CN101113720A

CN101113720A - 高效率小型风力发电机

Info

Publication number: CN101113720A
Application number: CNA2007101308787A
Authority: CN
Inventors: 秦岭; 薛庆康
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2008-01-30

Abstract

本发明公开了一种高效率小型风力发电机，为充分利用并扩增风流罩的作用，提高现有小型风力发电机的发电效率而设计。其包括由各风叶片的一端分别连接于水平转轴的风叶装置，在风叶装置中各风叶片另一端的***装置风流罩，其特征在于在风流罩的罩体内嵌装发电机的定子，发电机的定子与风流罩的罩体集成为一体；发电机的转子可以与风叶装置结合为一体或分开为两体安装。上述结构极大限度地加大了发电机定(转)子的直径，在同等转速前提下使发电机感应线圈得以更高的速度切割磁力线，由此提高风机的效能。本发明主要用于风力资源丰富的城市或居住区。

Description

高效率小型风力发电机

技术领域

本发明涉及水平轴式风力发电机，尤其是涉及带有风流罩的小型水平轴式风力发电机，其主要用于风力资源丰富的城市或居住区。

背景技术

现有带有风流罩的小型水平轴式风力发电机如图1所示，其包括安装于水平转轴4的风叶装置1，环套风叶装置1安装能提高其气动效果的风流罩11，所述风叶装置1通过水平转轴4与发电机16连接，风叶装置1受风力推动旋转时，通过水平转轴4带动发电机16发电。水平轴式风力发电机是世界上目前最为成功、应用最为广泛、且普遍认为风能利用率最高的一种风力发电机。

经济合理地、最大限度地获取风能资源，一直是风力发电机设计和发展中最主要的技术挑战与目标。为进一步提高风机的风能利用率，人们不断改进风机的桨叶叶型设计或发明新型风叶，如美国专利US 6,736,600公开的螺旋型风叶。在同样的风力状态下，性能优良的风叶可以更好地俘获风能，使风机有更高的风能-电能转化率。此外，人们在一直不断地尝试另一种技术方案，其是在风叶装置的***于风叶旋转面的垂直方向安装一个扩散式、或集中式、或简单直式的圆罩子11(这里笼统称其为风流罩)，以期通过其稳流、聚流和导流等气动效应，进一步提高风机的风能利用率。其中扩散式风流罩的进风口面积小于出风口面积，集中式风流罩则正好相反。图1所示的风流罩11为扩散式风流罩。不同形式、不同轴向长度和不同端面形状的风流罩，其作用及强度也有所不同。世界上已有不少的专利，公开了各式风流罩的设计、形状、选用材料及生产加工工艺(如美国专利US 4,132,499、US 4,021,135；德国专利DE 19903846A1、DE 20115330U1)。

常规风流罩风机除在结构上多出一个风流罩外，其它结构以及工作过程与无罩风机(如桨叶开放式风机)完全相同。

普遍认为，上述风流罩具有下述积极效能：其能削减桨叶叶尖二次流的负影响，提高风叶扫风面的来流风速(或来流风量)，从而提高整个风机的风能利用率；同时，风流罩对消减叶尖噪声，增强风机运转安全性(如防止冬季抛摔风叶面上积结的冻冰)等方面相对无罩风机具备相当的优势，使得带风流罩(尤其小型风流罩)的风机在城市居民区的应用成为可能。

但带有风流罩的水平轴式风力发电机虽然其概念已存在几十年，却受限于制造成本，至今没有得到广泛的应用。也就是说，风流罩通过其稳流、聚流或导流等因素所起到的提高风能利用率之积极作用，相对于加装风流罩的附加成本仍需要进行得失权衡，风流罩风机应用的经济性是其发展的瓶颈。

另一方面，高转速运行的发电机其整体性能被普遍认为较低转速发电机为优；为此，风力发电机组中通常都带有变(增)速装置。而小型风力发电机由于受结构、维护和成本等局限，不同于大型的风力机，一般均采用直驱式发电方式，即风叶装置通过连轴直接驱动发电机。如何实现低转速而又能有效地高发电，是至今制约所有小型风机效能的技术瓶颈。

本发明的目的是在充分利用风流罩结构上述积极效能的同时，克服上述小型风力发电机的技术瓶颈，提供一种具有更高发电效率的小型风力发电机。在该风力发电机中，赋予风叶装置、风流罩以及发电机的定子和转子结构全新的意义和功能，从而获得诸多新的技术效果，进一步提高风力发电机的整体效能。本发明使风流罩风力发电机的优势更加突出，使风流罩风力发电机应用的经济性更趋合理，为风力发电机低转速高发电提出了一个新颖的技术方案。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

高效率小型风力发电机，其包括由各风叶片的一端分别连接于水平转轴的风叶装置，各风叶片另一端的***装置风流罩，在风流罩的罩体上嵌装发电机的定子，发电机的定子与风流罩的罩体集成为一体，与所述发电机的定子相对应装置发电机的转子。

所述发电机的转子构成如下：在所述风叶装置中各风叶片另一端的端部连接有磁性件，由该磁性件与所述风叶装置集成，构成所述发电机的转子。

其中发电机的定子及转子的安装结构如下：所述风流罩罩体由风流罩前罩体、发电机定子罩体以及风流罩后罩体分段顺序连接构成，其中发电机定子罩体由发电机定子及包覆其外的罩壳构成；发电机定子罩体与其相邻处的所述风流罩前罩体以及风流罩后罩体比较，其厚度小于两者，但其内径大于两者，由此在风流罩罩体的内壁上形成一个凹槽，在该凹槽中嵌入与所述发电机的定子相对应装置的所述发电机转子的磁性件，该磁性件的内壁面与所述凹槽的槽口面持平，包括该磁性件的内壁面在内，风流罩内壁的壁面保持流线型形状。最合理的情况是所述发电机的定子与所述发电机转子的磁性件位于风流罩罩体内壁的最小口径处。

上述结构中所述的磁性件是一磁性圆环体，或者，所述磁性件包括一导磁圆环体，在导磁圆环体上安装有磁性片。

发电机的转子与所述风叶装置也可以是下述结构方式：所述风叶装置中各风叶片的一端以及所述发电机的转子分别连接于一个水平转轴，风叶装置位于风流罩罩体内壁的最小口径处，风叶装置通过水平转轴带动风力发电机的转子转动，发电机的转子与所述风叶装置安装为两体。

本发明的技术效果：

本发明在保留风流罩其空气动力学意义上的结构特征与效能同时，赋予风流罩结构全新的功能，具体是在风流罩的罩体内嵌装发电机的定子，发电机的定子与风流罩的罩体结合为一体，风流罩已不再单纯是提高风能利用率的部件，同时也是发电机结构的一个组成部分，其作为发电机定子的依托件。本发明将发电机定子与风流罩集成为一体，带来显著的技术效果是极大限度地放大了发电机定(转)子的直径，在相同转子转速的情况下，本发明中的发电机感应线圈可具有更高的(线)速度切割磁力线，从而可产生更大的感应电势，显著提高风力发电机的发电效率。本发明使风流罩风力发电机的优势更加突出，进而使风流罩风力发电机应用的经济性更趋合理；同时，也为小型风力机低转速高发电开辟出了一条新的技术途径。迄今为止，世界上所有风力发电机，其结构都是由风叶装置将风能转换为机械(转)动能，然后通过连动轴带动风力发电机的转子转动进而发电。本发明中将发电机的转子与风叶装置集成为一体，使得整个风力发电机的结构更加简单。

附图说明

图1为现有带风流罩风力发电机的示意图；

图2为本发明结构第一实施例的示意图；

图3为不同定子半径的发电机在相同转速下，线圈相应以不同速度切割磁力线的示意图；

图4为本发明结构第二实施例的示意图；

图5为图4中A-A部位的放大图；

图6为本发明结构第三实施例的示意图；

图7为本发明结构的剖视示意图。

图8为图7中B-B部位的放大图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

实施例1：

见图2、图7及图8，本发明包括支架3支撑的风流罩11，风流罩11由风流罩前罩体12、定子罩体13和风流罩后罩体8拼接而成；其中定子罩体13由发电机定子14及包覆其外的铝合金罩壳9构成，定子14的嵌线槽中按常规技术嵌装感应线圈；定子罩体13的厚度小于、但内径大于相邻的前罩体12及后罩体8，由此在风流罩体的内壁上形成一凹槽，在凹槽中与定子14保持微小气隙10，借助支架3相对应装置发电机转子5。

见图2、图7及图8，发电机转子5具体的安装关系如下：在各风叶片2的叶端部固定导磁圆环6，在所述导磁圆环6上等间距安装磁性片7，组成发电机转子的磁性件，导磁圆环6及其上贴附安装的磁性片7嵌装入上述凹槽中，导磁圆环6的内壁面与所述凹槽的槽口面持平，包括所述导磁圆环6的内壁面在内，使风流罩内壁的壁面保持流线型形状。上述安装有磁性片7的圆环6及所述风叶装置1构成所述发电机的转子5，发电机的转子5与所述风叶装置1集成为一体。合理的情况是发电机定子14、导磁圆环6及其上安装的磁性片7位于风流罩罩体内壁的最小口径处。本实施例中气隙10取值1毫米，定子14的内直径84厘米，风叶片2的直径82厘米，定子14、圆环6和磁性片7可以用常规发电机定子及转子所用材料制作，例如，定子14由硅钢片加线圈绕组按其常规设计及工艺制作，转子5的圆环6选用导磁低碳钢、磁性片7选用钕铁硼材料按其常规工艺制作。本发明工作时，风叶装置1的各风叶片2在风力的作用下转动，等效于发电机转子5转动，从而使发电机发电。

本发明将定子嵌装于风流罩罩体中，极大限度地放大了发电机定(转)子的直径，见图3，图中示出半径分别为R1及R2的两个定(转)子，R1的值大于R2的值，相同转子转速(转子转动相同角度θ)的情况下，定子半径为R1的电机的感应线圈可具有更高的(线)速度切割磁力线，从而可产生更大的感应电势，显著提高风力发电机的发电效率。图3中定子半径为R1的电机中感应线圈切割磁力线的(线)速度V1大于定子半径为R2的电机中感应线圈切割磁力线的(线)速度V2，V1＝(R1/R2)×V2。

实施例2：

见图4、图5所示，其与图2所示实施例1的结构的不同点在于，相对图2中采用低碳钢材料制成的圆环6，改为采用比重更低的铝合金材料制成的圆环17，圆环17上贴附由磁性材料制成的磁环15。圆环17与其上贴附的磁环15及所述风叶装置1构成所述发电机的转子5，磁环15所用材料可与实施例1相同，本实施例的其余结构也与实施例1所述相同。

实施例3：

见图6所示，风叶装置1中各风叶片2的一端以及所述发电机的转子5分别连接于水平转轴4，所述风叶装置1通过水平转轴4带动风力发电机的转子5转动，发电机的转子5与所述风叶装置1安装为两体。图6中，定子14以及转子5的结构及其安装关系与图2及图8相同，所不同的是转子圆环6及贴附其上的磁性片7固定在独立的支架16上，支架16与水平转轴4连接。本实施例的其余结构与实施例1所述相同。

Claims

1.高效率小型风力发电机，其包括由各风叶片的一端分别连接于水平转轴的风叶装置，各风叶片另一端的***装置风流罩，其特征在于在风流罩的罩体上嵌装发电机的定子，发电机的定子与风流罩的罩体集成为一体，与所述发电机的定子相对应装置发电机的转子。

2.按权利要求1所述高效率小型风力发电机，其进一步的特征是所述发电机的转子构成如下：在所述风叶装置中各风叶片另一端的端部连接有磁性件，由该磁性件与所述风叶装置集成，构成所述发电机的转子。

3.按权利要求1或2所述高效率小型风力发电机，其特征是所述风流罩罩体由风流罩前罩体、发电机定子罩体以及风流罩后罩体分段顺序连接构成，其中发电机定子罩体由发电机定子及包覆其外的罩壳构成；发电机定子罩体与其相邻处的所述风流罩前罩体以及风流罩后罩体比较，其厚度小于两者，但其内径大于两者，由此在风流罩罩体的内壁上形成一个凹槽，在该凹槽中嵌入与所述发电机的定子相对应装置的所述发电机转子的磁性件，该磁性件的内壁面与所述凹槽的槽口面持平，包括该磁性件的内壁面在内，风流罩内壁的壁面保持流线型形状。

4.按权利要求2或3所述高效率小型风力发电机，其特征是所述磁性件是一磁性圆环体。

5.按权利要求2或3所述高效率小型风力发电机，其特征是所述磁性件包括一导磁圆环体，在导磁圆环体上安装有磁性片。

6.按权利要求3所述高效率小型风力发电机，其特征是所述发电机的定子与所述发电机转子的磁性件位于风流罩罩体内壁的最小口径处。

7.按权利要求1所述高效率小型风力发电机，其特征是所述风叶装置中各风叶片的一端以及所述发电机的转子分别连接于水平转轴，风叶装置位于风流罩罩体内壁的最小口径处，风叶装置通过水平转轴带动风力发电机的转子转动，发电机的转子与所述风叶装置安装为两体。