一种垂直轴磁悬浮风力发电机制造技术

一种垂直轴磁悬浮风力发电机，由叶片、转轴、发电机、径向永磁轴承、径向混合磁轴承、轴向永磁轴承、上保护轴承和下保护轴承组成。所述的风力机上端径向二自由度是由永磁轴承来完成的，中间是发电机，下端二自由度由径向混合磁轴承来支承，最下面是轴向永磁轴承，用来支承风力机的整体重量，在外扰力很小接近于零时，不消耗电功率就能实现主轴系统的五自由度稳定悬浮。该转轴支承结构仅有下端径向混合磁轴承，可通过改变线圈内的电流，来实现下端径向二自由度主动控制。这种磁悬浮支承方案从根本上消除了传统机械支承形式的机械摩擦，降低了起动阻力矩，从而降低了风力发电机起动风速，提高了风能的利用率。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于风力发电
，涉及一种垂直轴风力发电机，具体是一种小型磁悬浮支承结构的垂直轴风力发电机。
技术介绍
随着人们对风能开发利用的强烈追捧，促使各种各样的风力发电机得到了蓬勃发展，传统的风力发电机常采用机械轴承支承转子系统，风机运行时，旋转部分和静止部分存在较严重的摩擦和磨损，增加了风机维护成本。同时，起动转矩和起动风速也都较大，严重影响了风能转换的效率，为了能充分利用低风区的风能资源，降低风力发电机的起动风速，采用磁悬浮支承技术将转子悬浮于空间，从根本上消除了传统支承形式的机械摩擦，降低了起动阻力矩，从而降低了风力发电机起动风速，提高了风能的利用率。公开号为CN101034861A，名称为“全永磁悬浮风力发电机”的专利文献采用的磁悬浮支承结构中仍有轴向机械调整结构，因为在轴向上轴通过机械轴承与机架相连，因此依然存在旋转部分与静止部分的机械摩擦与磨损。近年来，稀土资源已被列为我国未来发展的重要战略资源，因而稀土永磁材料的价格涨幅很大。由于，此公开专利文献中采用大量的永磁体，势必会增加磁悬浮风力发电机的制造成本，且装配精度也大受考验，同时也不利于向大型磁悬浮风力发电机研究与开发的方向发展。公开号为CN201714584U，名称为“一种新型磁悬浮风力发电机”的专利文献，前、后径向磁轴承，以及轴向磁轴承均为主动式磁悬浮轴承，这样不仅增加磁悬浮轴承控制系统的规模，还大大增加风力发电机的制造和运行成本，不利于磁悬浮支承技术在风力发电机中的推广应用。公开号为CN101701573A，名称为“一种水平轴悬浮风力发电机”的专利文献采用锥形结构的磁环，由于锥形结构的偏移量与受力关系复杂，因此对安装精度要求较高，并且会出现破损情况，设计过程中，不利于磁悬浮支承结构的精确设计。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的缺陷，采用主被动结合的磁轴承支承系统，旋转部分与静止部分完全分离，实现垂直轴磁悬浮风力发电机五自由度稳定悬浮，从根本上消除存在的机械摩擦和磨损，减小维护和运行成本，降低起动风速，提高低风区的风能利用率。本技术的技术解决方案：一种垂直轴磁悬浮风力发电机，由静止部分和旋转部分组成，其特征在于：静止部分包括径向永磁轴承静磁环部分、发电机定子、六极式径向混合磁轴承定子、轴向永磁轴承下端永磁环和隔磁环、上端保护轴承、下端保护轴承、风力机外壳和风力机塔架；旋转部分包括：叶轮、风力机转轴、挡板、径向永磁轴承动磁环部分、发电机转子、六极式径向混合磁轴承转子、轴向永磁轴承上端永磁环；叶轮包括叶片和轮毂；沿转轴方向安装有叶片、挡板、上端保护轴承、径向永磁轴承、发电机、六极式径向混合磁轴承、下端保护轴承、轴向永磁轴承上端永磁环；其中叶片安装在轮毂上，轮毂直接与转轴相连；上端保护轴承和下端保护轴承安装在风力机外壳上；上、下保护轴承与转轴保持一定的径向间隙，挡板与上端保护轴承形成轴向保护间隙；所述径向永磁轴承包括径向永磁轴承动磁环部分和径向永磁轴承静磁环部分；径向永磁轴承静磁环部分安装风力机外壳上，径向永磁轴承动磁环部分位于径向永磁轴承静磁环部分的径向内侧，且两者之间为上端径向工作气隙；所述径向永磁轴承动磁环部分包括动磁环隔磁支架、动磁环组；所述径向永磁轴承静磁环部分包括静磁环隔磁支架、静磁环组；其中，径向永磁轴承动磁环隔磁支架、动磁环组和转轴固定连接；其中，动磁环组、静磁环组分别镶嵌在动磁环隔磁支架、静磁环隔磁支架中，并通过连杆固定，以保持永磁环之间间隙为零。 所述发电机包括发电机转子和发电机定子；所述发电机定子安装在风力机外壳上，发电机转子位于发电机定子的径向内侧，且两者在径向上形成了发电机的工作气隙。所述六极式径向混合磁轴承包括六极式径向混合磁轴承定子和六极式径向混合磁轴承转子，所述转子和转轴固定连接，六极式径向混合磁轴承定子安装在风力机外壳上；所述转子位于所述定子的径向内侧，且两者配合形成下端径向工作气隙；所述的六极式径向混合磁轴承，还包括永磁体、第一电磁线圈、第二电磁线圈、永磁磁极、控制磁极、径向工作气隙和定子磁轭；所述永磁体嵌装在永磁磁极上，径向混合磁轴承电磁线圈缠绕在控制磁极上。挡板和径向永磁轴承，径向永磁轴承和发电机，发电机和六极式径向混合磁轴承，六极式径向混合磁轴承和轴向磁轴承上端永磁环，都是通过转轴相连在一起的；轴向永磁轴承下端永磁环通过轴与风力机外壳相连接；风力机外壳固定在风力机塔架上，塔架固定在地面上。所述的轴向永磁轴承包括轴向永磁轴承上端永磁环、轴向永磁轴承下端永磁环、轴向工作气隙、隔磁环和轴；所述的轴向永磁轴承下端永磁环包括轴向永磁轴承下端内磁环和轴向永磁轴承下端外磁环；所述下端内磁环、下端外磁环和隔磁环通过轴与风力机外壳相连接。上述的径向永磁轴承的定子和转子是由轴向平行磁化的多环经轴向叠加而成的，完成风力机转子上端径向两个自由度的稳定悬浮。径向永磁轴承永磁体环的层数为4，径向永磁轴承的动静磁环在径向上的工作气隙为1.5~3mm。所述的六极式径向混合磁轴承的定子与其转子之间形成的径向工作气隙为0.1~0.3mm。所述的轴向永磁轴承上端永磁环与其下端永磁环之间形成的轴向工作气隙为1.5~3mm。所述的上端保护轴承3、下端保护轴承5与转轴10的径向间隙应小于径向磁轴承和轴向磁轴承的工作气隙，为0.2~0.5mm。基于上述结构，本专利技术的垂直轴磁悬浮风力发电机具有以下优点：本专利技术利用径向和轴向永磁轴承分别完成了转轴上端径向二自由度和轴向单自由度的悬浮，六极式径向混合磁轴承完成了转轴下端径向二自由度的悬浮，不但实现了转轴五自由度悬浮，消除了机械摩擦和磨损，减少了维护成本，降低了起动风速，而且简化了磁悬浮支承结构，降低了磁轴承系统损耗，提高了风能的利用率。相对传统的垂直轴风力发电机，本专利技术具有结构简单、成本低廉、起动风速低和风能利用率高等优点，具有广阔的市场前景。附图说明图1是本专利技术的垂直轴磁悬浮风力发电机结构平面示意图。图2是本专利技术的径向永磁轴承的轴向剖面图；图3是本专利技术的径向永磁轴承的端面图。图4是本专利技术的六极式径向混合磁轴承的轴向剖面图；图5是本专利技术的六极式径向混合磁轴承的端面图。图6是本专利技术的轴向永磁轴承的轴向剖面图；图7是本专利技术的轴向永磁轴承的端面图。附图标记说明：叶片-1、轮毂-2、上端保护轴承-3、径向永磁轴承-4、下端保护轴承-5、发电机-6、六极式径向混合磁轴承-7、轴向永磁轴承上端永磁环-8、轴向永磁轴承下端永磁环-9、转轴-10、挡板-11、风力机外壳-12、隔磁环-13、轴-14、风力机塔架-15、径向永磁轴承动磁环部分-41、径向永磁轴承静磁环部分-42、发电机转子-61、发电机定子-62、六极式径向混合磁轴承转子-71、六极式径向混合磁轴承定子-72、轴向永磁轴承下端内磁环-91、轴向永磁轴承下端外磁环-92、动磁环隔磁支架-411、静磁环隔磁支架-421、动磁环组-412、静磁环组-422、径向工作气隙本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直轴磁悬浮风力发电机，包括叶轮，转轴（10），发电机（6），风力机外壳（12），风力机塔架（15），叶轮固定在转轴（10）上，发电机（6）固定在转轴（10）上，转轴（10）固定在风力机塔架（15）上，风力机外壳（12）固定在风力机塔架（15）上，塔架（15）固定在地面上，其特征在于，还包括上端保护轴承（3），下端保护轴承（5），径向永磁轴承（4），六极式径向混合磁轴承（7），轴向永磁轴承上端（8）和轴向永磁轴承下端（9）；转轴（10）上依次设有挡板（11），径向永磁轴承（4），发电机（6），六极式径向混合磁轴承（7），轴向永磁轴承上端（8）；轴向永磁轴承下端永磁环（9）通过轴（14）与风力机外壳（12）相连接；上端保护轴承（3）和下端保护轴承（5）安装在风力机外壳（12）上；上端保护轴承（3）、下端保护轴承（5）与转轴（10）保持径向间隙，挡板（11）与上端保护轴承（3）形成轴向保护间隙；所述径向永磁轴承4包括径向永磁轴承动磁环部分（41）和径向永磁轴承静磁环部分（42）；径向永磁轴承静磁环部分（42）安装风力机外壳（12）上，径向永磁轴承动磁环部分（41）位于径向永磁轴承静磁环部分（42）的径向内侧，且两者之间为上端径向工作气隙（413）；所述六极式径向混合磁轴承（7）包括六极式径向混合磁轴承定子（71）和六极式径向混合磁轴承转子（72），所述转子（71）和转轴（10）固定连接，六极式径向混合磁轴承定子（72）安装在风力机外壳（12）上；所述转子（71）位于所述定子（72）的径向内侧，且两者配合形成下端径向工作气隙（711）；所述轴向永磁轴承上端永磁环（8）与转轴（10）固定连接；轴向永磁轴承下端永磁环（9）通过轴（14）与风力机外壳（12）相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种垂直轴磁悬浮风力发电机，包括叶轮，转轴（10），发电机（6），风力机外壳（12），风力机塔架（15），叶轮固定在转轴（10）上，发电机（6）固定在转轴（10）上，转轴（10）固定在风力机塔架（15）上，风力机外壳（12）固定在风力机塔架（15）上，塔架（15）固定在地面上，其特征在于，
还包括上端保护轴承（3），下端保护轴承（5），径向永磁轴承（4），六极式径向混合磁轴承（7），轴向永磁轴承上端（8）和轴向永磁轴承下端（9）；
转轴（10）上依次设有挡板（11），径向永磁轴承（4），发电机（6），六极式径向混合磁轴承（7），轴向永磁轴承上端（8）；
轴向永磁轴承下端永磁环（9）通过轴（14）与风力机外壳（12）相连接；
上端保护轴承（3）和下端保护轴承（5）安装在风力机外壳（12）上；
上端保护轴承（3）、下端保护轴承（5）与转轴（10）保持径向间隙，挡板（11）与上端保护轴承（3）形成轴向保护间隙；
所述径向永磁轴承4包括径向永磁轴承动磁环部分（41）和径向永磁轴承静磁环部分（42）；径向永磁轴承静磁环部分（42）安装风力机外壳（12）上，径向永磁轴承动磁环部分（41）位于径向永磁轴承静磁环部分（42）的径向内侧，且两者之间为上端径向工作气隙（413）；
所述六极式径向混合磁轴承（7）包括六极式径向混合磁轴承定子（71）和六极式径向混合磁轴承转子（72），所述转子（71）和转轴（10）固定连接，六极式径向混合磁轴承定子（72）安装在风力机外壳（12）上；所述转子（71）位于所述定子（72）的径向内侧，且两者配合形成下端径向工作气隙（711）；
所述轴向永磁轴承上端永磁环（8）与转轴（10）固定连接；
轴向永磁轴承下端永磁环（9）通过轴（14）与风力机外壳（12）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述径向永磁轴承动磁环部分（41）和径向永磁轴承静磁环部分（42），两者之间的上端径向工作气隙（413）的范围为1.5~3mm。
3.根据权利要求2所述一种垂直轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，
所述径向永磁轴承动磁环部分（41）包括动磁环隔磁支架（411）、动磁环组（412）；
所述径向永磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵俊峰，钱一，曾润章，朱利东，鞠金涛，陈帅，朱熀秋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32