一种高性价比磁悬浮水平轴风力发电机组制造技术

本发明专利技术揭示的水平轴半磁悬浮结构风力发电机，由发电机永磁转子体直接产生磁悬浮力，自动平衡风推力，从而消除了风推力在轴承中产生的摩擦损耗，提高了机组效率，可从风中获得更多能量，同时减少了轴承磨损和噪音，降低维修保养成本，提高机组寿命。风力发电机通常会受两种外力作用——重力和风推力，两种力都会产生摩擦损耗，半磁悬浮结构可用于消除水平轴机组的风推力摩擦损耗，或者消除垂直轴机组的重力摩擦损耗。但另一个力仍需由改进的轴承约束定位，使发电机磁场兼具磁悬浮功能，大幅降低磁悬浮改造成本，因此能在减少一半摩损，获得优异机械性能的同时，获得很高性价比，性能优异，具有很大实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于涡轮发电机
，具体地说，是提出一种具有磁悬浮特性的永磁风力发电机组结构。
技术介绍
在风力发电
，涡轮发电机将风中的动能转变为电能，涡轮机和发电机是必不可少的机电能量转换装置。为了从风中得到更多的能量，在涡轮机确定的前提下，希望机电系统有更小的摩擦阻力，更高的机组效率，更长的运行寿命，更低的机械噪声，更少的机械故障。带磁悬浮轴承的风力发电机能同时得到上述诸多优点。但是，增加通常的全磁悬浮装置后，整个风机的成本大幅上升，性价比下降，反而会增加度电成本，不利于风力发电机的推广应用，为此必须开发高性价比、低成本的新结构磁悬浮轴承风力发电机，以满足高端风电市场的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过所专利技术的半磁悬浮结构，来扭转风力发电机磁悬浮化困难的局面。半磁悬浮结构技术可以在有效消除轴承推力摩擦损耗的同时，大幅降低磁悬浮风力发电机组的成本，从而使磁悬浮风力发电机组提高效率多发电，并获得上述诸多种优点，还具有一个很高的性价比。水平轴风力发电机组主要受两种外力作用一一重力和风推力，全磁悬浮结构是无接触技术，能消除重力和风推力所产生的全部摩擦，但全磁悬结构复杂、制造成本相当高。本专利技术采用的是半磁悬浮结构，只消除风推力产生的摩擦，故有半磁悬浮(准磁悬浮)结构之称。本专利技术的装置是这样实现的，一种磁悬浮水平轴风力发电机组，机组主要由涡轮机(I)、同步发电机组成，涡轮机(I)安装在转轴最前端，然后是制动器(2)、前轴承(3)和发电机转子轴(4)，最后端是后轴承(5)，发电机为永磁转子式，其特征为，转子磁场兼有磁悬浮结构的功能特性，轴承(3和5)为转向和轴向双自由度轴承。水平轴风力发电机组，采用通常径向磁场永磁同步发电机。在本专利技术的机组结构或者说发电机结构中，由于轴承(3和5)为转向和轴向双自由度轴承，不需要也不可能由轴承来承受风推力，而是利用磁悬浮原理产生的磁悬浮力，来自动平衡风推力，消除了由风推力在轴承中产生的摩擦损耗，实现了风力发电机的磁悬浮化，并同时构筑了磁悬浮结构所带来的种种优点。同时，由于不再需要额外的磁体结构用来实现磁悬浮，所以其成本与原有非磁悬浮结构相当，造价增加有限，机组的性价比很高，有利于先进风电机组的磁悬浮化。【附图说明】图1、本专利技术的半磁悬浮风力发电机组纵剖图图2、发电机转子受风推力作用轴向移动示意图图3、发电机定转子间磁力线变化图图4、本专利技术可自制的一种特殊二自由度轴承简图图5、带倾角转轴的风电机组外形图图6、一种导风自动偏航的下风向型磁悬浮机机舱外形图图7、可增大磁悬浮力的双定转子发电机结构示意图图8、永磁型磁悬浮同步/异步二次发电机结构示意图图9、励磁型磁悬浮同步/异步二次发电机结构示意图。【具体实施方式】水平轴风力发电机组，采用通常的径向磁场永磁同步发电机，利用发电机转子永磁体与定子磁轭间产生的径向磁吸力，形成准磁悬浮力，平衡风推力，使风推力不再作用在轴承上而直接转移到定子上。采用磁悬浮，风推力通过磁耦合直接转移到定子和机座上，从而消除了应用轴承产生的轴向推力来平衡风推力，减少轴承机械磨损和噪音，在不增加或很少增加成本的前提下，利用技术优势，达到最佳的磁悬浮技术效果。首先需要说明本专利技术产生磁悬浮力的机理。图1为本专利技术的半磁悬浮风力发电机组纵剖图。图中，风力发电机由前轴承(3)、发电机转子轴⑷、后轴承(5)、定子(6)、转子(7)和端盖⑶组成，发电机转子轴即为涡轮机转子轴或连接到涡轮机转子轴。发电机为传统的永磁体径向磁场同步发电机，定子(6)上有电枢绕组，转子(7)上布置永磁体产生固定的场激励，轴承(3和5)为转向和轴向双自由度轴承，该结构看起来与现有传统风力发电机组结构极为相似。由图可以明显看出，本专利技术中的轴承是一种特殊结构的双自由度轴承，既像传统发电机那样允许转子轴转动；又不同于传统发电机，因为传统发电机是不允许转子轴在轴向移动的，而本专利技术的发电机转子轴恰恰允许转子轴作轴向自由移动。通过轴向自由移动，才能得到磁悬浮力，这就是本专利技术结构上区别于传统机组的最明显结构特征。图2为发电机转子受风推力作用轴向移动示意图。图2中，由于发电机转子轴与风轮机转子轴是一体结构。假设风推力为F，如图中左端自左向右的箭头所示，则由于转子轴可在轴向自由移动，风推力将直接作用在发电机转轴上，轴肯定会向右偏移一段距离，这位移又是怎样影响转子磁场呢。图3为发电机定转子间磁力线变化图。图3a)为风推力为零时定、转子位置下的磁场图，此时，由于铁磁吸力作用，定、转子对齐，磁力线都垂直于转轴轴线，其各向磁合力相等且互相抵消，所以并没有轴向力。图3b)为风推力作用时定、转子产生位移位置下的磁力线图。此时，由于风推力的作用，转子轴向右移动，使定、转子间的磁力线被拉长，磁力线被拉长而不再与轴线垂直，拉长的磁力线虽然沿径向的各向分力仍可抵消，但它们在轴向会产生一个新的合力P，P的方向如箭头所指自右向左，这可以看作一种新产生的磁悬浮力，与风推力的方向相反，自然会减小风推力的影响；且该磁悬浮力本身来源于风推力，所以能达到与风推力的自然平衡。合力P也可称为回复力，因为它总是趋向回复到转子未受外力作用时的位置。以上作用过程与弹簧的机理类似，当没有外力作用时，弹簧不产生形变，也就没有位移；但当向其施加外力时，弹簧被压缩而产生位移，弹簧的位移量与外力成正比，外力越大，位移量也越大。弹簧的形变或称位移会产生一个弹力，也是一种回复力。弹力来源于外力，弹力与外力产生平衡时，弹力的大小即等于外力。以上为磁悬浮力产生的原理性说明，本专利技术的磁悬浮结构原理，已为实验样机所验证。在本专利技术中，风推力越大，转子的位移越多。这样，通过转子位移，就产生出一个对抗风推力的轴向力，所以风推力不可能再作用在轴承中，轴承也不承担外力平衡的作用，因此，轴承运转时也就没有了相应的摩擦力，自然也不存在风推力摩擦损耗。没有了风推力摩擦，也就意味着，风电机组的效率会有所提高，同样的风况下，风轮机将获得更多的风能量。风推力摩擦的消除减少了轴承磨损，轴承保养和修换的成本降低。风推力摩擦的消除，减少了轴承噪音，风力发电机运转更平稳安静。风推力摩擦的消除，提高了机组的可靠性，减少了机组故障率，延长了机组寿命。可见，磁悬浮结构对风力发电有着诸多优点。众所周知，在传统磁悬浮概念中，不管是磁悬浮电机还是磁悬浮高速铁路，要创造任何一种磁悬浮力，通常都要增加磁体，最简单的方法是采用斥力型磁悬浮。要产生同性相斥的磁悬浮力，必须要二组磁铁，所以成本较高，但斥力型磁悬浮本身可以自己保持平衡，这是其优点。吸力型磁悬浮即利用铁磁吸力产生的磁悬浮力，只需一组磁体就够了，磁体的成本较斥力型低。但是，吸力型磁悬浮没有自稳定能力，通常得靠外加控制才能维持平衡状态，所以实施起来，并不容易。总之，传统的磁悬浮，对风力发电机来说，其重大缺陷是结构复杂、制造困难、价格局昂。如何降低磁悬浮风力发电机的造价，成为磁悬浮结构能否在市场中取代普通风力发电机的决定性因素。根据对市场需求的分析，本专利技术的半磁悬浮结构是能达到提高机电性能和性价比双重目标的合理选择。风力发电机中通常有两种相互垂直的外部作用力一一转子重力和风推力。全磁悬浮能同时消除两个力的摩擦损耗，但制造难度大、成本高。半磁悬浮结构则本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁悬浮水平轴风力发电机，机组主要由涡轮机(1)、同步发电机组成，涡轮机(1)安装在转轴最前端，然后是制动器(2)、前轴承(3)和发电机转子轴(4)，最后端是后轴承(5)，发电机为永磁转子式，其特征为，转子磁场兼有磁悬浮结构的功能特性，轴承(3和5)为转向和轴向双自由度轴承。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：於岳亮，瑞秋，
申请(专利权)人：上海稳得新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31