[發明專利]全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸

無效

• 申請號: 201210364020.8
• 申請日: 2012-09-26
• 公開（公告）號: CN102878201A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 茅靖峰;吳國慶;吳愛華;張旭東;肖龍雪;曹陽;邵波;于曉莉
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04;F16C35/08
• 代理公司: 南通市永通專利事務所 32100
• 代理人: 葛雷

技術領域

本發明涉及垂直軸風力機和磁懸浮技術等領域，具體涉及一種全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸。

背景技術

垂直軸風力機除了在世界上少數地區建立了試驗性風場外，目前仍沒有大規模的推廣，但其優越的空氣動力學性能越來越引起各國研究人員的重視。

自啟動性低是垂直軸風力機的主要不足之一。要提高垂直軸風力機的性能，必須采取有效措施克服這一不足。考慮到磁懸浮支承具有無機械摩擦，無接觸磨損，無需潤滑，運行噪音小，剛度可控等優點，用于垂直軸風力機主軸結構系統，可以降低主軸靜態粘滯阻力轉矩，改善自啟動能力，消除機械磨損損耗，提高機電轉換效率。

據此，一些學者提出采用電磁軸承替代傳統機械支撐軸承的方法來設計風力機主軸，如吳國慶等人在專利CN101532471中提出的“磁懸浮垂直渦輪風力發電機”、張廣明等人在專利CN102182624中提出的“一種五自由度磁懸浮水平軸直驅式風力發電機”等。電磁軸承應用的基本要求是必須配備位置閉環反饋控制電路及系統，由此形成的此類磁懸浮風力機的優點是：磁力調節速度快，懸浮氣隙恒定，抗風力擾動能力強。但其缺點是：閉環反饋電控系統復雜，電路硬件投入和運行維護成本高，故障率高，且長期消耗電能，總電功耗大。

為了克服上述電磁軸承型磁懸浮風力機的缺點，一些學者提出采用永磁軸承替代傳統機械支撐軸承的方法來設計風力機，如李國坤等人在專利CN101034861中提出的“全永磁懸浮風力發電機”、劉驍等人在專利CN1948746中提出的“立式全磁懸浮風力發電機”等。永磁軸承無需外圍輔助控制電路，不消耗電能，故障率低，只要永磁體形狀和布局合理，基本能夠保證被懸浮體的靜態穩定懸浮。這些特點是永磁懸浮軸承在風力發電應用的優勢。但現有文獻較少考慮永磁懸浮結構的風力機在風力擾動下懸浮主軸的恒氣隙懸浮特性，各個自由度方向上的懸浮氣隙受風向和風力大小的變化而變化，不能隨著風向和風力大小自適應地改變相應自由度方向上的磁力大小，不能保證磁懸浮主軸懸浮氣隙的恒定。繼而導致懸浮主軸軸心偏心，主軸攢動和振顫，增加與發電機連接的機械傳動損耗，降低發電機的壽命，提高風力發電系統整機的機械不穩定度。

因此，利用永磁軸承在風力發電領域中應用的優勢，研究一種能夠依據風向和風力大小的變化而自適應地調整磁力方向和大小，保證在風力擾動下的全永磁懸浮主軸懸浮氣隙恒定的磁懸浮垂直軸風力機傳動主軸結構，具有良好的工程實用意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結構合理，能夠依據風向和風力大小的變化而自適應地調整徑向懸浮磁力的方向和大小，保證在風力擾動下的懸浮主軸懸浮氣隙恒定的全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸。

本發明的技術解決方案是：

一種全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，其特征是：包括外套筒垂直靜止軸、內旋轉傳動軸、徑向二自由度全永磁懸浮軸承、軸向單自由度全永磁懸浮軸承，其特征是：還包括徑向磁力全角度自調節機構；所述徑向磁力全角度自調節機構包括扇弧形風壓感應集風板、永磁力矩單元體、風力矩傳動臂、徑向軸承、集風板支架、永磁力矩支架、傳動臂鉸鏈、滾輪、滑動軌道、彈簧、導風背鰭板、限位橫梁；徑向軸承安裝于外套筒垂直靜止軸外徑上，并與集風板支架和永磁力矩支架相連；扇弧形風壓感應集風板和集風板支架之間安裝傳動臂鉸鏈；風力矩傳動臂一側與扇弧形風壓感應集風板相連，另一側的末端安裝滾輪；永磁力矩單元體頂部與滾輪接觸，底部與滑動軌道接觸，背部通過彈簧與永磁力矩支架相連；滑動軌道與永磁力矩支架底部相連；導風背鰭板與扇弧形風壓感應集風板背部相連；限位橫梁與永磁力矩支架頂部相連；外套筒垂直靜止軸上安裝徑向二自由度全永磁懸浮軸承和軸向單自由度全永磁懸浮軸承，其內套入內旋轉傳動軸。

所述永磁力矩單元體由永磁材料制成，其橫截面為圓弧形、縱截面為梯形，沿縱截面梯形高度方向上進行充磁。

所述集風板支架和永磁力矩支架左右對稱地安裝于徑向軸承兩側。

永磁體力矩單元體與外套筒靜止軸之間的氣隙大小，呈跟隨風力的實時強弱情況而自動調節的形式。

扇弧形風壓感應集風板為跟隨風向的變化而圍繞外套筒靜止軸旋轉，并始終處于迎風位置的形式。

所述外套筒垂直靜止軸、內傳動旋轉軸均由導磁材料制成；所述扇弧形風壓感應集風板、風力矩傳動臂、徑向軸承、集風板支架、永磁力矩支架、傳動臂鉸鏈、滾輪、滑動軌道、彈簧、導風背鰭板、限位橫梁均由非導磁材料制成。

導風背鰭板安裝在扇弧形風壓感應集風板背部的中線位置處，呈三棱柱形。

本發明的優點在于：