專利名稱：盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于同步發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是提出一種帶有準磁懸浮功能的永磁盤式(軸向磁場)發(fā)電機結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在風力發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩夭豢缮俚臋C電能量轉(zhuǎn)換裝置。為了從風中得到更多的能量，在風輪機確定的前提下，如何減小軸承摩 擦力，成為改善風機性能的關(guān)鍵。希望發(fā)電機具有更低的機械噪聲、更高的機電效率、更小的機械阻力，更長的運行壽命，以及最小的起動阻力矩，而磁懸浮結(jié)構(gòu)成為首選的解決方案。帶磁懸浮功能的風力發(fā)電機可以同時得到上述諸多優(yōu)點。但是，增加通常的全磁懸浮裝置后，整個風機的成本上升很多，致使整機性價比下降，反而會增加發(fā)電成本，不利于風力發(fā)電機的推廣應用，為此必須開發(fā)高性價比、低成本的新型結(jié)構(gòu)的磁懸浮功能的盤式風力發(fā)電機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過采用價格低廉的吸力型磁懸浮結(jié)構(gòu)，可以在減小軸承摩擦力的同時，有效降低磁懸浮風力發(fā)電機的整機成本，從而使磁懸浮風力發(fā)電機有一個較高的性價比，可以在低成本的前提下降低發(fā)電成本。盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組是這樣構(gòu)思設(shè)計的，利用現(xiàn)有發(fā)電機轉(zhuǎn)子永磁體與定子磁軛間產(chǎn)生的向上磁吸力，形成準磁懸浮力，將發(fā)電機整個轉(zhuǎn)子和風輪(透平)機的重力，通過磁吸力直接轉(zhuǎn)移到定子上，而不再通過軸承轉(zhuǎn)移到機座上，從而降低了軸承上的軸向壓力，減少軸承機械磨損和噪音，在不增加成本的前提下達到最佳的技術(shù)效果。本發(fā)明裝置是這樣實現(xiàn)的，一種盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，發(fā)電機組主體結(jié)構(gòu)由定子軸(3)、永磁體(I)、轉(zhuǎn)子磁軛(2)、定子繞組(4)、端蓋和軸承(6)、風輪透平機(7)組成，風輪透平機(7)安裝在上端蓋或與上端蓋相連接的平臺上，其特征為，在定子繞組(4)的上方還有一個定子磁軛(5)，永磁體(I)與定子磁軛(5) 二者之間產(chǎn)生的磁性吸力，使轉(zhuǎn)子和風輪透平機總成的重力，由原來應該作用在軸承上的軸向壓力，通過定子磁軛(5)轉(zhuǎn)移到機座上，對軸承而言，相當于提供了一個向上的、抵消重力的磁懸浮力；發(fā)電機自上而下的結(jié)構(gòu)順序為風輪透平機、上端蓋、定子磁軛、定子繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子磁軛和下端蓋；定子磁軛(5)、定子繞組(4)與定子軸(3)相固定；轉(zhuǎn)子磁軛(2)與永磁體(I)和上下端蓋相固定；下端蓋與上端蓋構(gòu)成發(fā)電機外殼。由于在傳統(tǒng)的垂直軸風力發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子體和風輪透平機總有一個向下的重力，該重力形成的軸向壓力作用在軸承上。當風輪機轉(zhuǎn)動時，該壓力將增加軸承的磨損，而磁懸浮力可以轉(zhuǎn)移或平衡轉(zhuǎn)子體和風輪(透平)機的重力，降低軸向推力軸承的壓力，從而可以降低軸承噪音和軸承磨損，降低維護成本，也有利于減少機組的起動阻力矩、轉(zhuǎn)動摩擦力損耗，且提高發(fā)電機效率，同時也增加了發(fā)電機的可靠性和壽命。相比較而言，斥力型磁懸浮垂直軸風力發(fā)電機需要增加至少一對二片永磁體來產(chǎn)生懸浮斥力，而與之相比，本發(fā)明不需要額外增加永磁體，即能產(chǎn)生磁懸浮吸力，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，有利于從風中獲得更多能量，有利于風力發(fā)電機的推廣應用。


圖I為本發(fā)明的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子垂直軸風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖。圖2為發(fā)電機內(nèi)磁場磁力線流向示意圖。圖3為發(fā)電機外殼構(gòu)造圖。
具體實施例方式圖I為本發(fā)明的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子垂直軸風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以清楚 看出本發(fā)明中發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。風輪透平機(7)安裝在上端蓋上，是將風力動能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)動能量的重要部件，圖I中所畫的風輪透平機只是風輪透平機中的一種，即達里厄型風輪機，而風輪透平機也可以有多種其它形式，例如H型、S型、風杯型、弗來納等型，或他們的復合型。風輪透平機安裝的具體位置，可視風輪機的具體形式和結(jié)構(gòu)而定，例如，可以直接安裝在上端蓋或下端蓋，也可以安裝在側(cè)面，圖中則是通過與上端蓋相連接的平臺而間接安裝在上端蓋。發(fā)電機中的永磁體(I)可以采用多種磁體,例如鐵氧永磁體、釤鈷永磁、鋁鎳鈷永磁或稀土永磁等等，稀土永磁中的釹鐵硼永磁具有很高的磁能積，性價比高。我國又是稀土資源大國，資源豐富，釹鐵硼永磁在風力發(fā)電機中獲得廣泛應用，永磁體(I)總是呈偶數(shù)極設(shè)計選用，且以異極性相鄰均勻分布在以軸心為圓心的某一半徑的同心圓周上，磁體形狀根據(jù)定子繞組結(jié)構(gòu)和需要設(shè)計，可以是圓形、矩形或梯形，氣隙磁力線方向沿軸向流動。定子磁軛(5)是一個平板導磁體，用以降低空氣中的磁阻，一般采用導磁系數(shù)較高的鐵質(zhì)、鎳質(zhì)或其它導磁合金材料，由于定子磁軛(5)中的磁力線是交變的，所以應該選擇高電阻率的導磁材料，例如采用硅鋼片或非晶導磁體材料，以減少由磁場交變和渦流所產(chǎn)生的額外功率損耗，防止電機發(fā)熱、提高發(fā)電機的效率。轉(zhuǎn)子磁軛(2)材料可以與定子磁軛(5)相同，也可以用導磁鐵，甚至可以省略并以導磁的下端蓋，例如鐵質(zhì)端蓋代替。圖2為發(fā)電機內(nèi)磁場磁力線流向示意圖，從圖中可以看出，該磁力線一方面在軸向穿越發(fā)電機氣隙，產(chǎn)生氣隙磁通并在定子繞組內(nèi)形成磁鏈，即形成發(fā)電機的主磁通，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，在繞組內(nèi)發(fā)生磁力線切割變化感生電動勢；另一方面，它還通過定子磁軛(5)完成回路，使定子磁軛對整機轉(zhuǎn)動部分產(chǎn)生一個向上的引力，這就是本發(fā)明裝置的準磁懸浮力。定子軸(3)實際上只是定子體的中心軸或固定軸，軸上有法蘭(圖中未畫出)，供機組安裝在塔架上，并不是發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸，發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸即為風輪機軸。定子繞組(4)采用平面繞組的形式，繞組成型后安置在特制的線圈架上，線圈架與定子磁軛(5)固定，或者直接將繞組粘貼在定子磁軛上，繞組的端線從發(fā)電機定子軸的內(nèi)孔中引出。圖3為發(fā)電機外殼構(gòu)造圖。其中，a)圖為對合的盒蓋式構(gòu)造，將二個相同或相近尺寸盒蓋合成一個電機殼體；b)圖為平板式，即上下端蓋都是平板或接近平板狀的圓盤，在二者之間加上一個圓環(huán)，圍成一個三件空間，圖I所示為這一三件結(jié)構(gòu)加上一塊中間板；
c)圖為圓杯式，即由一個圓杯加上一個平板圓蓋圍成電機空間。發(fā)電機外殼可以是但不限于圖中所列形式。在殼體的外部可以增加散熱筋或加強筋，以提高散熱性能或結(jié)構(gòu)強度。通常的垂直軸發(fā)電機中，軸承是保證轉(zhuǎn)子自由旋轉(zhuǎn)所必須配置的動靜連結(jié)構(gòu)件。在垂直軸發(fā)電機中，由于在靜止狀態(tài)時，發(fā)電機中主要的結(jié)構(gòu)受力均在垂直方向，成為軸向推力作用于軸承，軸承不承受水平壓力，只有在水平風吹動發(fā)電時，才有水平方向的推力，所以軸承也僅起限位和約束作用，就是把轉(zhuǎn)子限制在垂直軸線轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的裝置中，依然需要保留軸承的約束和定位作用，但軸向推力被磁懸浮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到定子軸，不再作用于軸承上。只存在風吹動時的推力，明顯改善了軸承受力，由軸承所產(chǎn)生的噪聲、磨損、潤滑、保養(yǎng)、機械阻力引起的效率損失、起動阻力矩、可靠性和工作壽命等等問題都被迎 刃解決。本發(fā)明的另一顯著特點是，并沒有為達到磁懸浮目標而增加額外的永磁體或增加任何附件，這就可能大大降低機組成本，提高性價比，創(chuàng)造產(chǎn)品在市場上的競爭優(yōu)勢。本發(fā)明的發(fā)電機，在設(shè)計時，應該通過計算，使永磁體(I)與定子磁軛(5)之間所產(chǎn)生的磁懸浮力，等于或接近于風輪透平機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子二部分相加的重力之和，此時軸承上所受的軸向力最小，轉(zhuǎn)動時發(fā)生的磨損和噪音也最小。
權(quán)利要求
1.一種盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，發(fā)電機組主體結(jié)構(gòu)由定子軸(3)、永磁體(I)、轉(zhuǎn)子磁軛(2)、定子繞組(4)、端蓋和軸承￠)、風輪透平機(7)組成，風輪透平機(7)安裝在上端蓋或與上端蓋相連接的平臺上，其特征為，在定子繞組(4)的上方還有一個定子磁軛(5)，永磁體(I)與定子磁軛(5) 二者之間產(chǎn)生的磁性吸力，使轉(zhuǎn)子和風輪透平機總成的重力，由原來應該作用在軸承上的軸向壓力，通過定子磁軛(5)轉(zhuǎn)移到機座上，對軸承而言，相當于提供了一個向上的、抵消重力的磁懸浮力；發(fā)電機自上而下的結(jié)構(gòu)順序為風輪透平機、上端蓋、定子磁軛、定子繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子磁軛和下端蓋；定子磁軛(5)、定子繞組(4)與定子軸(3)相固定；轉(zhuǎn)子磁軛(2)與永磁體(I)和上下端蓋相固定；下端蓋與上端蓋構(gòu)成發(fā)電機外殼。
2.權(quán)利要求I所述的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，其特征為，風輪透平機(7)為H型、S型、風杯型、弗來納型等機型中的一種，或者是這些機型的復合型。
3.權(quán)利要求I所述的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，其特征為，發(fā)電機中的永磁體(I)為稀土永磁體、鐵氧永磁體、釤鈷永磁體或鋁鎳鈷永磁體、釹鐵硼稀土永磁體中的一種。
4.權(quán)利要求I所述的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，其特征為，定子磁軛(5)是一個平板導磁體，采用導磁系數(shù)較高的鐵質(zhì)、鎳質(zhì)或其它導磁合金材料，如硅鋼片或非晶導磁體材料。
5.權(quán)利要求I或權(quán)利要求4所述的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，其特征為，轉(zhuǎn)子磁軛(2)的材料可以與定子磁軛(5)相同，也可以不同。
6.權(quán)利要求I所述的盤式磁懸浮內(nèi)轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，其特征為，發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子磁軛(2)省略不用，而以導磁材料，例如導磁鐵材料構(gòu)成的下端蓋所代替。
7.權(quán)利要求I所述的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，其特征為，發(fā)電機中的定子繞組(4)采用平面繞組的形式，繞組成型后安置在特制的線圈架上，線圈架與定子磁軛(5)固定，或者直接將繞組粘貼在定子磁軛上，繞組的端線從發(fā)電機外殼引出。
8.權(quán)利要求I所述的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，其特征為，發(fā)電機中的永磁體(I)與定子磁軛(5)之間所產(chǎn)生的磁懸浮力,在制造裝配前已事先通過設(shè)計計算，等于或接近于風輪透平機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子二部分相加的重力之和，以使軸承上所受的軸向力最小，磁懸浮效果也最好。
9.權(quán)利要求I所述的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，其特征為，發(fā)電機殼體構(gòu)造為下列三種中的一種，a)對合式，將二個相同或相近尺寸盒蓋合成一個電機殼體；b)平板式，即上下端蓋都是平板或接近平板狀的圓盤，在二者之間加上一個圓環(huán)，圍成一個三件空間；c)圓杯式，即由一個圓杯加上一個平板圓蓋圍成電機空間。發(fā)電機外殼可以是但不限于上述所列形式。在殼體的外部可以增加散熱筋或加強筋，以提高散熱性能或結(jié)構(gòu)強度。
全文摘要
本發(fā)明揭示的盤式磁懸浮外轉(zhuǎn)子型垂直軸風力發(fā)電機組，是結(jié)合日本無芯盤式發(fā)電機、國內(nèi)多款垂直軸盤式內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機和斥力型磁懸浮垂直軸盤式發(fā)電機多種機型的特點，在此基礎(chǔ)上的集成創(chuàng)新，創(chuàng)新點在于吸力型磁懸浮垂直軸風力發(fā)電機組，吸力型機型比斥力型機型材料省、成本低，且本發(fā)明的機組無須額外電源和控制器，即能實現(xiàn)自適應平衡，使機組具有較高的性價比和市場前景。
文檔編號F03D9/00GK102904491SQ201110212788
公開日2013年1月30日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者於岳亮 申請人:上海穩(wěn)得新能源科技有限公司