣隙本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括葉輪，轉(zhuǎn)軸（10），發(fā)電機(jī)（6），風(fēng)力機(jī)外殼（12），風(fēng)力機(jī)塔架（15），葉輪固定在轉(zhuǎn)軸（10）上，發(fā)電機(jī)（6）固定在轉(zhuǎn)軸（10）上，轉(zhuǎn)軸（10）固定在風(fēng)力機(jī)塔架（15）上，風(fēng)力機(jī)外殼（12）固定在風(fēng)力機(jī)塔架（15）上，塔架（15）固定在地面上，其特征在于，還包括上端保護(hù)軸承（3），下端保護(hù)軸承（5），徑向永磁軸承（4），六極式徑向混合磁軸承（7），軸向永磁軸承上端（8）和軸向永磁軸承下端（9）；轉(zhuǎn)軸（10）上依次設(shè)有擋板（11），徑向永磁軸承（4），發(fā)電機(jī)（6），六極式徑向混合磁軸承（7），軸向永磁軸承上端（8）；軸向永磁軸承下端永磁環(huán)（9）通過(guò)軸（14）與風(fēng)力機(jī)外殼（12）相連接；上端保護(hù)軸承（3）和下端保護(hù)軸承（5）安裝在風(fēng)力機(jī)外殼（12）上；上端保護(hù)軸承（3）、下端保護(hù)軸承（5）與轉(zhuǎn)軸（10）保持徑向間隙，擋板（11）與上端保護(hù)軸承（3）形成軸向保護(hù)間隙；所述徑向永磁軸承4包括徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分（41）和徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分（42）；徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分（42）安裝風(fēng)力機(jī)外殼（12）上，徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分（41）位于徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分（42）的徑向內(nèi)側(cè)，且兩者之間為上端徑向工作氣隙（413）；所述六極式徑向混合磁軸承（7）包括六極式徑向混合磁軸承定子（71）和六極式徑向混合磁軸承轉(zhuǎn)子（72），所述轉(zhuǎn)子（71）和轉(zhuǎn)軸（10）固定連接，六極式徑向混合磁軸承定子（72）安裝在風(fēng)力機(jī)外殼（12）上；所述轉(zhuǎn)子（71）位于所述定子（72）的徑向內(nèi)側(cè)，且兩者配合形成下端徑向工作氣隙（711）；所述軸向永磁軸承上端永磁環(huán)（8）與轉(zhuǎn)軸（10）固定連接；軸向永磁軸承下端永磁環(huán)（9）通過(guò)軸（14）與風(fēng)力機(jī)外殼（12）相連接。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括葉輪，轉(zhuǎn)軸（10），發(fā)電機(jī)（6），風(fēng)力機(jī)外殼（12），風(fēng)力機(jī)塔架（15），葉輪固定在轉(zhuǎn)軸（10）上，發(fā)電機(jī)（6）固定在轉(zhuǎn)軸（10）上，轉(zhuǎn)軸（10）固定在風(fēng)力機(jī)塔架（15）上，風(fēng)力機(jī)外殼（12）固定在風(fēng)力機(jī)塔架（15）上，塔架（15）固定在地面上，其特征在于，
還包括上端保護(hù)軸承（3），下端保護(hù)軸承（5），徑向永磁軸承（4），六極式徑向混合磁軸承（7），軸向永磁軸承上端（8）和軸向永磁軸承下端（9）；
轉(zhuǎn)軸（10）上依次設(shè)有擋板（11），徑向永磁軸承（4），發(fā)電機(jī)（6），六極式徑向混合磁軸承（7），軸向永磁軸承上端（8）；
軸向永磁軸承下端永磁環(huán)（9）通過(guò)軸（14）與風(fēng)力機(jī)外殼（12）相連接；
上端保護(hù)軸承（3）和下端保護(hù)軸承（5）安裝在風(fēng)力機(jī)外殼（12）上；
上端保護(hù)軸承（3）、下端保護(hù)軸承（5）與轉(zhuǎn)軸（10）保持徑向間隙，擋板（11）與上端保護(hù)軸承（3）形成軸向保護(hù)間隙；
所述徑向永磁軸承4包括徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分（41）和徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分（42）；徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分（42）安裝風(fēng)力機(jī)外殼（12）上，徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分（41）位于徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分（42）的徑向內(nèi)側(cè)，且兩者之間為上端徑向工作氣隙（413）；
所述六極式徑向混合磁軸承（7）包括六極式徑向混合磁軸承定子（71）和六極式徑向混合磁軸承轉(zhuǎn)子（72），所述轉(zhuǎn)子（71）和轉(zhuǎn)軸（10）固定連接，六極式徑向混合磁軸承定子（72）安裝在風(fēng)力機(jī)外殼（12）上；所述轉(zhuǎn)子（71）位于所述定子（72）的徑向內(nèi)側(cè)，且兩者配合形成下端徑向工作氣隙（711）；
所述軸向永磁軸承上端永磁環(huán)（8）與轉(zhuǎn)軸（10）固定連接；
軸向永磁軸承下端永磁環(huán)（9）通過(guò)軸（14）與風(fēng)力機(jī)外殼（12）相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分（41）和徑向永磁軸承靜磁環(huán)部分（42），兩者之間的上端徑向工作氣隙（413）的范圍為1.5~3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，
所述徑向永磁軸承動(dòng)磁環(huán)部分（41）包括動(dòng)磁環(huán)隔磁支架（411）、動(dòng)磁環(huán)組（412）；
所述徑向永磁...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙俊峰，錢一，曾潤(rùn)章，朱利東，鞠金濤，陳帥，朱熀秋，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：江蘇大學(xué)，
類型：新型
國(guó)別省市：江蘇;32