本實(shí)用新型涉及一種尾翼調(diào)整型磁懸浮風(fēng)力偏航裝置，尤其是一種應(yīng)用于大中型風(fēng)電設(shè)備偏航對(duì)風(fēng)的裝置，采用磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)艙懸浮、通過尾翼靈活調(diào)整改變偏航力矩，有效提高了偏航對(duì)風(fēng)精確性，降低了偏航損耗。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、發(fā)展前景廣闊的可再生能源，一直是世界各國(guó)的能源發(fā)展戰(zhàn)略。提升風(fēng)能捕獲是風(fēng)電領(lǐng)域科研工作者的研究熱點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中偏航系統(tǒng)是基于風(fēng)向變化實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)機(jī)艙偏航對(duì)風(fēng)的重要環(huán)節(jié)，是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必不可少的組成部分，可有效提升風(fēng)電機(jī)組可靠性、使用壽命和發(fā)電效率。但傳統(tǒng)中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于發(fā)電機(jī)內(nèi)置于機(jī)艙內(nèi)部，機(jī)艙重量偏大，采用偏航電機(jī)實(shí)現(xiàn)偏航對(duì)風(fēng)，偏航功耗大，且諸多偏航齒輪導(dǎo)致齒間隙較大，嚴(yán)重影響偏航對(duì)風(fēng)精度；發(fā)明專利200910161406.7披露一種磁懸浮偏航裝置，該裝置采用單點(diǎn)懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)降低了偏航損耗以及偏航故障，但存在著機(jī)艙懸浮后的傾覆力矩?zé)o法有效平抑問題，極易導(dǎo)致機(jī)艙側(cè)翻，甚至系統(tǒng)崩潰，該專利中雖增加了滾珠等機(jī)械約束限定側(cè)翻，但增加了摩擦損耗，同時(shí)也帶來了運(yùn)行安全隱患；小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍采用尾翼在風(fēng)力作用下被動(dòng)偏航，嚴(yán)格無偏航損耗，但偏航過程受風(fēng)速波動(dòng)影響大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)捕獲功率穩(wěn)定性以及對(duì)風(fēng)精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的技術(shù)任務(wù)是針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足，提供一種尾翼調(diào)整型磁懸浮風(fēng)力偏航裝置。

本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：本實(shí)用新型公開了一種尾翼調(diào)整型磁懸浮風(fēng)力偏航裝置，采用機(jī)艙兩點(diǎn)懸浮、尾翼力臂伸縮以及迎風(fēng)角度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)機(jī)艙無摩擦偏航對(duì)風(fēng)。機(jī)艙懸浮由懸浮繞組、懸浮永磁體和水平永磁體組成，兩變流器獨(dú)立控制懸浮繞組與懸浮永磁體和水平永磁體協(xié)同實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸??；所述尾翼力臂伸縮由電磁聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)、調(diào)向耦合器、組合換向齒輪、力臂傳動(dòng)軸以及力臂傳動(dòng)齒輪組成，協(xié)同實(shí)現(xiàn)尾翼聯(lián)軸拉伸與收縮；所述尾翼迎風(fēng)角度調(diào)整由機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置、步進(jìn)電機(jī)和尾翼構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)尾翼角度調(diào)整。

所述懸浮繞組包括翼側(cè)懸浮繞組和葉側(cè)懸浮繞組，設(shè)置在機(jī)艙底部，分別由8個(gè)繞組串聯(lián)而成，由翼側(cè)H橋變流器和葉側(cè)H橋變流器根據(jù)傾覆力以及下壓力變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行懸浮電流調(diào)控，實(shí)現(xiàn)傾覆力抑制；所述懸浮永磁體共8對(duì)，包括翼側(cè)懸浮永磁體和葉側(cè)懸浮永磁體，內(nèi)置于U形塔架底部，懸浮永磁體與懸浮繞組相斥產(chǎn)生懸浮升力，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙懸??；所述水平永磁體對(duì)稱安裝在U形塔架周圍，與懸浮繞組極性相同，通過與懸浮繞組間斥力作用，抑制機(jī)艙水平推力；所述塔架為U型結(jié)構(gòu)，用于機(jī)艙懸浮時(shí)側(cè)翻保護(hù)以及正面迎風(fēng)時(shí)的機(jī)艙支撐，機(jī)艙懸浮為無電機(jī)偏航提供基礎(chǔ)。

所述電磁聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)是力臂方向調(diào)整的控制機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)換向桿驅(qū)動(dòng)調(diào)向耦合器與組合換向齒輪耦合，通過力臂傳動(dòng)軸和力臂傳動(dòng)齒輪，驅(qū)動(dòng)尾翼聯(lián)軸執(zhí)行力臂伸縮，包括拉伸和收縮兩繼電器、調(diào)向磁鐵、彈簧和換向桿；所述調(diào)向磁鐵固定于彈簧頂部，通過繼電器吸合改變調(diào)向磁鐵運(yùn)動(dòng)方向，帶動(dòng)換向桿和調(diào)向耦合器左右滑動(dòng)；所述調(diào)向耦合器由耦合內(nèi)齒、耦合外齒、耦合外環(huán)、滾珠和耦合內(nèi)環(huán)組成，耦合內(nèi)齒成凸型結(jié)構(gòu)與力臂傳動(dòng)軸機(jī)械聯(lián)接，耦合外齒與組合換向齒輪機(jī)械耦合，耦合外環(huán)經(jīng)滾珠、內(nèi)外環(huán)卡槽與內(nèi)環(huán)相連，保證調(diào)向耦合器內(nèi)環(huán)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)以及內(nèi)外環(huán)協(xié)同滑動(dòng)；所述組合換向齒輪包括同向齒輪和換向齒輪，與發(fā)電機(jī)輸出軸剛性連接，完成力臂傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向調(diào)整。

所述尾翼迎風(fēng)角度調(diào)整其特征機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置包括角度傳動(dòng)軸、角度傳動(dòng)齒輪、角調(diào)齒輪以及角調(diào)制動(dòng)器，所述角度傳動(dòng)軸在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)角度傳動(dòng)齒輪以及角調(diào)齒輪旋轉(zhuǎn)；所述角調(diào)制動(dòng)器為角度傳動(dòng)軸制動(dòng)裝置，用于尾翼聯(lián)軸調(diào)整時(shí)角調(diào)齒輪固定，輔助驅(qū)動(dòng)尾翼聯(lián)軸的力臂伸縮。

本實(shí)用新型所帶來的有益效果是：

1)本實(shí)用新型借助尾翼調(diào)整型磁懸浮風(fēng)力偏航裝置，改變了大中型風(fēng)機(jī)只能依靠偏航電機(jī)和機(jī)械耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行偏航對(duì)風(fēng)的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了大中型風(fēng)機(jī)無偏航電機(jī)被動(dòng)偏航的要求，減小了偏航損耗，提高了對(duì)風(fēng)精度。

2)本實(shí)用新型借助機(jī)艙懸浮，根據(jù)外界風(fēng)速風(fēng)向變化，實(shí)時(shí)調(diào)整變流器電流，改變兩側(cè)懸浮斥力，完成了傾覆力和下壓力抑制，同時(shí)水平永磁體，有效抵消懸浮水平推力，保證機(jī)艙多維度穩(wěn)定懸浮，為無偏航電機(jī)運(yùn)行提供條件。

3)本實(shí)用新型借助尾翼力臂伸縮和尾翼迎風(fēng)角度調(diào)整，既實(shí)現(xiàn)偏航力矩粗調(diào)又完成偏航力矩精細(xì)調(diào)整，嚴(yán)格限制偏航轉(zhuǎn)速，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性以及對(duì)風(fēng)精度。

附圖說明

圖1尾翼調(diào)整型磁懸浮風(fēng)力偏航裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2懸浮繞組分割示意圖。

圖3設(shè)備裝配示意圖。

圖4調(diào)向耦合器結(jié)構(gòu)圖。

圖5角調(diào)齒輪結(jié)構(gòu)圖。

圖6控制流程圖。

圖7力臂計(jì)算示意圖。

圖中1.風(fēng)力槳葉，2.發(fā)電機(jī)軸，3.機(jī)艙，4.發(fā)電機(jī)，5.發(fā)電機(jī)輸出軸，6.尾翼力臂伸縮，7.力臂傳動(dòng)齒輪，8.尾翼，9.尾翼聯(lián)軸，10.迎風(fēng)角度調(diào)整，11.翼側(cè)懸浮繞組，12.翼側(cè)水平永磁體，13.翼側(cè)懸浮永磁體，14.U型塔架，15.葉側(cè)懸浮永磁體，16.葉側(cè)水平永磁體，17.葉側(cè)懸浮繞組，18.風(fēng)機(jī)軸支撐，19.輸出軸支撐，20.拉伸繼電器，21.調(diào)向磁鐵，22.收縮繼電器，23.換向齒輪，24.換向桿，25.調(diào)向耦合器，26.同向齒輪，27.力臂傳動(dòng)軸，28.角調(diào)齒輪L，29.角調(diào)齒輪R，30.角度傳動(dòng)齒輪R，31.角度傳動(dòng)軸，32.角調(diào)制動(dòng)器，33.角度傳動(dòng)齒輪L，34.步進(jìn)電機(jī)，35.軸支撐架，36.彈簧，37.齒輪，38.凹形槽，39.葉側(cè)變流器，40.翼側(cè)變流器，41.驅(qū)動(dòng)模塊，42.DSP控制器，43.耦合外環(huán)，44.滾珠，45.耦合內(nèi)環(huán)，46.耦合內(nèi)齒，47.耦合外齒，48.內(nèi)外環(huán)卡槽，49.執(zhí)行軸截面。

具體實(shí)施方式

變量說明：

α₀：風(fēng)機(jī)槳葉偏航角；

ω_opt：機(jī)艙偏航限制速度；

θ_ref：尾翼偏轉(zhuǎn)角度；

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

本實(shí)用新型所公布的尾翼調(diào)整型磁懸浮風(fēng)力偏航裝置，包括風(fēng)力槳葉1、機(jī)艙懸浮(11、12、13、15、16、17)、尾翼力臂伸縮6、尾翼迎風(fēng)角度調(diào)整10、發(fā)電機(jī)4以及塔架14；機(jī)艙3懸浮由懸浮繞組(11、17)、懸浮永磁體(13、15)和水平永磁體(12、16)組成；尾翼力臂伸縮6由電磁聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)(20、21、22、24、36)、調(diào)向耦合器25、組合換向齒輪(23、26)、力臂傳動(dòng)軸27以及力臂傳動(dòng)齒輪7構(gòu)成；尾翼迎風(fēng)角度調(diào)整10由機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置(30、31、32、33)、步進(jìn)電機(jī)34和尾翼8組成。

本實(shí)用新型公布的尾翼調(diào)整型磁懸浮風(fēng)力偏航裝置精確對(duì)風(fēng)控制流程圖如圖5所示，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化α₀≠0時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)偏航啟動(dòng)，運(yùn)行過程依次為機(jī)艙懸浮、尾翼力臂伸縮和尾翼迎風(fēng)角度調(diào)整；機(jī)艙懸浮(11、12、13、15、16、17)：機(jī)艙3懸浮啟動(dòng)，為被動(dòng)偏航提供基礎(chǔ)；尾翼力臂伸縮6：確定力臂伸縮方向和長(zhǎng)度，根據(jù)確定的伸縮方向和長(zhǎng)度進(jìn)行力臂伸縮控制，完成偏航力矩粗調(diào)；尾翼迎風(fēng)角度調(diào)整10：力臂調(diào)整同時(shí)，進(jìn)行尾翼8偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算，根據(jù)確定角度控制步進(jìn)電機(jī)34，精確改變偏航力矩，實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)偏航，完成精確對(duì)風(fēng)。

1)機(jī)艙懸浮(11、12、13、15、16、17)：傳感器檢測(cè)偏航角α₀≠0時(shí)，葉側(cè)變流器39和翼側(cè)變流器40通電啟動(dòng)，確定相同氣隙參考，根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向變化，調(diào)整兩變流器輸入電流，與懸浮永磁體(13、15)協(xié)調(diào)作用，改變兩側(cè)懸浮斥力，抑制傾覆力以及下壓力變化，實(shí)現(xiàn)縱向穩(wěn)定懸浮，并通過水平永磁體(12、16)有效抵消水平推力，為大中型風(fēng)力機(jī)被動(dòng)偏航提供安全保障。

2)尾翼力臂伸縮6：機(jī)艙3懸浮穩(wěn)定后，改變力臂長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)偏航轉(zhuǎn)矩粗調(diào)，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全性以及對(duì)風(fēng)精確性；根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向變化，確定調(diào)整方向，查找風(fēng)速對(duì)應(yīng)力臂長(zhǎng)度，確定力臂大致范圍L，結(jié)合階躍風(fēng)變化，進(jìn)一步確定力臂精確調(diào)整范圍ΔL，根據(jù)兩次力臂計(jì)算，確定最終力臂長(zhǎng)度L′，偏航過程為保證運(yùn)行安全性，對(duì)偏航轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，若偏航速度大于ω_opt，力臂長(zhǎng)度L′減小，減小偏航轉(zhuǎn)速，若偏航轉(zhuǎn)速小于ω_opt，增大力臂L′增加偏航轉(zhuǎn)速；懸浮氣隙穩(wěn)定且力臂伸縮和長(zhǎng)度L′確定后，執(zhí)行尾翼伸縮6操作，采用PI控制，根據(jù)長(zhǎng)度和方向變化，控制拉伸繼電器22或收縮繼電器20通斷，帶動(dòng)換向桿24驅(qū)動(dòng)調(diào)向耦合器25與組合換向齒輪(23、26)耦合，通過力臂傳動(dòng)軸27和力臂傳動(dòng)齒輪7，驅(qū)動(dòng)尾翼聯(lián)軸9伸縮，完成力臂調(diào)整；

3)尾翼迎風(fēng)角度調(diào)整10：為實(shí)現(xiàn)精確對(duì)風(fēng)，進(jìn)行尾翼8偏轉(zhuǎn)角度調(diào)整；首先根據(jù)力臂調(diào)整長(zhǎng)度L′、最佳偏航轉(zhuǎn)速ω_opt以及最短調(diào)整時(shí)間t_min，在安全性前提下，綜合確定尾翼8偏轉(zhuǎn)角度θ_ref，正對(duì)風(fēng)時(shí)，發(fā)電機(jī)4超過最大功率將造成設(shè)備損壞，根據(jù)發(fā)電機(jī)4運(yùn)行狀態(tài)，確定4保護(hù)側(cè)偏角，進(jìn)行尾翼8迎風(fēng)角度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)設(shè)備保護(hù)；機(jī)艙3懸浮穩(wěn)定，完成伸縮操作后，根據(jù)所計(jì)算的偏航角度θ_ref為參考目標(biāo)，控制步進(jìn)電機(jī)34轉(zhuǎn)動(dòng)，通過角度傳動(dòng)軸31以及角度傳動(dòng)齒輪(30、33)帶動(dòng)角調(diào)齒輪(28、29)動(dòng)作，完成角度調(diào)整，改變尾翼8迎風(fēng)面積，精確改變偏航轉(zhuǎn)矩。

偏航對(duì)風(fēng)結(jié)束，兩懸浮繞組(11、17)斷電，機(jī)艙3懸浮下落，完成風(fēng)電系統(tǒng)偏航實(shí)現(xiàn)精確對(duì)風(fēng)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。