CN101187357B - 一种风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设有空心轴外置转子电机的风力发电机，包含纵向中心轴、可绕纵向中心轴旋转的至少一个支架、与支架连接的至少一个叶片。空心轴电机与支架之一固定连接，纵向中心轴与空心轴固定连接，其外置转子可随支架转动而发电，不仅减轻了重量，而且可以提高电机的使用寿命。本发明的各支架之间通过套设于纵向中心轴外的轴套连接，轴套与支架之间可以采用螺栓连接或固定连接，叶片采用柔性材料制成，本发明的支架也可以由多个部件采用可拆卸的方式连接。采用上述结构的风力发电机安装简单、可拆卸运输，降低运输成本。

Description

一种风力发电机

【技术领域】

本发明涉及一种风力发电机，尤其是一种采用空心轴外置转子电机的风力发电机。

【背景技术】

目前风力发电机上使用的电机基本上均为实心轴的电机，现有技术中存在一些空心轴电机的技术，但是基本上没有使用到风力发电机上，风力发电机惯常使用的仍是实心轴的电机。如英国一家公司(the Guietrevolution Ltd)曾经推出一款旋转型垂直式叶片的风力发电机，该设计采用三片独立的S形叶片，通过三个特别加工的三角形固定装置将叶片自上而下沿轴逆时针旋转180度而成，电机轴采用实心轴，电机设置在整个装置的底部。

风力发电机采用实心轴电机的缺陷在于：这种风力发电机通过叶片旋转带动电机的实心轴转动而产生电能。由于风力发电机24小时昼夜不停地工作，使用一定时间后实心轴很容易断裂，为了强化电机轴的强度，延长电机的使用寿命，现有技术中采用增大电机轴直径的方法来解决。为了获得大功率的风力发电机，其电机轴将非常粗大，电机显得非常笨重。而且整个风力发电机的中心支撑是在不停地旋转，影响整体装置的稳定性。上述英国公司的产品还采用硬质材料一体制作叶片，叶片为异型，需要使用特别的模具将叶片成型，加工复杂，成本高；叶片与各支撑部件焊接为一体，而该产品高5m，直径为3m，叶片长6m，支撑部件整体尺寸大，制造成本高，而且运输安装困难；制成部件与叶片焊接，在强风持久作用下强度差；纵向中心轴与支撑部件同时转动，平衡稳定性欠佳。

【发明内容】

本发明需要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种电机强度高、使用寿命长、重量轻的风力发电机。本发明还可以提供一种结构简单，生产、安装和运输成本低廉的旋转叶片风力发电机。本发明也还可以提供一种平衡稳定性好的旋转叶片风力发电机。

为了解决现有技术的不足，本发明采用以下技术方案：

一种风力发电机，包含：

一电机，包含电机轴、与所述电机轴固定连接的定子和绕所述电机轴旋转的转子；

一纵向中心轴，与所述电机轴轴向连接；

至少一个独立的叶片，沿所述纵向中心轴的轴向设置；

至少一个水平的支架，设立在所述纵向中心轴上，所述支架的端部分别与不同的所述叶片连接；

所述电机为外置转子电机，所述电机轴为空心轴，所述纵向中心轴穿过所述空心轴并与之固定连接，所述支架均绕所述纵向中心轴旋转，所述电机与所述支架之一同轴连接并随之转动，所述电机垂直于所述空心轴设有绕所述空心轴旋转的上盖板和下盖板，所述定子由与所述空心轴径向固定连接的PCB板和嵌设在所述PCB板上的线圈组成，所述转子设置于所述上盖板和/或下盖板与所述线圈的对应位置。

其中：所述定子和转子为平行设置的至少一组。

其中：所述叶片采用可折弯的柔性材料制成，其与所述支架的端部通过连接件连接。

其中：所述柔性材料为高分子碳氢聚合物。

其中：所述支架包含：

一中心支架，其与所述中心轴连接；

与所述叶片个数对应的风叶连接板，其一端与所述中心支架刚性连接，一端通过所述连接件与叶片连接。

其中：所述连接件包含：

一贯通件，可容所述叶片穿过，所述叶片和所述贯通件上对应设有可容螺栓穿过并紧固的螺孔；

一与贯通件垂直连接的夹持物，可容所述风叶连接板的端部套入，所述夹持物和所述支架上对应设有可容螺栓穿过并紧固的螺孔。

其中：所述贯通件包含可容所述叶片置入的开环卡合件和与所述卡合件开环处吻合的底板，所述夹持物垂直设置在所述底板上。

其中：所述夹持物为两个平行的夹板。

其中：相邻的所述支架之间通过套设于所述纵向中心轴外的轴套刚性连接。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明风力发电机采用设有空心轴的外置转子电机与支架之一轴向连接，可以有效地解决电机轴尺寸过大显得笨重的问题，而且空心轴、外置转子的结构可以使得电机在轴不动的情况下发电，延长轴的使用寿命。

2.本发明的电机有垂直于空心轴的气隙，该气隙产生平行于空心轴的磁通量，转子磁钢可以是稀土磁钢，高效率的稀土磁钢可以使气隙加大，实现无芯形-相对高密度线圈，减少接头扭矩造成的能量损失。定子的两端各有一个磁钢转子，两个磁钢提高了发电效率，磁钢转动时还可以象风扇一样冷却定子线圈发出的热量，因而可以承受大电流。本发明的电机还可以实现多极多层，转子和定子可以重叠设置多组。因为定子无芯，线圈密度和体积可以增加。用于定子的环氧树脂胶需要有芯一样的强度和硬度，以减少重量和成本。

3.本发明的纵向中心轴不转动，支架绕纵向中心轴转动，使得整个***有一个稳定的中心轴，可以较好地解决纵向中心轴转动带来的整体稳定和平衡性欠佳的问题。

4.本发明采用柔性的高分子材料做叶片，不存在叶片被强风折断的可能性，故无需采取超速保护措施，并且采用柔性材料做叶片降低了叶片的重量，可以更加有效地利用风能。

5.本发明的支架采用中心支架和风叶连接板两部分刚性连接而成，减少支架整体制造的难度，降低生产成本，而且方便运输。

6.由于柔性叶片与支架之间材质存在材质的差异，不能采用传统的焊接方式进行连接，本发明采用连接件和螺栓的方式，不仅可以连接不同材质的叶片和支架，而且可以分拆后运输，安装时无需使用电焊机等大型安装工具。

7.本发明连接件中的贯通件采用两部分组成，可以很方便地在任何合适的位置卡入叶片并紧固连接。

8.本发明中的夹持物采用两个夹板夹住支架端然后固定的形式，只需考虑夹板间的宽度，制造和使用更加方便。

9.由于柔性材料可以方便地扭曲，本发明的叶片不需要加工成异型结构，只要按照传统的方式加工成为直线状，在安装的时候靠支架反向旋转使其扭曲为旋转状，极大地降低了制造成本，而且直的叶片更方便运输。

10.本发明风力发电机的相邻支架之间采用设置在纵向中心轴外的轴套连接固定，工作时纵向中心轴不转，轴套与支架绕纵向中心轴转动，相比纵向中心轴转动的现有技术，本发明具有更好的平衡稳定性。同时在采用直的柔性叶片时，本结构非常方便安装，叶片可以先竖直与支架连接，然后两端的支架反向旋转一定角度后再与轴套刚性连接，从而固定叶片的扭转形状，并可以有效地防止支架旋转后反弹。

【附图说明】

图1为本发明实施例一的示意图

图2为本发明实施例一的电机机构示意图

图3为本发明实施例二的电机结构示意图

图4为图3的A-A剖视图

图5为本发明实施例三中机翼形叶片示意图

图6为本发明实施例四的轴套示意图

图7为本发明实施例四的支架、电机和轴套连接关系剖视图

图8为本发明实施例四的支架、电机和轴套连接关系俯视图

图9为本发明实施例五的支架的结构示意图

图10为本发明实施例六采用的连接件示意图

图11为本发明实施例六采用的开环卡合件结构示意图

图12为本发明实施例六采用的底板和支架固定件俯视示意图

图13为本发明实施例六采用的底板和支架固定件侧视示意图

图14为本发明实施例七的示意图

其中：

1-叶片         35-下部轴套        5-连接件

2-纵向中心轴   4-电机             51-叶片固定件

31-上部支架    41-线槽            511-开环卡合件

32-中部支架    42-空心轴          512-底板

321-中心支架   43-线圈            513-螺孔

322-连接板     44-磁钢            52-支架固定件

33-下部支架    45-上盖            521-夹片

34-上部轴套    46-下盖            522-螺孔

341-上端盖     47-PCB板           6-法兰盘

342-下端盖     7-避雷针

【具体实施方式】

本发明的旋转叶片风力发电机包含空心轴外置转子电机、至少两个独立叶片、穿过空心轴并与之固定连接的纵向中心轴和均匀设置在纵向中心轴上的分别与各个叶片连接的至少两个水平支架，各支架设有与叶片个数对应的端点。安装后的叶片绕纵向中心轴均匀设置并自上而下呈螺旋形。本发明采用的空心轴外置转子电机可以与任一支架固定连接，各个支架均可绕纵向中心轴转动。

本发明的电机包含空心的电机轴、绕电机轴旋转的上盖板和下盖板、设置在上盖板和下盖板之间的转子和定子，其中转子随上盖板和下盖板转动，定子与所述电机轴固定连接。定子由与所述空心轴固定连接的PCB板和嵌设在所述PCB板上的线圈组成，电机上盖板和下盖板与线圈对应处设置转子。

下面结合附图对本发明进行进一步的说明：

实施例一

如图1所示，本发明包含三个独立叶片1、纵向中心轴2、水平设置在纵向中心轴2上部、中部和下部且可绕纵向中心轴2旋转的上部支架31、中部支架32和下部支架33，电机4可与任一支架固定连接。

如图1所示，将电机4设置中部支架32的中心。如图7所示，纵向中心轴2穿过空心轴42并与之过盈配合。纵向中心轴2不转动，电机4和各个支架绕纵向中心轴2转动。因此相对于现有技术而言，相同功率的电机，空心轴42相对于实心轴而言不仅降低了成本，而且极大地减轻了电机自身的重量。

电机4的结构如图2所示，包含空心轴42、通过螺栓连接的上盖45和下盖46，它们与空心轴42通过轴承连接，即可以绕空心轴42旋转。与上盖45和下盖46平行的环状PCB板47置于上盖45和下盖46组成的空间中并平分该空间，PCB板47与空心轴42固定连接。PCB板47上嵌设有相互连接的线圈43。PCB板47、线圈43和空心轴42组成定子，上盖45和/或下盖46与线圈43对应处设有磁钢44，构成转子。

电机4与中部支架32的连接关系如图7和图8所示，电机4设置在中部支架32的下方，其上盖45与中部支架32通过螺钉连接，空心轴42与纵向中心轴2固定连接，则上盖45和下盖46可以绕纵向中心轴2旋转，带动其上的磁钢44旋转，使线圈43中产生电流，通过PCB板47及其上的导线输出电能。

为了降低转动时的阻力，可以在电机4和各个支架与纵向中心轴2的连接处设置轴承。整个装置通过与纵向中心轴2尾端连接的法兰盘6放置。

当风作用于叶片1时，电机4的磁钢44在风力作用下绕纵向中心轴2转动而产生电能。通过预置在PCB板47和纵向中心轴2中心的导线将所产生的能量传递到控制盒，经过变换后储存到电网或蓄电池等其他蓄能装置。

本实施例通过将空心轴电机4直接套设在纵向中心轴2上进行固定，获得很好的安装强度。

本实施例的电机4有垂直于空心轴42的气隙，该气隙产生平行于空心轴42的磁通量，转子磁钢44可以是稀土磁钢，高效率的稀土磁钢可以使气隙加大，实现无芯形-相对高密度线圈，渐少接头扭矩造成的能量损失。定子的两端各有一个磁钢44转子，两个磁钢提高了发电效率，磁钢44转动时还可以象风扇一样冷却定子线圈43发出的热量，因而可以承受大电流。

本发明的电机4还可以实现多极多层，转子和定子可以重叠设置多组。因为定子无芯，线圈密度和体积可以增加。用于定子的环氧树脂胶需要有芯一样的强度和硬度，以减少重量和成本。

在本实施例中，叶片1可以为一个或一个以上(为了平衡，只有一个叶片1的时候，叶片1应自上而下绕纵向中心轴2旋转360度)，支架也可以是至少一个。电机4可以设置在任一支架的中心。从受力均匀来看，将电机4设置在居中支架(如上述的中部支架32)的中心比较好。

实施例二

实施例一中的电机4也可以采用如下结构：

如图3-图4所示，电机4包含空心轴42、电机上盖45、下盖46。上盖45和下盖46可以绕空心轴42旋转。定子和转子设置在上盖45和下盖46之间。线圈43缠绕在空心轴42的外部，形成定子；转子为设置在外圈的磁钢44，可随上盖45和下盖46绕空心轴42转动。线圈43和磁钢44均与空心轴42同轴设置，空心轴42上设有线槽41供引出电能。

相对于现有技术而言，相同功率的电机，空心轴42相对于实心轴而言不仅降低了成本，而且极大地减轻了电机自身的重量。

实施例三

如图1所示，叶片1采用柔性材料，如高分子碳氢聚合物polylefins制成，可以是螺旋型或机翼形。上部支架31、中部支架32和下部支架33均可绕纵向中心轴2旋转，且三个支架的端点分别与叶片1的上部、中部和下部连接，使安装后的三个叶片1绕纵向中心轴2均匀设置，且自上而下为螺旋型或S型。当然，安装后的叶片1也可以自上而下为直线型。由于叶片1为柔性材料，其与上部支架31、中部支架32和下部支架33之间无法通过焊接连为一体，必须通过连接件5进行紧固连接。

叶片1采用柔性材料制成，不存在叶片被强风折断的可能性。故无需采取超速保护措施，不仅降低了重量，能够更加有效的利用风能，而且其与支架通过连接件5连接而非焊接，可以拆开后运输，无需整体运输，降低了运输成本。安装时也无需使用大型的安装设备。

不论叶片1为机翼型、螺旋型或S型，安装时上部支架31、中部支架32和下部支架33先根据需要固定错开设置在纵向中心轴2上，叶片1与各支架端点连接好即可。

但是由于叶片1是采用柔性材料制成，可以很方便的扭曲，因此即使要求安装后的叶片1自上而下呈螺旋型或S型，叶片1也可以无需加工成螺旋型或S形等异型，直接按照普通方法加工成直的形状，如机翼型即可(如图5所示)。在安装时可以将其扭转为所需的形状后与上部支架31、中部支架32和下部支架33连接。相对于螺旋型或S型等异形叶片，机翼型叶片1不仅生产加工简单，极大地降低了生产成本，而且更方便运输。

在风力的作用下，叶片1、上部支架31、中部支架32和下部支架33绕纵向中心轴2旋转，从而带动电机4的外置转子绕定子转动产生电能。

在本实施例中，叶片1可以为一个或一个以上(为了平衡，只有一个叶片1的时候，叶片1应自上而下绕纵向中心轴2旋转360度)，支架也可以是至少一个，如仅使用中部支架32。本实施例中使用三个支架的稳定性和平衡性更好。

实施例四

在前述实施例的基础上，上部支架31、中部支架32和下部支架33的连接可采用如下结构：

如图1所示，上部支架31和中部支架32通过套设在纵向中心轴2外的轴套34连接。轴套34结构如图6所示，上端设有上端盖341，下端设有下端盖342。上端盖341和下端盖342分别与上部支架31和中部支架32通过螺栓连接或铆接。同样中部支架32和下部支架33之间也通过轴套35连接。

电机4与支架和轴套的连接关系如图7、图8所示。中部支架32分别与电机上盖45和轴套34的下端盖通过螺钉固定连接，轴套35的上端盖与电机4的下盖46通过螺钉固定连接。在风力的作用下，中部支架32、轴套34、轴套35、电机上盖45、下盖46绕纵向中心轴2同步旋转，空心轴2和PCB板47因与纵向中心轴2固定连接而不转动。

当需要安装后的叶片1自上而下为螺旋型或S型，且叶片1为直的如机翼型的叶片1时，在开始安装时上部支架31、中部支架32和下部支架33可以不是相互错开排列的，它们的对应端点位于穿过纵向中心轴2的同一竖直平面上。轴套34和轴套35先与中部支架32通过螺栓固定好。将叶片1与上述三支架末端采用连接件5固定后，将上部支架31和下部支架33相对于中部支架32反向扭转相同的角度，然后将上部支架31和轴套34、下部支架33和轴套35通过螺栓固定。此时，叶片1被强行扭转为所需要的螺旋型或S型，上部支架31、中部支架32和下部支架33之间的相对角度固定，不会回弹。

当然，也可以不强行扭转支架，安装后的叶片1从上至下为直的，并非为S型或螺旋型。

对于当需要安装后的叶片1自上而下为螺旋型或S型，且叶片1也是螺旋型或S型时，先将三个支架根据需要调整角度后用螺栓与轴套34和轴套35固定好，安装上叶片1即可。

采用这种结构，叶片1的安装更为简单。叶片1、纵向中心轴2、上部支架31、中部支架32和下部支架33、电机4、轴套34、轴套35等各个部件均可以拆卸运输，极大地降低了运输成本。而且安装也变得非常简单，无需焊接机等大型安装工具。

在本实施例中，叶片1可以一个或一个以上(为了平衡，只有一个叶片1的时候，叶片1应自上而下绕纵向中心轴2旋转360度)，支架也可以是至少两个，相连之间的支架采用上述的轴套连接即可(只有一个支架的时候无需采用轴套的结构)。当然，轴套与各支架之间也可以是事先确定可错开角度的固定连接。

实施例五

当需要大功率发电时，前述实施例的整体尺寸，尤其是支架的尺寸较大(如10KW风机***的支架旋转直径为6米，20KW的风机***的支架旋转直径为9米)，使得支架的制造困难。因此，可以对支架的结构做如下改进：

如图9所示，以中部支架32为例，其包含与纵向中心轴2连接的中心支架321，连接叶片1和中心支架321的连接板322。连接板322与叶片1之间通过连接件5刚性连接，连接板322与中心支架321之间采用铆接或螺栓刚性连接。

上部支架31和下部支架33采用同样的结构，使得制造、安装和运输都变得非常容易。

实施例六

在实施例五的基础上，本发明连接件5可以采用如下结构：

连接件5包含垂直连接的叶片固定件51和支架固定件52(如图10所示)。叶片固定件51为一形状与叶片1的断面形状相似的环形贯通件，其环形内径稍小于叶片1的断面外径。支架固定件52内空，以叶片固定件51为底，可容上部支架31、中部支架32或下部支架33的末端套入。

为了便于套入叶片1，如图11和图12所示，可由开环卡合件511和底板512两部分拼合成完整的叶片固定件51。由于叶片1为柔性材料制成，可以稍变形后卡入开环卡合件511中，随后合上底板512，即为完整的叶片固定件51。底板512、叶片1和开环卡合件511上对应设有螺孔513，螺栓穿过这些螺孔513将它们紧固连接。

为了方便连接上部支架31、中部支架32或下部支架33的末端，支架固定件52可采用以下结构：如图13所示，支架固定件52包含两个平行的或与支架末端表面形状适应的夹片521，夹片521竖直设立在底板512上。夹片521之间的缝隙可容支架末端套入。两个夹片521与支架末端上均设有对应的螺孔522，螺栓穿过这些螺孔522将夹片521和支架末端固定。

在叶片1为螺旋型或机翼型，均可以采用这种连接件。采用这种结构能够很好地解决两个不同平面内的物体的连接问题。

实施例七

在上述实施例的基础上，本发明可以做如下改进：

为了防止雷电的影响，在本发明风力发电机的顶端安装一避雷针7(如图14所示)。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种风力发电机，包含：

一电机，包含电机轴、与所述电机轴固定连接的定子和绕所述电机轴旋转的转子；

一纵向中心轴，与所述电机轴轴向连接；

至少一个独立的叶片，沿所述纵向中心轴的轴向设置；

至少一个水平的支架，均匀设立在所述纵向中心轴上，所述支架的端部分别与不同的所述叶片连接；

所述电机为外置转子电机，所述电机轴为空心轴，所述纵向中心轴穿过所述空心轴并与之固定连接，所述支架均绕所述纵向中心轴旋转，所述电机与所述支架之一同轴连接并随之转动，其特征在于：所述电机垂直于所述空心轴设有绕所述空心轴旋转的上盖板和下盖板，所述定子由与所述空心轴径向固定连接的PCB板和嵌设在所述PCB板上的线圈组成，所述转子设置于所述上盖板和/或下盖板与所述线圈的对应位置。

2.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述定子和转子为平行设置的至少一组。

3.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述叶片采用可折弯的柔性材料制成，其与所述支架的端部通过连接件连接。

4.如权利要求3所述的风力发电机，其特征在于：所述柔性材料为高分子碳氢聚合物。

5.如权利要求3所述的风力发电机，其特征在于：所述支架包含：

一中心支架，其与所述中心轴连接；

与所述叶片个数对应的风叶连接板，其一端与所述中心支架刚性连接，一端通过所述连接件与叶片连接。

6.如权利要求5所述的风力发电机，其特征在于：所述连接件包含：

一贯通件，可容所述叶片穿过，所述叶片和所述贯通件上对应设有可容螺栓穿过并紧固的螺孔；

一与贯通件垂直连接的夹持物，可容所述风叶连接板的端部套入，所述夹持物和所述支架上对应设有可容螺栓穿过并紧固的螺孔。

7.如权利要求6所述的风力发电机，其特征在于：所述贯通件包含可容所述叶片置入的开环卡合件和与所述卡合件开环处吻合的底板，所述夹持物垂直设置在所述底板上。

8.如权利要求7所述的风力发电机，其特征在于：所述夹持物为两个平行的夹板。

9.如权利要求1-8任一所述的风力发电机，其特征在于：相邻的所述支架之间通过套设于所述纵向中心轴外的轴套刚性连接。

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