[發(fā)明專利]一種五自由度全懸浮垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210505604.2
• 申請(qǐng)日: 2012-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN102926939A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張廣明;張申;朱劍;王德明;梅磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): F03D9/00
• 分類號(hào): F03D9/00;H02K7/18;H02N15/00;H02K16/02
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責(zé)任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，具體是一種五自由度全懸浮垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，通過對(duì)不同發(fā)電方式進(jìn)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(yùn)量巨大，約為2.74×10⁹MW。可利用的風(fēng)能約為2×10⁷MW，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(chǔ)量約為1×10⁹kW，其中，陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約為2.53×10⁸kW（離地10m高度），海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為7.5×10⁸kW。在世界各國重視節(jié)能環(huán)保的今天，風(fēng)力發(fā)電對(duì)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(jī)風(fēng)速之間的風(fēng)速段，降低啟動(dòng)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(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，為了獲得較低的切入風(fēng)速，不得不降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子的支承上，用磁懸浮軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)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(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的“輕風(fēng)起動(dòng)、微風(fēng)發(fā)電”,擴(kuò)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(jī)械軸承使用和維護(hù)的高額費(fèi)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(duì)我國實(shí)施節(jié)能減排工作起著重要的推動(dòng)作用。

根據(jù)懸浮力是否可控，磁懸浮軸承可分為被動(dòng)型和主動(dòng)型兩種類型。被動(dòng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮，其結(jié)構(gòu)簡單，功率損耗少。主動(dòng)型磁懸浮軸承主要是通過主動(dòng)控制定、轉(zhuǎn)子之間的磁場力來實(shí)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(dòng)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采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(jī)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子無法實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的全部懸浮，因此風(fēng)機(jī)中轉(zhuǎn)動(dòng)部分與非轉(zhuǎn)動(dòng)部分之間的機(jī)械摩擦并未徹底消除，無法進(jìn)一步降低切入風(fēng)速。

若要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)型磁懸浮軸承的存在，若采用電磁偏置型磁懸浮軸承，會(huì)帶來較大的能量損耗，此外，若在多個(gè)自由度采用主動(dòng)型磁懸浮軸承，則會(huì)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(yùn)行成本較高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種維護(hù)費(fèi)用低、風(fēng)能利用率高、起動(dòng)風(fēng)速低的五自由度全懸浮垂直軸盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

本發(fā)明包括外殼，安裝在外殼內(nèi)壁上的第一發(fā)電機(jī)定子、第二發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子A、第一發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子A、第二發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子B與第二發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子A之間；第一發(fā)電機(jī)定子位于第一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子A與第一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子B之間，第二發(fā)電機(jī)定子位于第二發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子A與第二發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子A與第一發(fā)電機(jī)定子之間，第一發(fā)電機(jī)定子與第一發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子A與第二發(fā)電機(jī)定子之間，第二發(fā)電機(jī)定子與第二發(fā)電機(jī)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(chǔ)的介質(zhì)，其寬度優(yōu)選0.3~1.5mm。

上述第一發(fā)電機(jī)和第二發(fā)電機(jī)采用的均是盤式無鐵心Halbach永磁發(fā)電機(jī)

基于上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子五自由度全懸浮，消除了定、轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械摩擦，減小了風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)受到的阻力。

（2）采用盤式無鐵心Halbach永磁發(fā)電機(jī)，具有重量輕、功率密度高、噪音小、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。