CN102011702B - 用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构 - Google Patents

Abstract

本发明的采用磁力与风力直接控制叶片桨距角的技术是：在叶片的转轴外侧联接有由磁性元件组成的转子，转子随叶片同轴转动，联接在风轮支架上的磁性元件组成定子，定子与转子通过磁力相互作用，作用力在无风力影响时使叶片静止在无偏摆位置，由于叶片转轴在叶片压力中心前侧，当有风时风力推动叶片顺风转动，而定子则通过磁力阻止转子转动，其作用力随偏离角度的增大而增大，叶片将转至两力平衡的位置。将定子磁性元件由通电线圈构成，控制线圈电流的变化即可改变叶片偏摆角度与风速的关系，容易实现风力机的起动、变桨变速、定桨变速、变桨定速、顺桨停车等功能。

Description

用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构

技术领域

本发明涉及升力型垂直轴风力发电机叶片桨距角的控制机构，通过叶片桨距角的控制，使升力型垂直轴风力机的性能得到较大提高，本发明涉及的垂直轴风力机叶片桨距角的控制方法采用磁力与风力直接控制叶片的桨距角。

背景技术

升力型的垂直轴风力机通过叶片的桨距角控制实现风力机的自起动，能在较宽的风速范围运行，一种简单实用的技术是靠风力直接推动叶片偏摆实现浆桨距角变化，用离心挡块限止偏摆幅度，在中国发明专利申请审定说明书CN1009569B就公开了一种摆翼式立轴风力机。这种风力机的风叶采用离心挡块限止叶片的偏摆幅度，挡块可在风轮横杆内滑行，由弹簧拉住，挡块朝向外端开有V型缺口，叶片上有一挡杆在该缺口内。风轮旋转时挡块受离心力作用向外移动，转速低时挡杆在V型缺口上部，叶片有较宽的摆动范围，转速高时挡杆在V型缺口底部，叶片摆动范围变小，从而达到控制叶片偏摆幅度的目的。由于是利用滑块与挡杆限制叶片摆动范围，运行时叶片与相关构件处在频繁撞击状态，易造成部件损伤，滑块的润滑与密封也比较麻烦，不能直接实现变浆调速。本人在申请号200910108678.0的中国发明专利中公开了一种利用离心力与风力直接控制垂直轴风力机叶片偏摆的方法，该法采用在叶片靠风轮外侧边联接一有质量的部件，当风轮在风力作用下旋转时，部件受到一个朝向风轮外侧的离心力，该力对叶片转轴有一个力矩，同时叶片还受到风力的作用，其对叶片转轴的力矩则相反，叶片将摆至两力矩代数和为零的位置，叶片摆动角度直接与风力与风轮转速有关，有较好的宽风速运行特性，且结构简单，其缺点是高风速时变桨调速性能有限也不易控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种垂直轴风力机叶片浆距角的控制方法，利用磁力与风力直接控制叶片的桨距角。在升力型垂直轴风力机运行中控制叶片的摆动角度可大大提高运行效果，在风力机停机时让叶片随风自由摆动可解除强风时的空气动力载荷。风力机启运后的运行方式主要有四个阶段，一是启动阶段，风力机叶片可在一定范围内摆动，风轮转速上升，旋转动力由阻力逐步转换为升力；二是低风速变速运行阶段，风轮以变桨变速方式运行，三是风速稍高时转为定桨变速方式运行；四是高风速时进入变桨调速运行阶段，此时风风轮以变桨调速方式运行，使风轮按给定转速运行。无论是低风速时的变桨变速还是高风速时的变桨调速叶片的摆动方向都是顺风转动，把叶片转轴设在叶片气动中心前方，风吹叶片产生的力矩会使叶片顺风转动，桨距角伺服机构只需另产生一个适当大小的相反力矩就可使叶片平衡在设定的位置上。无论是低风速时的变桨变速还是高风速时的变桨调速都遵循一个基本关系，在控制参数不变时叶片转动角度随风力增大而增大，随风力减小而减小，采用磁力机械较容易实现力矩与转角间的对应关系，故本发明的变桨距伺服机构采用磁力机械。

本发明的采用磁力与风力直接控制叶片的桨距角的技术方案是：在叶片的转轴外侧联接有转子部件，由磁性元件组成，该部件随叶片同轴转动，称为转子；联接在风轮支架上的磁性元件组成定子，转子与定子共同组成叶片变桨的伺服机构。定子与转子通过磁力相互作用，作用力在无风力影响时使叶片静止在无偏摆位置，即伺服机构的0位。由于叶片转轴在叶片压力中心前侧，当有风时风力推动叶片顺风转动，而定子则通过磁力阻止转子转动，其作用力随偏离角度的增大而增大。除了转子、定子的直径直接关系到产生力矩的大小外，力矩变化的特性还与转子、定子的相对位置、气隙形状、磁感应强度与磁场方向有关，通过对这些参数的设计可简单的实现所需控制特性。

转子与定子之间的作用力可以是吸引力或排斥力或两者都有，转子可由一个或多个磁性元件组成，定子也可由一个或多个磁性元件组成；转子与定子间的气隙磁场方向可以是轴向或径向或绕轴的圆周方向；磁性元件可由永磁体或电磁铁或通电线圈或软磁材料构成。

本发明公开的采用磁力与风力直接控制叶片的桨距角的伺服机构是：转子磁性元件采用永磁体，在转轴一侧安装有两个永磁体，两磁体间有气隙，磁场方向为轴向；在转轴对称一侧也安装有两个永磁体，两磁体间有气隙，磁场方向也为轴向，两侧磁场方向相反，两侧磁体都安装在转子磁軛上，磁軛固定在转轴上，共同构成转子。定子磁性元件采用无铁芯线圈，线圈处在转子永磁体的气隙中，对称安装的两组线圈分别对应两侧转子的永磁体。每组线圈由两个或多个线圈组成，在气隙中的线圈导线对应转轴呈辐射方向，并沿一定角度展开布置，线圈安装在伺服机构机壳端盖内。线圈通电时磁力使转子磁体停留在线圈中心位置，阻止转子偏转的力矩随偏转角度增大而增大，其对应关系可通过改变线圈电流变化。在机壳上装有电磁限位挡杆限制转子的最大转角，线圈中心位置定义为伺服机构的0位。在定子没有线圈导线的地方有金属板，在风力机停车时，所有线圈停电短接，电磁限位挡杆打开，叶片可随风任意摆动，金属板与短接的线圈可阻尼叶片的高速摆动。

本发明的采用磁力与风力直接控制叶片的桨距角的伺服机构采用微处理器进行控制，因为叶片的偏转角度与风力并非单一的变化关系，风轮在不同的风速不同的转速不同的负荷时会有不同的对应关系，本发明根据风轮的叶尖速比参考风速来设定风力机的主要运行方式，再把风轮转速作主要监控对象来控制叶片的摆动角度，也就是伺服机构的转动角度。微处理器的主要控制流程是：启动风轮，向线圈供电使叶片转向初始位置；启动电磁限位挡杆，限制叶片的最大摆动范围，以起动风轮转动方式向线圈供电；叶尖速比超过0.6时逐步转为升力方式运行。待风轮的叶尖速比超过1后按低风速变桨变速方式向线圈供电，分段给定控制电流，在转速较低时采用较小的力矩控制，转速较高时采用较大的力矩控制。当转速上升风轮的叶尖速比超过4时，则以大的力矩把叶片摆动限制在很小范围以定桨变速方式运行，如果伺服机构装有磁力销在风轮的叶尖速比超过5时，可起动销钉锁定叶片不转动，达到真正的定桨。若风速上升风轮转速超过给定转速则进入高风速变桨调速运行方式，根据检测到的风轮转速与给定转速相比及时调整线圈电流，转速上升则减小力矩，转速下降则加大力矩，采用闭环控制把风轮转速控制在给定转速附近。对于采用功率调节的风力发电机可参考上述方式进行控制。

风力机运行中微处理器根据风轮转速范围随时变换运行方式，在风轮转速未达到给定转速时，尽量提高转速；在风轮转速达到给定转速时，把转速控制在给定转速附近，确保风轮以较高的效率运行。

风力机的安全运行控制是：当风速超过切出风速时转向停车；风力机运行中转速超过给定转速上限时调整发电机负荷仍不能降下转速即转向停车；运行中叶片多次摆到限位角度时调整发电机负荷仍不能解决即转向停车。停车操作是立即切断所有线圈电流并短路线圈，同时打开电磁限位挡杆让叶片随风摆动，风轮也就停止旋转，可同时启动刹车。

磁力机械双方部件无撞击无磨损，无噪声，基本不用维护。风力机不需测风向，其叶片摆动角度直接受风力驱动，有很好的实时性。

由于电磁力易控制，本发明采用较简单磁力机构就可以实现垂直轴风力机的启动、变桨变速、定桨变速、变桨调速、顺桨保护、阻尼叶片高速摆动等功能，特别是可控的变桨调速对扩大垂直轴风力机使用范围很有意义。

附图说明

本说明书附图7页总共22幅：

图1a是依靠吸引力相互作用的原理图；图1b是依靠排斥力相互作用的原理图；图1c是依靠排斥力与吸引力共同作用的原理图；

图2a是伺服机构的定子结构的俯视图；图2b是伺服机构的转子下磁軛与永磁体结构的俯视图；图2c是伺服机构剖面的主视图；

图3a是伺服机构转子的俯视图(旋转90度)；图3b是伺服机构剖面的左视图(无定子)；

图4a是伺服机构定子线圈布置与转子磁场的俯视图；图4b是伺服机构第一种结构转子的主视图；图4c是伺服机构第二种结构转子的主视图；图4d是伺服机构第三种结构转子的主视图；

图5a是伺服机构控制的主要子流程；图5b是伺服机构的主控制流程；

图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f是伺服机构在各种运行状态时的转子力矩与转角的特性曲线图；

图7a是伺服机构转子磁力销插孔位置示意图；图7b是伺服机构磁力销安装位置示意图；

在上述附图中相同的附图标记用来表示同一部件。

在图5b中子流程Cx3包含在Cx2中，子流程Cx7包含在Cx4、Cx5、Cx6中，为清楚显示流程转向将子流程提出显示。

具体实施方式

根据磁力机械的特点，转子磁性元件与定子磁性元件之间的相互作用方式多种多样，例如图1a是定子磁性元件Bd用吸引力牵制转子磁性元件Bz的移动；图1b是在转子磁性元件Bz两侧有定子磁性元件Bd1与Bd2，定子磁性元件用排斥力抑制转子磁性元件的移动；图1c有三个定子磁性元件，Bd1与Bd2用排斥力而Bd3用吸引力共同抑制转子磁性元件Bz的移动。

本发明采用磁力与风力直接控制叶片的桨距角的伺服机构如图2a至图2c所示，实际上是一种专用的力矩伺服电机，在下面简称电机，为增大直径又要减小空气阻力采用盘式结构。电机的转子采用钕铁硼永磁体，在下磁軛4上固定有永磁体5与6，图2b是固定有永磁体的下磁軛俯视图。上磁軛7与下磁軛4结构相同，上面固定有永磁体8与9。上下磁軛对齐安装，所有永磁体的磁场方向与转轴平行，上下磁軛的永磁体8与5以及永磁体9与6间留有气隙供定子线圈在其中作相对运动，气隙磁场的方向与转轴平行，但转轴两侧磁场的方向相反，如图4b所示，气隙中磁通密度要均匀。在下磁軛上有挡块dk用来限制最大转角，有挡板gd用于转子回0位检测。电机的定子采用无铁芯线圈，对应转子永磁体的布置线圈也分两侧排列，一侧有主线圈10与辅线圈11，另一侧有主线圈12与辅线圈13，主线圈与辅线圈的布置见图4a，主线圈10与12由主驱动电源供电，辅线圈11与13同由辅驱动电源供电。在转子磁体气隙扫描范围内的线圈导线按辐射状排列或向同一角度倾斜的辐射状排列，实际制作的线圈导线排列会更密些，线圈也可以有一个主线圈与多个辅线圈。在没有线圈导线的位置有铝板14，它与所有线圈被固定在绝缘环形盘16中，绝缘环形盘16固定在电机外壳内，如果转子磁场气隙尺寸与制作工艺许可，也可在整个环形盘敷设铝板。在电机外壳内还有电磁限位挡杆15与光电检测元件gc。电机外壳将安装在风轮支架端部，电机转轴将与叶片转轴刚性连接。所有线圈通电后，转子永磁体将停在线圈中心位置，即0位，这是叶片的初始位置也是无偏摆位置，若转子转离0位将会受到定子线圈阻止其转动的力矩，力矩大小随转离的角度增加而加大。图6a至图6f有6个特性曲线图，近似的反映了风轮在各种方式运行时力矩与转角的关系，βm与-βm是电磁限位挡杆15限制的最大转角，f0是驱使转子回0的力矩，改变线圈电流即可改变这些力矩大小与特性。

转子的转动位置检测是通过光电检测元件gc进行的，两个gc安装在电磁限位挡杆15的两侧，当转子转到最大允许角度时挡块dk会挡住了其中一个光电检测元件gc的光线，通过对两个gc信号的检测便可知叶片是转向那边的最大允许角度。一个gc安装在电磁限位挡杆15的内侧，当转子转到0位附近时gd会挡住该光电检测元件gc的光线，即发出回0信号。在定子圆环盘上有三个孔gk是三个gc的通光孔。较大的风力机的伺服机构可安装磁力销17，在转子上磁軛7有销钉***孔17-1，可把转子锁定在0位，见图7a、图7b。

伺服机构的制造可参考盘式永磁电动机的生产工艺。

伺服机构通过外壳安装在风轮支架3上，其转轴与叶片1连接，当转子在0位置时，叶片应在无偏摆位置。叶片无偏摆位置指叶片的原始位置，是在无风时风轮在外力作用下正向旋转时，风轮受空气阻力最小时的叶片位置。叶片采用普通对称翼型时转轴在叶片气动中心前侧不远处，叶片采用非对称翼型时转轴在叶片气动中心或略前方。叶片的重心应在叶片转轴中心线上，可通过外加平衡物来实现。

伺服机构由微处理机控制，其主要检测信号风轮转速采用光电元件计数检测或其他数字测量装置进行测量，该装置安装在风轮转轴上；风速测量仪装在风力机顶端或风力机附近位置。定子线圈驱动电路采用脉宽调制(PWM)控制线圈电流，线圈驱动电路与微处理机最好安装在风轮上，只需电源电缆与一条信号电缆与地面连接，电缆连接可参考水平轴风力机变桨机构的电缆连接方法。

微处理机的主要控制流程根据风轮转速与风轮的叶尖速比来设定运行方式，在风力机停车时，定子所有线圈短路(如果定子圆盘整周都敷有铝板则不用短路线圈)，电磁限位挡杆打开让叶片随风摆动。风力机的运行控制主要流程如图5a、图5b，Cx1是风力机启动子流程，主线圈与辅线圈同时供电，力矩与转角的特性曲线如图6a，转子在磁场作用下回到中心位置。Cx2是风力机以阻力方式起动子流程，启动电磁限位挡杆15把转子限制在固定的范围内转动，仅给辅线圈小电流通电，力矩与转角的特性曲线如图6b，风轮以阻力方式开始转动，待叶尖速比大于0.5后再给主线圈小电流通电，力矩与转角的特性曲线如图6c，在此阶段有风速检测子流程Cx3，若发现风力异常则转向Cx8停机。转速上升叶尖速比大于1后，转为升力方式运行，进入子流程Cx4，Cx4是低风速时变桨变速方式子流程，工作范围是叶尖速比从1到4，分段设置主线圈与辅线圈的电流，转速低时以小电流向两个线圈供电，力矩与转角的特性曲线如图6d中的虚线，转速高时以大电流向两个线圈供电，力矩与转角的特性曲线如图6d中的实线，低风速时变桨变速方式只是暂时的过程。风轮转速继续增加使叶尖速比大于4后则进入子流程Cx5，Cx5是风力机定浆变速运行的子流程，加大主线圈电流，力矩与转角的特性曲线如图6e，叶片仅在很小的角度摆动，近似于定桨变速运行；较大的风力机的伺服机构有磁力销17，在叶尖速比大于5后起动磁力销锁定转子实现真正的定浆，同时停止向定子线圈供电以节省电力，磁力销仅在定桨变速运行时起动。当风速较高时，风轮转速超过给定转速时则进入高风速变桨调速运行方式Cx6，根据检测到的风轮转速与给定转速之差来控制主线圈电流乃至辅线圈电流，高于给定转速则减小力矩，低于给定转速则加大力矩，采用闭环控制把风轮转速控制在给定转速附近，力矩与转角的特性曲线如图6f。风轮转速随着风速的变化会随时切换运行方式，主要的运行方式是定桨变速与变桨调速。

微处理机在所有运行方式中都实时检测风速、风轮转速、叶片位置，进行判断，Cx7是主要故障检测子流程，当风速超过切出风速或低于停车风速时转向子流程Cx8停车，当风轮转速继续上升到给定转速的上限或叶片频繁摆到限制的最大转角时调整发电机负荷也不能解决则转向子流程Cx8停车。Cx8是停车子流程，切断所有线圈电流并短路线圈(如果定子圆盘整周都敷有铝板则不用短路线圈)，同时打开电磁限位挡杆让叶片随风摆动，风轮也就会停止旋转。无论以那种方式运行，都要时常进行子流程Cx7的检测，以保风力机安全运转。

每个叶片配一个伺服机构，所有叶片的桨距角伺服机构定子主线圈由一个驱动电源供电，所有定子辅线圈由另一个驱动电源供电。

伺服机构可任意方向安装，故可用于倾斜安装的叶片，叶片可以向内侧或外侧倾斜，也可以不大的角度向风轮圆周切线方向倾斜，但风轮上各叶片倾斜方式必须一致，至少风轮转轴两侧对称叶片要一致。

Claims (8)

1.用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构，在叶片(1)上有叶片转轴(2)，其轴线与叶片长度方向平行，叶片转轴(2)位置尽量靠近叶片(1)的中弧线，并在叶片气动中心附近位置或叶片压力中心前方位置，叶片(1)的重心在叶片转轴(2)轴线上，叶片(1)通过叶片转轴(2)安装在风轮支架上，叶片(1)可绕叶片转轴(2)转动，风轮支架固定在风轮转轴(0)上，其特征在于：在叶片转轴(2)外侧联接有转子部件(Bz)，该部件随叶片同轴转动，在风轮支架(3)上联接有定子部件(Bd)，转子部件(Bz)与定子部件(Bd)由永磁体或电磁铁或通电线圈或软磁性材料构成，转子部件(Bz)与定子部件(Bd)不直接接触仅靠磁力相互作用，磁力使叶片在无风时停在无偏摆位置，当有风时叶片在风力作用下向顺风方向转动，转子部件(Bz)随叶片(1)绕叶片转轴(2)转动，而定子部件(Bd)通过磁力阻止转子部件(Bz)转离无偏摆位置，其作用力随叶片转动角度增大而增大，叶片将转向风力与磁力平衡的位置，转子部件(Bz)与定子部件(Bd)之间磁力的大小及变化特性跟两者间的相对位置或气隙形状与大小或磁场方向或两者的磁感应强度有关，通过控制上述一个参数或多个参数的变化来控制叶片转动角度与风速间的多种变化关系。

2.按照权利要求1所述的用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构，其特征在于：所述转子部件(Bz)与所述定子部件(Bd)的组合相对叶片转轴方向是径向或轴向或绕轴切线方向，或同时有所述的方向。

3.按照权利要求1所述的用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构，其特征在于：所述转子部件(Bz)、所述定子部件(Bd)与所述叶片转轴(2)构成的盘式电机结构形成伺服机构，所述转子部件(Bz)与所述定子部件(Bd)之间的作用力由在磁场中的通电线圈产生，所述转子部件(Bz)在所述叶片转轴(2)两侧对称安装有永磁体，右侧由右下永磁体(5)与右上永磁体(8)组成，在右下永磁体(5)与右上永磁体(8)之间有气隙，气隙的磁场方向为轴向，左侧由左下永磁体(6)与左上永磁体(9)组成，在左下永磁体(6)与左上永磁体(9)之间有气隙，气隙的磁场方向也为轴向，但与右下永磁体(5)右上永磁体(8)之间的磁场方向相反，所述定子部件(Bd)由轴对称的两个部件构成，右侧由右侧主线圈(10)与右侧辅线圈(11)组成，左侧由左侧主线圈(12)与左侧辅线圈(13)组成，所有线圈都在一个垂直于叶片转轴(2)的平面上，在该平面上没有线圈的部分装有导电金属板(14)，所有线圈与导电金属板(14)构成定子部件，所述定子部件(Bd)可在所述转子部件(Bz)永磁体的气隙中自由移动，所述定子部件(Bd)的右侧主线圈(10)与左侧主线圈(12)由一个独立的电流控制器供电，所述定子部件(Bd)的右侧辅线圈(11)与左侧辅线圈(13)由另一个独立的电流控制器供电，所述定子部件的线圈通电时，磁力产生的力矩驱使转子部件停在0位，即叶片的无偏摆位置，该力矩抑制转子部件转离0位，当转子部件由外力转动时，所需力矩大小随转角增加而加大，定子部件上的金属板在停车时对转子部件的随机转动进行阻尼，定子部件每侧的辅线圈由一个或多个线圈组成；

伺服机构端盖上安装有电磁限位挡杆(15)，转子部件上安装有挡块(dk)，在正常运行时启动挡杆(15)防止叶片转动超出工作范围，在停车时打开挡杆(15)让叶片随风自由摆动；

伺服机构端盖上安装有位置检测元件(gc)用来检测转子部件是否回到0位和是否转动到最大工作角度。

4.按照权利要求1所述的用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构，其特征在于：所述转子部件(Bz)、所述定子部件(Bd)与所述叶片转轴(2)构成的盘式电机结构形成伺服机构，所述转子部件(Bz)与所述定子部件(Bd)之间的作用力由在磁场中的通电线圈产生，所述转子部件(Bz)在所述叶片转轴(2)两侧对称安装有永磁体，右侧的右下永磁体(5)安装在下磁軛(4c)上，与上磁軛(7c)间有气隙，气隙的磁场方向为轴向，左侧的左下永磁体(6)安装在下磁軛(4c)上，与上磁軛(7c)间有气隙，气隙的磁场方向为轴向，转子部件两侧气隙的磁场方向相反，所述定子部件(Bd)由轴对称的两个部件构成，右侧由右侧主线圈(10)与右侧辅线圈(11)组成，左侧由左侧主线圈(12)与左侧辅线圈(13)组成，所有线圈都在一个垂直于叶片转轴(2)的平面上，在该平面上没有线圈的部分装有导电金属板(14)，所有线圈与导电金属板(14)构成定子部件，所述定子部件(Bd)可在所述转子部件(Bz)永磁体的气隙中自由移动，所述定子部件(Bd)的右侧主线圈(10)与左侧主线圈(12)由一个独立的电流控制器供电，所述定子部件(Bd)的右侧辅线圈(11)与左侧辅线圈(13)由另一个独立的电流控制器供电，所述定子部件的线圈通电时，磁力产生的力矩驱使转子部件停在0位，即叶片的无偏摆位置，该力矩抑制转子部件转离0位，当转子部件由外力转动时，所需力矩大小随转角增加而加大，定子部件上的金属板在停车时对转子部件的随机转动进行阻尼，定子部件每侧的辅线圈由一个或多个线圈组成；

伺服机构端盖上安装有电磁限位挡杆(15)，转子部件上安装有挡块(dk)，在正常运行时启动挡杆(15)防止叶片转动超出工作范围，在停车时打开挡杆(15)让叶片随风自由摆动；

伺服机构端盖上安装有位置检测元件(gc)用来检测转子部件是否回到0位和是否转动到最大工作角度。

5.按照权利要求1所述的用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构，其特征在于：所述转子部件(Bz)、所述定子部件(Bd)与所述叶片转轴(2)构成的盘式电机结构形成伺服机构，所述转子部件(Bz)与所述定子部件(Bd)之间的作用力由在磁场中的通电线圈产生，所述转子部件(Bz)在所述叶片转轴(2)两侧对称安装有永磁体，右侧的右永磁体(5d)与上磁軛(7d)与下磁軛(4d)紧贴安装，气隙在两磁軛之间，气隙的磁场方向为轴向，左侧的左永磁体(6d)与上磁軛(7d)与下磁軛(4d)紧贴安装，气隙在两磁軛之间，气隙的磁场方向为轴向，转子部件两侧气隙的磁场方向相反，上磁軛与下磁軛的中部采用非铁磁材料制作以防两侧磁场短路，所述定子部件(Bd)由轴对称的两个部件构成，右侧由右侧主线圈(10)与右侧辅线圈(11)组成，左侧由左侧主线圈(12)与左侧辅线圈(13)组成，所有线圈都在一个垂直于叶片转轴(2)的平面上，在该平面上没有线圈的部分装有导电金属板(14)，所有线圈与导电金属板(14)构成定子部件，所述定子部件(Bd)可在所述转子部件(Bz)两磁軛间的气隙中自由移动，所述定子部件(Bd)的右侧主线圈(10)与左侧主线圈(12)由一个独立的电流控制器供电，所述定子部件(Bd)的右侧辅线圈(11)与左侧辅线圈(13)由另一个独立的电流控制器供电，所述定子部件的线圈通电时，磁力产生的力矩驱使转子部件停在0位，即叶片的无偏摆位置，该力矩抑制转子部件转离0位，当转子部件由外力转动时，所需力矩大小随转角增加而加大，定子部件上的金属板在停车时对转子部件的随机转动进行阻尼，定子部件每侧的辅线圈由一个或多个线圈组成；

伺服机构端盖上安装有电磁限位挡杆(15)，转子部件上安装有挡块(dk)，在正常运行时启动挡杆(15)防止叶片转动超出工作范围，在停车时打开挡杆(15)让叶片随风自由摆动；

伺服机构端盖上安装有位置检测元件(gc)用来检测转子部件是否回到0位和是否转动到最大工作角度。

6.按照权利要求3、权利要求4或权利要求5所述的用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构，其特征在于：所述机构安装在垂直轴风力机风轮的每个叶片的位置上，所述叶片以不大的角度向风轮内侧或外侧倾斜安装；或以不大的角度向风轮圆周切线方向倾斜安装；风轮上各叶片倾斜方式一致，或风轮转轴两侧对称叶片倾斜方式一致；当风轮上所有叶片倾斜方式一致，则所有叶片的桨距角控制机构的定子部件的主线圈由同一个驱动电源供电，所有定子部件的辅线圈由另一个驱动电源供电。

7.根据权利要求3、权利要求4或权利要求5所述的用磁力和风力控制垂直轴风力机桨距角的机构的控制方法，其特征在于：检测所述伺服机构的回0位信号与最大工作角度信号，利用所述风轮转轴上的编码计数装置检测风轮转速信号，检测风轮顶部的风速信号，微处理机通过这些信号控制所述伺服机构，以风轮叶尖速比划分运行方式，以风轮转速作反馈信号并参考风速进行控制，主要控制流程是：

Cx1启动风力机，主线圈与辅线圈同时供电，转子部件在磁场作用下回到0位置；

Cx2起动电磁限位挡杆(15)把转子部件转动角度限制在工作范围内，辅线圈小电流供电，叶尖速比大于0.5后主线圈与辅线圈同时以小电流供电；

Cx4风轮转速上升至叶尖速比大于1小于4时，按转速分段同时向主线圈与辅线圈给定控制电流，转速小则电流小，转速大则电流大；

Cx5风轮转速上升至叶尖速比超过4时，主线圈以最大电流供电，使叶片仅在很小的角度摆动；

Cx6高风速使风轮转速超过给定转速时，按给定转速闭环控制，风轮转速高于给定转速时减小线圈电流，风轮转速低于给定转速时增大线圈电流；

Cx7是检测子流程，包含在子流程Cx4至Cx6中，主要内容是：

a)超过切出风速或低于停车风速即转向停车Cx8；

b)超过给定转速上限时调整风力机所带负荷仍不能解决即转向停车Cx8；

c)叶片频繁摆到最大转角时调整风力机所带负荷仍不能解决即转向停车Cx8；

d)风力机所带负荷空载时转向停车Cx8；

Cx8打开电磁限位挡杆(15)，所有线圈停电，并短路线圈，同时启动风力机刹车。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在伺服机构端盖上安装磁力销(17)，在叶尖速比超过5时通电启动磁力销(17)把转子部件锁在0位置，并停止定子线圈供电。

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