全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴制造技术

本实用新型专利技术公开了一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴，主要由外套筒垂直静止轴、内旋转传动轴、径向二自由度全永磁悬浮轴承、轴向单自由度全永磁悬浮轴承、径向磁力全角度自调节机构等组成。径向磁力全角度自调节机构安装于外套筒垂直静止轴上，能够始终处于迎风位置，并在风力大小变化时，实现径向悬浮磁力的闭环反馈自调节功能，使得内旋转传动轴相对于外套筒垂直静止轴的径向悬浮气隙基本不变。本实用新型专利技术所述及的垂直轴风力机传动主轴采用了全永磁悬浮技术和纯机械式自动控制机构，具有结构简单，无摩擦，不耗费电能，成本和故障率低，性价比高等优点。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及垂直轴风力机和磁悬浮技术等领域，具体涉及一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴。
技术介绍
垂直轴风力机除了在世界上少数地区建立了试验性风场外，目前仍没有大规模的推广，但其优越的空气动力学性能越来越引起各国研究人员的重视。自启动性低是垂直轴风力机的主要不足之一。要提高垂直轴风力机的性能，必须采取有效措施克服这一不足。考虑到磁悬浮支承具有无机械摩擦，无接触磨损，无需润滑，运行噪音小，刚度可控等优点，用于垂直轴风力机主轴结构系统，可以降低主轴静态粘滞阻力转矩，改善自启动能力，消除机械磨损损耗，提高机电转换效率。据此，一些学者提出采用电磁轴承替代传统机械支撑轴承的方法来设计风力机主轴，如吴国庆等人在专利CN101532471中提出的“磁悬浮垂直涡轮风力发电机”、张广明等人在专利CN102182624中提出的“一种五自由度磁悬浮水平轴直驱式风力发电机”等。电磁轴承应用的基本要求是必须配备位置闭环反馈控制电路及系统，由此形成的此类磁悬浮风力机的优点是磁力调节速度快，悬浮气隙恒定，抗风力扰动能力强。但其缺点是闭环反馈电控系统复杂，电路硬件投入和运行维护成本高，故障率高，且长期消耗电能，总电功耗大。为了克服上述电磁轴承型磁悬浮风力机的缺点，一些学者提出采用永磁轴承替代传统机械支撑轴承的方法来设计风力机，如李国坤等人在专利CNlO 1034861中提出的“全永磁悬浮风力发电机”、刘骁等人在专利CN1948746中提出的“立式全磁悬浮风力发电机”等。永磁轴承无需外围辅助控制电路，不消耗电能，故障率低，只要永磁体形状和布局合理，基本能够保证被悬浮体的静态稳定悬浮。这些特点是永磁悬浮轴承在风力发电应用的优势。但现有文献较少考虑永磁悬浮结构的风力机在风力扰动下悬浮主轴的恒气隙悬浮特性，各个自由度方向上的悬浮气隙受风向和风力大小的变化而变化，不能随着风向和风力大小自适应地改变相应自由度方向上的磁力大小，不能保证磁悬浮主轴悬浮气隙的恒定。继而导致悬浮主轴轴心偏心，主轴攒动和振颤，增加与发电机连接的机械传动损耗，降低发电机的寿命，提高风力发电系统整机的机械不稳定度。因此，利用永磁轴承在风力发电领域中应用的优势，研究一种能够依据风向和风力大小的变化而自适应地调整磁力方向和大小，保证在风力扰动下的全永磁悬浮主轴悬浮气隙恒定的磁悬浮垂直轴风力机传动主轴结构，具有良好的工程实用意义。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种结构合理，能够依据风向和风力大小的变化而自适应地调整径向悬浮磁力的方向和大小，保证在风力扰动下的悬浮主轴悬浮气隙恒定的全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴。本技术的技术解决方案是一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴，其特征是包括外套筒垂直静止轴、内旋转传动轴、径向二自由度全永磁悬浮轴承、轴向单自由度全永磁悬浮轴承，其特征是还包括径向磁力全角度自调节机构；所述径向磁力全角度自调节机构包括扇弧形风压感应集风板、永磁力矩单元体、风力矩传动臂、径向轴承、集风板支架、永磁力矩支架、传动臂铰链、滚轮、滑动轨道、弹簧、导风背鳍板、限位横梁；径向轴承安装于外套筒垂直静止轴外径上，并与集风板支架和永磁力矩支架相连；扇弧形风压感应集风板和集风板支架之间安装传动臂铰链；风力矩传动臂一侧与扇弧形风压感应集风板相连，另一侧的末端安装滚轮；永磁力矩单元体顶部与滚轮接触，底部与滑动轨道接触，背部通过弹簧与永磁力矩支架相连；滑动轨道与永磁力矩支架底部相连；导风背鳍板与扇弧形风压感应集风板背部相连；限位横梁与永磁力矩支架顶部相连；外套筒垂直静止轴上安装径向二自由度全永磁悬浮轴承和轴向单自由度全永磁悬浮轴承，其内套入内旋转传动轴。所述永磁力矩单元体由永磁材料制成，其横截面为圆弧形、纵截面为梯形，沿纵截面梯形高度方向上进行充磁。所述集风板支架和永磁力矩支架左右对称地安装于径向轴承两侧。永磁体力矩单元体与外套筒静止轴之间的气隙大小，呈跟随风力的实时强弱情况而自动调节的形式。扇弧形风压感应集风板为跟随风向的变化而围绕外套筒静止轴旋转，并始终处于迎风位置的形式。所述外套筒垂直静止轴、内传动旋转轴均由导磁材料制成；所述扇弧形风压感应集风板、风力矩传动臂、径向轴承、集风板支架、永磁力矩支架、传动臂铰链、滚轮、滑动轨道、弹簧、导风背鳍板、限位横梁均由非导磁材料制成。导风背鳍板安装在扇弧形风压感应集风板背部的中线位置处，呈三棱柱形。本技术的优点在于(I)径向悬浮磁力的方向和大小能够实时地随风向和风力进行调整，具有自适应调节特性，保证垂直轴传动旋转主轴轴心悬浮气隙的恒定。(2)采用了全永磁悬浮技术和纯机械式自动控制机构，结构简单，不耗费电能，成本和故障率低,性价比高。以下结合附图和实施例对本技术作进一步说明。图I为本技术一个实施例的装置结构主视图。图2为径向二自由度全永磁悬浮轴承的横截面俯视图。图3为轴向单自由度全永磁悬浮轴承的纵剖面侧视图。图4为轴向上永磁环外观示意图。图5为径向磁力全角度自调节机构结构主视图。图6为永磁力矩单元体外观及其与外套筒垂直静止轴的相对安装位置示意图。图7为扇弧形风压感应集风板的立体结构示意图。图8为内旋转传动轴的悬浮偏心位移变动参数定义示意图。其中，图2至图6中的黑色箭头方向代表磁力线方向。具体实施方式以一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴为例，结合附图对本技术作进一步说明。所述的一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴由外套筒垂直静止轴I、内旋转传动轴2、径向二自由度全永磁悬浮轴承3、轴向单自由度全永磁悬浮轴承4、径向磁力全角度自调节机构5等组成。参见附附图说明图1，内旋转传动轴2套入在外套筒垂直静止轴I的内部。外套筒垂直静止轴I与地基相连，固定不动。内旋转传动轴2顶部连接风力机，底部连接发电机，完成风力机械能的传递。本实施例中，采用了 2个径向二自由度全永磁悬浮轴承、I个轴向单自由度全永磁悬浮轴承实现内旋转传动轴2相对于外套筒垂直静止轴I的五自由度悬浮。I个径向磁力全角度自调节机构实现风力变化时，径向悬浮磁力的闭环反馈自调节功能，使得内旋转传动轴2相对于外套筒垂直静止轴I的径向悬浮气隙基本不变。参见附图2，径向二自由度全永磁悬浮轴承3由径向隔磁环6、径向永磁环7和径向永磁体9组成。径向永磁环7通过径向隔磁环6套接在内旋转传动轴2上，沿内径向外径方向充磁。径向永磁体9共有2对，沿外套筒垂直静止轴I的截面圆周均匀排布安装，沿外径向内径方向充磁。由“同极相斥”原理可知，该径向二自由度全永磁悬浮轴承3可以保证在无外力扰动条件下，径向悬浮气隙8保持恒定，且内旋转传动轴2可以相对于外套筒垂直静止轴I同心旋转。参见附图3，轴向单自由度全永磁悬浮轴承4由轴向推力盘10、轴向上隔磁环11、轴向上永磁环12、轴向下永磁环14、轴向下隔磁环15组成。轴向上永磁环12的外观参见附图4所示，轴向下永磁环14的外观与之类似。轴向推力盘10固定安装在内旋转传动轴2上，轴向上永磁环12通过轴向上隔磁环11嵌入安装于轴向推力盘10的内部，沿垂直向下方向充磁。轴向下永磁环14通过轴向下隔磁环15嵌入安装于外套筒垂直静止轴I的台座上，沿垂直向上方向充磁。由“同极相斥”原理可知，该轴向单自由度全永磁悬浮轴承4可以保证本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴，其特征是：包括外套筒垂直静止轴、内旋转传动轴、径向二自由度全永磁悬浮轴承、轴向单自由度全永磁悬浮轴承，径向二自由度全永磁悬浮轴承由径向隔磁环、径向永磁环和径向永磁体组成，径向永磁环通过径向隔磁环套接在内旋转传动轴上，沿内径向外径方向充磁；径向永磁体共有二对，沿外套筒垂直静止轴的截面圆周均匀排布安装，沿外径向内径方向充磁；还包括径向磁力全角度自调节机构，所述径向磁力全角度自调节机构包括扇弧形风压感应集风板、永磁力矩单元体、风力矩传动臂、径向轴承、集风板支架、永磁力矩支架、传动臂铰链、滚轮、滑动轨道、弹簧、导风背鳍板、限位横梁；径向轴承安装于外套筒垂直静止轴外径上，并与集风板支架和永磁力矩支架相连；扇弧形风压感应集风板和集风板支架之间安装传动臂铰链；风力矩传动臂一侧与扇弧形风压感应集风板相连，另一侧的末端安装滚轮；永磁力矩单元体顶部与滚轮接触，底部与滑动轨道接触，背部通过弹簧与永磁力矩支架相连；滑动轨道与永磁力矩支架底部相连；导风背鳍板安装在扇弧形风压感应集风板背部的中线位置处，呈三棱柱形；限位横梁与永磁力矩支架顶部相连；外套筒垂直静止轴上安装径向二自由度全永磁悬浮轴承和轴向单自由度全永磁悬浮轴承，其内套入内旋转传动轴。...

【技术特征摘要】
1.ー种全永磁自平衡悬浮垂直轴风カ机传动主轴，其特征是包括外套筒垂直静止轴、内旋转传动轴、径向ニ自由度全永磁悬浮轴承、轴向单自由度全永磁悬浮轴承，径向ニ自由度全永磁悬浮轴承由径向隔磁环、径向永磁环和径向永磁体组成，径向永磁环通过径向隔磁环套接在内旋转传动轴上，沿内径向外径方向充磁； 径向永磁体共有ニ对，沿外套筒垂直静止轴的截面圆周均匀排布安装，沿外径向内径方向充磁；还包括径向磁力全角度自调节机构，所述径向磁力全角度自调节机构包括扇弧形风压感应集风板、永磁力矩单元体、风カ矩传动臂、径向轴承、集风板支架、永磁力矩支架、传动臂铰链、滚轮、滑动轨道、弹簧、导风背鰭板、限位横梁；径向轴承安装于外套筒垂直静止轴外径上，并与集风板支架和永磁力矩支架相连；扇弧形风压感应集风板和集风板支架之间安装传动臂铰链；风力矩传动臂ー侧与扇弧形风压感应集风板相连，另ー侧的末端安装滚轮；永磁力矩单元体顶部与滚轮接触，底部与滑动轨道接触，背部通过弹簧与永磁力矩支架相连；滑动轨道与永磁力矩支架底部相连；导风背鳍板安装在扇弧形风压感应集风板背部的中线位置处，呈三棱柱形；限位横梁与永磁力矩支架顶部相连；外套筒垂直静...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴爱华，茅靖峰，吴国庆，张旭东，肖龙雪，曹阳，邵波，于晓莉，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：实用新型
国别省市：