CN108092478A - 双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双叶轮独立逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特点是，两个叶轮上下同轴线设置，发电机由内轴转子和外壳转子构成，上方叶轮转动轴与内轴转子固定连接，下方叶轮转动轴与外壳转子固定连接，上方叶轮与下方叶轮的旋转方向不同，内轴转子或外壳转子的感应线圈或励磁线圈通过电滑环装置与固定于风机基座的接线端子呈电连接。本发明提高了风机的综合λ数值，并将综合λ数值转化为发电机外壳转子与内轴转子之间的相对线速度，进而提高了发电效率。本发明上、下叶轮两两组合的多种结构形式，既兼顾低风速提升发电效率，又避免遇大风时风机因失速而受损。本发明独特的电滑环装置，适合风机和发电机结构特点，简单、组装方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，尤其为一种将两个独立逆向旋转的叶轮沿同一轴线来构建的垂直轴风力发电机。
背景技术
垂直轴风力发电机在低风速条件仍然能启动发电，这一特点使垂直轴风力发电机在许多风场资源一般的地区仍然能发挥较好的作用。对于全年大部分时间，风速在8米/秒以下的风场，垂直轴风力发电机尤其适用。针对较低风速，如何获得较大的λ数值（λ数值为风轮转速叶尖或叶边处的线速度与风速的比值），完善风叶设计是一个技术途径，但不应该是唯一的技术途径。
本发明目的是，给出一种采用两个独立逆向旋转叶轮来获得风机综合具有叠加效果的λ数值，并且双叶轮配合双转子发电机，提高了发电机两转子之间的线速度，从而使得较低风速风能也能被充分利用于发电。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是，一种双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其构成包括有风机基座、叶轮、发电机、控制装置，其特征在于：所述叶轮为两个，两个叶轮上下同轴线设置，所述发电机设置于上方叶轮与下方叶轮之间，所述发电机由内轴转子和外壳转子构成，内轴转子和外壳转子之间设置有加固轴承，上方叶轮转动轴与内轴转子固定连接，下方叶轮转动轴与外壳转子固定连接，上方叶轮与下方叶轮的旋转方向不同，内轴转子或外壳转子的感应线圈或励磁线圈通过电滑环装置与固定于风机基座的接线端子呈电连接。
在上述技术方案中，所述电滑环装置由圆筒状旋转件、导电环、导电刷、压簧及导线构成，圆筒状旋转件与下方叶轮转动轴同轴线固定连接，若干导电环沿绝缘材质圆筒旋转件的轴向分层排布，各导电环分别通过导线与发电机内轴转子或外壳转子中的感应线圈或励磁线圈呈电连接，压簧压迫导电刷，使每个导电刷的一端分别与各个导电环呈滑动接触式电连接，每个导电刷的另一端经导线与接线端子呈电连接。
在上述技术方案中，所述上方叶轮为升力型叶轮、或为阻力型叶轮、或为升阻互补型叶轮，所述下方叶轮为升力型叶轮、或为阻力型叶轮、或为升阻互补型叶轮；
在上述技术方案中，所述外壳转子设置有感应线圈、内轴转子设置有永磁体；或者所述外壳转子设置有永磁体、内轴转子设置有感应线圈；或者所述外壳转子设置有铁芯和励磁线圈、内轴转子设置有感应线圈；或者所述内轴转子设置有感应线圈、外壳转子设置有铁芯和励磁线圈，或者所述外壳转子设置有多凸极铁芯及感应线圈、内轴转子为多凸极导磁体。
在上述技术方案中，所述上方叶轮和下方叶轮均为升阻互补型叶轮，所述发电机设置于上方叶轮与下方叶轮中间，上方叶轮转动轴下端通过法兰盘与发电机内轴转子固定连接，下方叶轮转动轴的上端通过法兰盘与发电机外壳转子固定连接，下方叶轮转动轴下部***至风机基座的套筒里，下方叶轮转动轴与风机基座之间设置一对锥形轴承，下方叶轮转动轴的最下端采用螺母锁紧，使得下方叶轮转动轴的下部能在风机基座的套筒内自由旋转，所述电滑环装置的圆筒状旋转件通过螺旋方式或通过联轴器与下方叶轮转动轴的下端部固定连接，所述发电机内轴转子嵌装有永磁体，发电机外壳转子嵌装有铁芯和感应线圈，外壳转子感应线圈经穿过下方叶轮转轴中心通孔的导线与电滑环装置的导电环呈电连接，导电刷则经导线与固定于风机基座接线端子呈电连接。在本技术方案中，所述升阻互补型叶轮由转动轴、固定支架、升力型叶片和螺旋式阻力型叶片构成，固定支架内端与转动轴固定，固定支架外端则固定升力型叶片，螺旋式阻力型叶片围绕转动轴固定。
在上述技术方案中，构成中还包括有储电装置，所述上方叶轮为升力型叶轮，所述下方叶轮为阻力型叶轮，上方叶轮转动轴下端通过法兰盘与发电机内轴转子固定连接，下方叶轮转动轴的上端通过法兰盘与发电机外壳转子固定连接，下方叶轮转动轴下部***至风机基座的套筒里，下方叶轮转动轴与风机基座之间设置一对锥形轴承，下方叶轮转动轴的最下端采用螺母锁紧，使得下方叶轮转动轴的下部能在风机基座的套筒内自由旋转，所述电滑环装置的圆筒状旋转件通过螺旋方式或通过联轴器与下方叶轮转动轴固定连接，所述发电机内轴转子的励磁线圈经电滑环装置与固定于外壳转子上的接线端子呈电连接，发电机外壳转子的感应线圈经与固定于外壳转子上的接线端子呈电连接，若干导线的一端连接外壳转子上的接线端子，导线的另端穿过下方叶轮转轴中心通孔与电滑环装置的若干导电环呈电连接，若干导电刷则经导线与固定于风机基座接线端子呈电连接，所述储电装置为内轴转子的励磁线圈提供电能。在本技术方案中，所述储电装置为蓄电池，该蓄电池将激励电流经电滑环装置输送到内轴转子的激励线圈中。
在上述技术方案中，所述储电装置包括蓄电池和智能控制装置，该智能控制装置接收传感器产生的电信号，进而适时地调节和控制蓄电池输出电流的大小和方向。
本发明的优点是，
1.本发明将上方叶轮和下方叶轮设置成逆向旋转，既可以提高该风机的综合λ数值，上、下叶轮采用升力型叶轮、阻力型叶轮、升阻互补型叶轮的各种两两组合形式，能充分发挥各种叶轮的风力特性，采长补短，既可兼顾低风速风场条件下的发电效率提升，又能有效避免风机遇高风速而失速易损情况；
2.本发明将上方叶轮和下方叶轮同轴线设置，简化了风机结构，双转子发电机既实现发电功能，同时，该双转子发电机相对于上方叶轮而言，还起到了保证上方叶轮稳定旋转的基座定位作用；
3.本发明给出的双转子发电机分别固定于风机的上方叶轮和下方叶轮，风机综合λ数值转变成发电机内外转子之间的较大的线速度，进而提高了发电效率；
4.本发明给出的电滑环装置，其结构适合风机和发电机的结构特点，简单、组装方便，有效地解决了本发明风机双转子发电机感应电流输出和励磁电流输入的技术问题。
5.扩容的该电滑环装置结构该线速度分别的上下叶轮采用升阻互补型叶轮，既兼顾了风轮低风速启动旋转的要求，又考虑了较高风速升力型叶片的λ数值较大的特点。这样，在低风速区域，风机能有较高的发电效率。
6.本发明双转子发电机还考虑采用励磁发电方式，通过储电装置向励磁线圈供电，并通过控制和调节储电装置励磁电流的大小和方向，既可以使发电机有稳定的电能输出，还可以对上下叶轮的旋转产生积极的影响。
附图说明
图1是本发明实施例一的外形结构示意图。
图2是图1的A方向结构示意图。
图3是图1的B-B方向结构示意图。
图4是本发明实施例一中，电滑环装置的安装结构示意图。
图5是本发明实施例一中，双转子发电机的结构剖视图。
图6是本发明实施例二的外形结构示意图。
图7是图6的C-C方向及E方向结构示意图。
图8是本发明实施例二中，电滑环装置结构示意图。
以上附图中，1是上方升阻互补型叶轮的升力型叶片，2是上方升阻互补型叶轮的径向固定支架，3是上方升阻互补型叶轮的转动轴，4是上方升阻互补型叶轮的螺旋式阻力型叶片，5是上方升阻互补型叶轮转动轴法兰盘，6是连接发电机内轴转子的法兰盘，7是双转子发电机，8是下方升阻互补型叶轮转动轴法兰盘，9是下方升阻互补型叶片的固定支架，10是下方升阻互补型叶轮的升力型叶片，11是下方升阻互补型叶轮的螺旋式阻力型叶片，12是风机基座，13是上轴承，14是下方升阻互补型叶轮转动轴的向下延长段，15是下轴承，16是锁紧螺母，17是圆筒状旋转件，18是导电滑环，19是导线，20是导电刷，21是压簧，22是接线端子，23是接线端固定支架，24是上加固轴承，25是内轴转子转动轴，26是永磁体，27是外壳转子的壳体，28是外壳转子的感应线圈，29是接线端子，30是下加固轴承，31是螺钉孔，41是上方升阻互补型叶轮的升力型叶片，42是上方升阻互补型叶轮的径向固定支架，43是上方升阻互补型叶轮的转动轴，44是上方升阻互补型叶轮的螺旋式阻力型叶片，45是上方升阻互补型叶轮转动轴法兰盘，46是连接发电机内轴转子的法兰盘，47是双转子发电机，48是下方阻力型叶轮转动轴法兰盘，49是下方阻力型叶片的固定支架，50是下方阻力型叶轮的阻力型叶片，51是上轴承，52是风机基座，53是下方阻力型叶轮转动轴的向下延长段，61是圆筒状旋转件，62是螺纹接口，63是法兰接口，64是接线端固定支架，65接线端子，66是压簧，67是电刷，68是电滑环。
具体实施方式
实施例一，本实施例由上下两个升阻互补型叶轮和一个双转子发电机构成，其外形结构如附图1所示。其中，双转子发电机的外壳转子由外壳体27和感应线圈28构成，内轴转子由转动内轴25和永磁体26构成，其结构如附图5所示。
本实施例中，上方叶轮的三个升力型叶片1通过径向固定支架2与上方叶轮的转动轴3固定，三个螺旋式阻力型叶片4则固定于转动轴3附近。上方叶轮的转动轴3下端法兰盘5与连接发电机内轴转子的法兰盘6通过螺杆螺帽固定连接，下方叶轮转动轴上端法兰盘8通过螺钉与发电机外壳体27固定连接。该双转子发电机的外壳体27与转动轴25之间设置有上加固轴承24和下加固轴承30，这样，相对于上方叶轮而言，双转子发电机的外壳体27还起到了保证上方叶轮定位旋转的基座作用。下方叶轮转动轴的向下延长段14***到风机基座12的套筒中，通过上轴承13、下轴承15以及锁紧螺母16，使下方叶轮转动轴的向下延长段14在风机基座12的套筒中能自由旋转。
本实施例中的电滑环装置如附图4所示，圆筒状旋转件17的上端通过螺纹结构与下方叶轮转动轴的向下延长段14的下端部固定连接，圆筒状旋转件17与下方叶轮转动轴同步旋转。在圆筒状旋转件17的轴向设置有三圈导电滑环18，三个导电滑环18分别通过导线19和接线端子29与外壳转子中感应线圈的三条电能输出线电连接，三个导电刷20在压簧21弹力作用下，始终与导电滑环18呈电接触连接，导电刷20经导线与固定于风机基座12的接线端固定支架23上的接线端子22呈电连接。
从风机顶部向下看去（A向），参见附图2，上方叶轮遇风的旋转方向为顺时针，而下方叶轮遇风时的旋转方向则为逆时针，参见附图3。
众所周知，传统发电机，定子固定不动，外力只驱动转子旋转。当外力驱动转子旋转过程中，不断地切割磁力线，从而会在发电机感应线圈中形成感应电流而发出电。外力力矩越大，转子转速越高，所产生的感应电流就越大。
本实施例中，上下叶轮独自逆向旋转，上下叶轮旋转力矩分别作用于双转子发电机的外壳转子和内轴转子，使得外壳转子与内轴转子之间的相对角速度加大，感应线圈切割磁力线的条数增多，从而能产生出更多的感应电流。
实施例二，本实施例由一个升阻互补型叶轮、一个阻力型叶轮和一个双转子励磁发电机构成，其外形结构如附图6所示。
本实施例中，上方升阻互补型叶轮转动轴通过法兰盘45与双转子励磁发电机的内轴转子转动轴上端的法兰盘46固定连接，下方阻力型叶轮转动轴上端法兰盘48通过螺钉与该双转子励磁发电机外壳转子的外壳体固定连接。
本实施例中，双转子励磁发电机的外壳转子设置有感应线圈，而内轴转子则设置有铁芯和励磁线圈。蓄电池提供的励磁电流先通过设置在下方阻力叶轮转动轴下端的电滑环装置传输到外壳转子的壳体接线端子处，再通过电滑环装置将励磁电流输送给内轴转子的励磁线圈中。这样，在内轴转子附近形成磁场，当外壳转子和内轴转子逆向旋转时，即在外壳转子的感应线圈中即产生感应电流，感应电流经外壳体接线端子和导线以及设置在下方阻力叶轮转动轴下端的电滑环装置，输出到固定于风机基座的接线固定支架接线端子处。附图8给出了本实施例电滑环装置结构示意图。圆筒状旋转件61上端的螺纹接口62与下方叶轮转动轴的最下端螺纹口对接，法兰接口63与风机基座固定连接，接线端固定支架64上可以设置若干个接线端子65，每个接线端子65与电刷67呈电连接，电刷67在压簧66弹力压迫下，始终与圆筒状旋转体61外圈的电滑环68呈电连接。电刷、电滑环及接线端子数量可根据实际需要确定。
本实施例中，将各类传感器采集到的各项参数指标全部输入到智能控制装置中，智能控制装置能按预先设定的程序，处理并分析所接收到的各项参数指标，进而对蓄电池输出的励磁电流的大小或电流方向做出适时调节，从而改变内轴转子附近励磁磁场的强度大小或磁场方向，进而能达到调节或平衡外壳转子感应线圈输出电压的高低和输出电流的大小。
在本实施例中，下方阻力型叶轮虽然λ数值不超过1，但阻力型叶轮具有低风速启转的特性。在风速较低情况下，下方阻力型叶轮首先启动旋转，当风速增加使上方升阻互补型叶轮也启动旋转时，上、下叶轮逆向旋转，既能在双转子发电机中产生较大的感应电流。
本发明虽然只给出上述两个实施例，但本发明技术方案所包括的风机、发电机、电滑环装置的结构形式不受上述两个实施例描述内容的限制。
进一步说，本发明的上方叶轮与下方叶轮还可以有多种两两组合形式，上方叶轮既可以为升力型叶轮、也可以为阻力型叶轮、还可以为升阻互补型叶轮，同样，下方叶轮既可以为升力型叶轮、也可以为阻力型叶轮、还可以为升阻互补型叶轮，上下叶轮均沿同一轴线设置，均分别与双转子发电机的外壳转子和内轴转子固定连接，均通过电滑环装置将设置于外壳转子和内轴转子的感应线圈或励磁线圈与固定于风机基座的接线端子呈电连接，以实现输出感应线圈中的电流，和向励磁线圈输入励磁电流。
进一步说，本发明的双转子发电机结构形式还可以是，外壳转子设置感应线圈、内轴转子设置铁芯及励磁线圈或设置永磁体；内轴转子设置感应线圈、外壳转子设置铁芯及励磁线圈或设置永磁体；外壳转子设置多凸极铁芯及感应线圈，内轴转子设置有多凸极导磁体。
进一步说，本发明的电滑环装置的安装位置和安装结构是多样的，电滑环装置中的圆筒状旋转件既可以与下方叶轮转动轴固定连接且同步旋转，也可以与上方叶轮转动轴固定连接且同步旋转。
Claims (9)
1.一种双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其构成包括有风机基座、叶轮、发电机、控制装置，其特征在于：所述叶轮为两个，两个叶轮上下同轴线设置，所述发电机设置于上方叶轮与下方叶轮之间，所述发电机由内轴转子和外壳转子构成，内轴转子和外壳转子之间设置有加固轴承，上方叶轮转动轴与内轴转子固定连接，下方叶轮转动轴与外壳转子固定连接，上方叶轮与下方叶轮的旋转方向不同，内轴转子或外壳转子的感应线圈或励磁线圈通过电滑环装置与固定于风机基座的接线端子呈电连接。
2.根据权利要求1所述的双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述电滑环装置由圆筒状旋转件、导电环、导电刷、压簧及导线构成，圆筒状旋转件与下方叶轮转动轴同轴线固定连接，若干导电环沿绝缘材质圆筒旋转件的轴向分层排布，各导电环分别通过导线与发电机内轴转子或外壳转子中的感应线圈或励磁线圈呈电连接，压簧压迫导电刷，使每个导电刷的一端分别与各个导电环呈滑动接触式电连接，每个导电刷的另一端经导线与接线端子呈电连接。
3.根据权利要求1所述的双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述上方叶轮为升力型叶轮、或为阻力型叶轮、或为升阻互补型叶轮，所述下方叶轮为升力型叶轮、或为阻力型叶轮、或为升阻互补型叶轮。
4.根据权利要求1所述的双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述外壳转子设置有感应线圈、内轴转子设置有永磁体；或者所述外壳转子设置有永磁体、内轴转子设置有感应线圈；或者所述外壳转子设置有铁芯和励磁线圈、内轴转子设置有感应线圈；或者所述内轴转子设置有感应线圈、外壳转子设置有铁芯和励磁线圈，或者所述外壳转子设置有多凸极铁芯及感应线圈、内轴转子为多凸极导磁体。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述上方叶轮和下方叶轮均为升阻互补型叶轮，所述发电机设置于上方叶轮与下方叶轮中间，上方叶轮转动轴下端通过法兰盘与发电机内轴转子固定连接，下方叶轮转动轴的上端通过法兰盘与发电机外壳转子固定连接，下方叶轮转动轴下部***至风机基座的套筒里，下方叶轮转动轴与风机基座之间设置一对锥形轴承，下方叶轮转动轴的最下端采用螺母锁紧，使得下方叶轮转动轴的下部能在风机基座的套筒内自由旋转，所述电滑环装置的圆筒状旋转件通过螺旋方式或通过联轴器与下方叶轮转动轴的下端部固定连接，所述发电机内轴转子嵌装有永磁体，发电机外壳转子嵌装有铁芯和感应线圈，外壳转子感应线圈经穿过下方叶轮转轴中心通孔的导线与电滑环装置的导电环呈电连接，导电刷则经导线与固定于风机基座接线端子呈电连接。
6.根据权利要求5所述的双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述升阻互补型叶轮由转动轴、固定支架、升力型叶片和螺旋式阻力型叶片构成，固定支架内端与转动轴固定，固定支架外端则固定升力型叶片，螺旋式阻力型叶片围绕转动轴固定。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特征在于：构成中还包括有储电装置，所述上方叶轮为升力型叶轮，所述下方叶轮为阻力型叶轮，上方叶轮转动轴下端通过法兰盘与发电机内轴转子固定连接，下方叶轮转动轴的上端通过法兰盘与发电机外壳转子固定连接，下方叶轮转动轴下部***至风机基座的套筒里，下方叶轮转动轴与风机基座之间设置一对锥形轴承，下方叶轮转动轴的最下端采用螺母锁紧，使得下方叶轮转动轴的下部能在风机基座的套筒内自由旋转，所述电滑环装置的圆筒状旋转件通过螺旋方式或通过联轴器与下方叶轮转动轴固定连接，所述发电机内轴转子的励磁线圈经电滑环装置与固定于外壳转子上的接线端子呈电连接，发电机外壳转子的感应线圈经与固定于外壳转子上的接线端子呈电连接，若干导线的一端连接外壳转子上的接线端子，导线的另端穿过下方叶轮转轴中心通孔与电滑环装置的若干导电环呈电连接，若干导电刷则经导线与固定于风机基座接线端子呈电连接，所述储电装置为内轴转子的励磁线圈提供电能。
8.根据权利要求7所述的双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述储电装置为蓄电池，该蓄电池将激励电流经电滑环装置输送到内轴转子的激励线圈中。
9.根据权利要求8所述的双叶轮逆向旋转且沿同一轴线构建的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述储电装置包括蓄电池和智能控制装置，该智能控制装置接收传感器产生的电信号，进而适时地调节和控制蓄电池输出电流的大小和方向。
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