CN113969869A - 一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置，包括带有主轴的发电机、用于固定发电机的固定架、带动主轴旋转的叶片、以及连接叶片与主轴的支撑架；其特征在于：还包括磁悬浮机构和助力调整机构；所述磁悬浮机构包括与固定架相配合的底座，与主轴固定连接的磁悬浮轴承板，在底座和磁悬浮轴承板相对面上分别设置有产生斥力的磁极；所述助力调整机构包括助力挡板，以及用于驱动所述助力挡板沿主轴周向移动的驱动装置。本发明利用磁悬浮代替原来的止推轴承，解决了止推轴承运行阻力大，轴承易损坏的问题；利用助力挡板，解决了风机失速保护的问题。

Description

一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置。
背景技术
风力发电机是将风能转化为电能的装置，主要由叶片，发电机，机械部件和电气部件组成。根据旋转轴的不同，风力发电机主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类，目前市场上水平轴风力发电机占主流位置。风力发电基于无污染，可再生，资源丰富等优点，成为主要的发电技术之一。风力发电机组在发电的过程中，风吹动风力发电机组的机头上的转子叶片旋转，转子叶片旋转带动发电机进行发电。
21世纪初由中国、日本、欧洲几乎同时发明的一种新型风力发电机，有别于最早的垂直轴风力发电机(达里厄型)，效率高于水平轴风力发电机，无噪音和转向机构，维护简单。已成为欧美市场中小型风力发电机的首选。世界上目前最大功率是由上海模斯电子设备有限公司(MUCE)生产的50千瓦垂直轴风力发电机，日本最大功率30千瓦，英美国家生产的功率在1千瓦到10千瓦之间。最近，国内外多家公司提出了建造超大型垂直轴风力发电机的计划(10MW)，此项计划得到落实后，由于成本远低于目前的风力发电机，必将逐步取代水平轴风力发电机，成为世界新能源的主力军！
然而，在现有的垂直轴风机技术领域中，有两个突出的问题：一是，由于垂直轴风机中，叶片等的重量主要由主轴及主轴上的轴承承担，额定功率在10KW以上的的风机其轴承寿命问题；二是，安全保护问题，现有风机中，主要是采用摩擦式减速装置进行控速，但失速保护问题很难解决。存在有很多不确定因素造成保护失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置，以解决现有技术中止推轴承使用寿命短和风机失速保护失效的问题。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置，包括与发电机相配合的主轴、用于固定发电机的固定架、带动主轴旋转的叶片、以及连接叶片与主轴的支撑架；其特征在于：还包括磁悬浮机构和助力调整机构；
所述磁悬浮机构包括与固定架相配合的底座，与主轴固定连接的磁悬浮轴承板，在底座和磁悬浮轴承板相对面上分别设置有产生斥力的磁极；所述助力调整机构包括助力挡板，以及用于驱动所述助力挡板沿主轴周向移动的驱动装置。
进一步的：所述底座与固定架固定连接，底座位于发电机主体的上方，底座中部设置有与主轴相配合的轴孔。
进一步的：所述底座与固定架活动配合，且可与主轴同心旋转；助力挡板的截面为圆弧形，下部固定在底座上，所述驱动装置包括固定在固定架上的驱动电机，以及设置在底座上的驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
进一步的：所述底座固定在固定架上，在底座上部设置有环形的导轨，所述助力挡板下部设置有与导轨相配合的滑块；所述驱动装置包括固定在底座上的驱动电机，以及设置在助力挡板上的驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
进一步的：所述助力挡板的截面为四分之一圆弧。
进一步的：还包括固定拉臂，所述固定拉臂一端固定在助力挡板的上部，另一端通过轴承与主轴相配合。
进一步的：还包括笼式框架，笼式框架的上、下底面分别与主轴轴接配合，且其下部与底座通过滚轮相配合；助力挡板固定在笼式框架的内侧；所述驱动装置包括固定在底座或固定架上的驱动电机，以及设置在笼式框架上的驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
本发明的优点是：本方案增设了磁悬浮机构，通过磁力承担了大部分主轴上的重力，从而提高了旋转体轴承的使用寿命，同时也提高风机的运行寿命，降低了风机维护成本；利用主动偏航，对垂直轴风机失速起到了很好的保护和调整作用，提高了风机运行的安全可靠性；可根据风速变化情况，主动调解正反向风力大小，可产生正向压力（增压效果），使风机输出功率增加，正常情况下，可提高效率0.5-1倍。
附图说明
图1为本发明的整体结构主视示意图；
图2为本发明的部分结构立体示意图；
图3为本发明的工作原理示意图；
图4为本发明的实施例的结构示意图。
图中序号说明：1、主轴；2、支撑架；3、叶片；4、磁悬浮轴承板； 5、底座；6、助力挡板；7、垂直加强立柱；8、顶部框架板；9、旋转轴承；10、发电机；11、固定架。
具体实施方式
如图1-4所示，为本发明一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置，包括与发电机10相配合的主轴1，通过主轴的转动实现风能转化成电能；还包括固定架11，固定架与发电机主体部分固定连接，与主轴轴承连接，固定架设置在地面或海上等，在主轴上设置有带动主轴旋转的叶片，以及连接叶片3与主轴的支撑架2（或支撑杆、连接臂等）；其中：还包括磁悬浮机构和助力调整机构；
所述磁悬浮机构包括与固定架相配合的底座5，与主轴固定连接的磁悬浮轴承板4，磁悬浮轴承板为与主轴固定的起支撑作用的转板，通常为圆形；在底座和磁悬浮轴承板相对面上分别设置有产生斥力的磁极，如相同磁性的磁极；该机构将主轴及主轴固定物件的重量，通过磁力传递到底座上，进而传递到固定架上，极大的减轻了主轴支撑轴承或发电机主轴轴承的负载，提高了其使用寿命，减少了故障率；同时由于摩擦力减小，还提高了转化效率；
所述助力调整机构包括助力挡板6，助力挡板可阻挡风对叶片的作用力，以及用于驱动所述助力挡板沿主轴周向移动的驱动装置。驱动装置可以是驱动电机以及与其相配合的驱动齿条。具体驱动装置可以采用本实施例所述或根据现有技术设置，以达到驱动其旋转目的。
优选的：所述底座与固定架固定连接，底座位于发电机主体的上方，底座中部设置有与主轴相配合的轴孔。底座不动，主轴转动，磁极均匀分布，对主轴起到承托的作用。
优选的：所述底座与固定架之间采用如轴承连接等活动配合方式，以满足底座可与主轴同心旋转；助力挡板的截面为圆弧形，下部固定在底座上，所述驱动装置包括固定在固定架上的驱动电机，以及设置在底座上的环状驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
优选的：所述底座固定在固定架上，在底座上部设置有环形的导轨，所述助力挡板下部设置有与导轨相配合的滑块，助力挡板通过滑块与导轨的配合，实现围绕主轴旋转或停止；所述驱动装置包括固定在底座上的驱动电机，以及设置在助力挡板上的驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
优选的，所述助力挡板的截面为四分之一圆弧。
优选的，还包括固定拉臂，所述固定拉臂一端固定在助力挡板的上部，另一端通过轴承与主轴相配合。
优选的：还包括笼式框架，笼式框架呈一桶状结构，其上、下底面中心分别与主轴轴接配合，且其下部与固定的底座通过滚轮相配合；助力挡板固定在笼式框架上，通常在其的内侧；所述驱动装置包括固定在底座或固定架上的驱动电机，以及设置在笼式框架上的驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
本发明的工作原理如下：
如图3所示，假定风向为图中所示从下向上吹，若没有助力挡板，叶片难以旋转；在有助力挡板情况下，若当风力较小时，将助力挡板停留在左下位置，即图中目前的位置，此时，整个叶片结构中，只有右侧的叶片受到向上的力，为了说明方便，称其为正力，是我们需要的力，该力带动主轴逆时针旋转，从而实现发电功能；若风力较大时，将助力挡板向右侧移动一定的角度，此时，右侧因受力面积变小，受到的正力减少，而左侧露出一部分，产生了不利于主轴逆时针旋转的反力，从而使主轴旋转速度放慢至我们设定的转数。当风力特别大不能工作时，将助力挡板停止在正下方或正上方等位置，使叶片受到的正力和反力大小相当，在刹车装置等的配合下，实现叶片静止，此时，助力挡板的弧形外表面利于风的分散，可减少对主轴的压力。此外，在工作过程中，当需要停机或刹车时，可以通过助力挡板，减少正力的比例甚至达到0，从而在反力的作用下快速停车。
下面通过具体实施例对本发明具体说明。
实施例1
一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置，包括主轴1、叶片3、支撑架2、磁悬浮机构；所述叶片3通过支撑架2与主轴1固定连接；所述磁悬浮机构位于支撑架2下方；所述磁悬浮机构包括底座5、悬浮在底座上方的磁悬浮轴承板4；所述磁悬浮轴承板4与主轴1轴接固定；所述底座5和磁悬浮轴承板4上分别设置有磁铁组；所述上方磁悬浮轴承板4的磁铁组与下方底座5的磁铁组的磁极互相排斥，实现磁悬浮轴承板4悬浮的目的；所述底座5上还设置有助力挡板6；所述助力挡板6以主轴1为中心，周向移动在所述转动叶片3的***；所述叶片3有3-4组，分别通过支撑架2与主轴1固定连接；所述助力挡板6与底座5连接有垂直加强立柱7，来加强助力挡板6的固定；所述助力挡板6中心部位设有孔位，所述主轴1穿过孔位与发电设备相配合，通过将主轴1转动的动力传递给直驱发电机完成了风力发电机的循环过程；所述助力挡板6的上端高于叶片3的上端，让助力挡板6能完整遮挡住一侧的风力，使叶片3不受这一侧风力的干扰；所述底座5下端设置有空心的矩形齿轮，齿轮的***设置有多个驱动矩形齿轮转动的旋转电机，来实现底座5和助力挡板6以主轴1为中心同时旋转，助力挡板6围绕叶片3***移动。
实施例2
如图4所示，为了在上述实施例的基础上，进一步的固定助力挡板6，提高其抗风压能力，在所述助力挡板6上端增加与主轴1轴接的顶部框架板8，轴接采用旋转轴承9，在主轴旋转的同时，顶部框架板8始终保持固定。
本新型中各部件之间的连接关系，包括螺接、焊接或现有的其他连接关系。
本实施例的工作原理如下：叶片3在风的作用下带动主轴1逆时针转动，转动的主轴1将动力传递给直驱发电机完成了风力发电机的循环过程。用磁悬浮技术产生浮力，这种浮力可以设计计算，承载重量较大，而且是无接触无摩擦，所以大大降低了运行阻力，延长了产品运行寿命，提高了风能利用率（估值能达到60％以上）。
如图3中所示，A为风机俯视图的左下方（第三象限位置）区域，B为风机俯视图的右下方（第四象限位置）区域，F为风向，叶片3在风的作用下带动主轴1逆时针转动。助力挡板6在风向面的A,B两个区域移动产生两种不同的作用。当助力挡板6在A区域时，阻断风的反向作用力，相对提高了风机正向作用力，也就是增加了转动动力，这样可以提高风机的工作效率（约0.5~1倍）；当助力挡板6在B区域时，可以使风机正向作用力降低，这样在超过极限风速时，可起到失速保护的作用，提高风机的安全性能。
综上所述，本发明所述方案在现有的发电装置中，增设了磁悬浮机构，通过磁力承担了大部分主轴上的重力，从而提高了旋转体轴承的使用寿命，同时也提高风机的运行寿命，降低了风机维护成本；利用主动偏航，对垂直轴风机失速起到了很好的保护和调整作用，提高了风机运行的安全可靠性；同时 ，可根据风速变化情况，主动调解正反向风力大小，可产生正向压力（增压效果），使风机输出功率增加，正常情况下，可提高效率0.5-1倍。

Claims (7)

1.一种垂直轴磁悬浮偏航式风力发电装置，包括与发电机相配合的主轴、用于固定发电机的固定架、带动主轴旋转的叶片、以及连接叶片与主轴的支撑架；其特征在于：还包括磁悬浮机构和助力调整机构；
所述磁悬浮机构包括与固定架相配合的底座，与主轴固定连接的磁悬浮轴承板，在底座和磁悬浮轴承板相对面上分别设置有产生斥力的磁极；
所述助力调整机构包括助力挡板，以及用于驱动所述助力挡板沿主轴周向移动的驱动装置。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于：所述底座与固定架固定连接，底座位于发电机主体的上方，底座中部设置有与主轴相配合的轴孔。
3.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于：所述底座与固定架活动配合，且可与主轴同心旋转；助力挡板的截面为圆弧形，下部固定在底座上，所述驱动装置包括固定在固定架上的驱动电机，以及设置在底座上的驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
4.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于：所述底座固定在固定架上，在底座上部设置有环形的导轨，所述助力挡板下部设置有与导轨相配合的滑块；所述驱动装置包括固定在底座上的驱动电机，以及设置在助力挡板上的驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
5.根据权利要求1-4任一所述的风力发电装置，其特征在于：所述助力挡板的截面为四分之一圆弧。
6.根据权利要求1-4任一所述的风力发电装置，其特征在于：还包括固定拉臂，所述固定拉臂一端固定在助力挡板的上部，另一端通过轴承与主轴相配合。
7.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于：还包括笼式框架，笼式框架的上、下底面分别与主轴轴接配合，且其下部与底座通过滚轮相配合；助力挡板固定在笼式框架的内侧；所述驱动装置包括固定在底座或固定架上的驱动电机，以及设置在笼式框架上的驱动齿条，驱动电机的驱动轴上设置有与驱动齿条相配合的驱动齿轮。
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