一種高性價比磁懸浮水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是提出一種具有磁懸浮特性的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，渦輪發(fā)電機(jī)將風(fēng)中的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)是必不可少的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。為了從風(fēng)中得到更多的能量，在渦輪機(jī)確定的前提下，希望機(jī)電系統(tǒng)有更小的摩擦阻力，更高的機(jī)組效率，更長的運(yùn)行壽命，更低的機(jī)械噪聲，更少的機(jī)械故障。帶磁懸浮軸承的風(fēng)力發(fā)電機(jī)能同時得到上述諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，增加通常的全磁懸浮裝置后，整個風(fēng)機(jī)的成本大幅上升，性價比下降，反而會增加度電成本，不利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的推廣應(yīng)用，為此必須開發(fā)高性價比、低成本的新結(jié)構(gòu)磁懸浮軸承風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以滿足高端風(fēng)電市場的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是通過所發(fā)明的半磁懸浮結(jié)構(gòu)，來扭轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁懸浮化困難的局面。半磁懸浮結(jié)構(gòu)技術(shù)可以在有效消除軸承推力摩擦損耗的同時，大幅降低磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本，從而使磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提高效率多發(fā)電，并獲得上述諸多種優(yōu)點(diǎn)，還具有一個很高的性價比。
[0004]水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要受兩種外力作用一一重力和風(fēng)推力，全磁懸浮結(jié)構(gòu)是無接觸技術(shù)，能消除重力和風(fēng)推力所產(chǎn)生的全部摩擦，但全磁懸結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本相當(dāng)高。本發(fā)明采用的是半磁懸浮結(jié)構(gòu)，只消除風(fēng)推力產(chǎn)生的摩擦，故有半磁懸浮(準(zhǔn)磁懸浮)結(jié)構(gòu)之稱。
[0005]本發(fā)明的裝置是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種磁懸浮水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組主要由渦輪機(jī)(I)、同步發(fā)電機(jī)組成，渦輪機(jī)(I)安裝在轉(zhuǎn)軸最前端，然后是制動器(2)、前軸承(3)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸(4)，最后端是后軸承(5)，發(fā)電機(jī)為永磁轉(zhuǎn)子式，其特征為，轉(zhuǎn)子磁場兼有磁懸浮結(jié)構(gòu)的功能特性，軸承(3和5)為轉(zhuǎn)向和軸向雙自由度軸承。
[0006]水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用通常徑向磁場永磁同步發(fā)電機(jī)。在本發(fā)明的機(jī)組結(jié)構(gòu)或者說發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中，由于軸承(3和5)為轉(zhuǎn)向和軸向雙自由度軸承，不需要也不可能由軸承來承受風(fēng)推力，而是利用磁懸浮原理產(chǎn)生的磁懸浮力，來自動平衡風(fēng)推力，消除了由風(fēng)推力在軸承中產(chǎn)生的摩擦損耗，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁懸浮化，并同時構(gòu)筑了磁懸浮結(jié)構(gòu)所帶來的種種優(yōu)點(diǎn)。同時，由于不再需要額外的磁體結(jié)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)磁懸浮，所以其成本與原有非磁懸浮結(jié)構(gòu)相當(dāng)，造價增加有限，機(jī)組的性價比很高，有利于先進(jìn)風(fēng)電機(jī)組的磁懸浮化。
【附圖說明】
[0007]圖1、本發(fā)明的半磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組縱剖圖
[0008]圖2、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受風(fēng)推力作用軸向移動示意圖
[0009]圖3、發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間磁力線變化圖
[0010]圖4、本發(fā)明可自制的一種特殊二自由度軸承簡圖
[0011]圖5、帶傾角轉(zhuǎn)軸的風(fēng)電機(jī)組外形圖
[0012]圖6、一種導(dǎo)風(fēng)自動偏航的下風(fēng)向型磁懸浮機(jī)機(jī)艙外形圖
[0013]圖7、可增大磁懸浮力的雙定轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
[0014]圖8、永磁型磁懸浮同步/異步二次發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
[0015]圖9、勵磁型磁懸浮同步/異步二次發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用通常的徑向磁場永磁同步發(fā)電機(jī)，利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體與定子磁軛間產(chǎn)生的徑向磁吸力，形成準(zhǔn)磁懸浮力，平衡風(fēng)推力，使風(fēng)推力不再作用在軸承上而直接轉(zhuǎn)移到定子上。采用磁懸浮，風(fēng)推力通過磁耦合直接轉(zhuǎn)移到定子和機(jī)座上，從而消除了應(yīng)用軸承產(chǎn)生的軸向推力來平衡風(fēng)推力，減少軸承機(jī)械磨損和噪音，在不增加或很少增加成本的前提下，利用技術(shù)優(yōu)勢，達(dá)到最佳的磁懸浮技術(shù)效果。
[0017]首先需要說明本發(fā)明產(chǎn)生磁懸浮力的機(jī)理。
[0018]圖1為本發(fā)明的半磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組縱剖圖。圖中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由前軸承(3)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸⑷、后軸承(5)、定子(6)、轉(zhuǎn)子(7)和端蓋⑶組成，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸即為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸或連接到渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸。發(fā)電機(jī)為傳統(tǒng)的永磁體徑向磁場同步發(fā)電機(jī)，定子(6)上有電樞繞組，轉(zhuǎn)子(7)上布置永磁體產(chǎn)生固定的場激勵，軸承(3和5)為轉(zhuǎn)向和軸向雙自由度軸承，該結(jié)構(gòu)看起來與現(xiàn)有傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)極為相似。由圖可以明顯看出，本發(fā)明中的軸承是一種特殊結(jié)構(gòu)的雙自由度軸承，既像傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)那樣允許轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動；又不同于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)發(fā)電機(jī)是不允許轉(zhuǎn)子軸在軸向移動的，而本發(fā)明的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸恰恰允許轉(zhuǎn)子軸作軸向自由移動。通過軸向自由移動，才能得到磁懸浮力，這就是本發(fā)明結(jié)構(gòu)上區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)組的最明顯結(jié)構(gòu)特征。
[0019]圖2為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受風(fēng)推力作用軸向移動示意圖。圖2中，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸是一體結(jié)構(gòu)。假設(shè)風(fēng)推力為F，如圖中左端自左向右的箭頭所示，則由于轉(zhuǎn)子軸可在軸向自由移動，風(fēng)推力將直接作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，軸肯定會向右偏移一段距離，這位移又是怎樣影響轉(zhuǎn)子磁場呢。
[0020]圖3為發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間磁力線變化圖。圖3a)為風(fēng)推力為零時定、轉(zhuǎn)子位置下的磁場圖，此時，由于鐵磁吸力作用，定、轉(zhuǎn)子對齊，磁力線都垂直于轉(zhuǎn)軸軸線，其各向磁合力相等且互相抵消，所以并沒有軸向力。
[0021]圖3b)為風(fēng)推力作用時定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生位移位置下的磁力線圖。此時，由于風(fēng)推力的作用，轉(zhuǎn)子軸向右移動，使定、轉(zhuǎn)子間的磁力線被拉長，磁力線被拉長而不再與軸線垂直，拉長的磁力線雖然沿徑向的各向分力仍可抵消，但它們在軸向會產(chǎn)生一個新的合力P，P的方向如箭頭所指自右向左，這可以看作一種新產(chǎn)生的磁懸浮力，與風(fēng)推力的方向相反，自然會減小風(fēng)推力的影響；且該磁懸浮力本身來源于風(fēng)推力，所以能達(dá)到與風(fēng)推力的自然平衡。合力P也可稱為回復(fù)力，因?yàn)樗偸勤呄蚧貜?fù)到轉(zhuǎn)子未受外力作用時的位置。
[0022]以上作用過程與彈簧的機(jī)理類似，當(dāng)沒有外力作用時，彈簧不產(chǎn)生形變，也就沒有位移；但當(dāng)向其施加外力時，彈簧被壓縮而產(chǎn)生位移，彈簧的位移量與外力成正比，外力越大，位移量也越大。彈簧的形變或稱位移會產(chǎn)生一個彈力，也是一種回復(fù)力。彈力來源于外力，彈力與外力產(chǎn)生平衡時，彈力的大小即等于外力。
[0023]以上為磁懸浮力產(chǎn)生的原理性說明，本發(fā)明的磁懸浮結(jié)構(gòu)原理，已為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)所驗(yàn)證。
[0024]在本發(fā)明中，風(fēng)推力越大，轉(zhuǎn)子的位移越多。這樣，通過轉(zhuǎn)子位移，就產(chǎn)生出一個對抗風(fēng)推力的軸向力，所以風(fēng)推力不可能再作用在軸承中，軸承也不承擔(dān)外力平衡的作用，因此，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時也就沒有了相應(yīng)的摩擦力，自然也不存在風(fēng)推力摩擦損耗。
[0025]沒有了風(fēng)推力摩擦，也就意味著，風(fēng)電機(jī)組的效率會有所提高，同樣的風(fēng)況下，風(fēng)輪機(jī)將獲得更多的風(fēng)能量。
[0026]風(fēng)推力摩擦的消除減少了軸承磨損，軸承保養(yǎng)和修換的成本降低。
[0027]風(fēng)推力摩擦的消除，減少了軸承噪音，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)安靜。
[0028]風(fēng)推力摩擦的消除，提高了機(jī)組的可靠性，減少了機(jī)組故障率，延長了機(jī)組壽命。
[0029]可見，磁懸浮結(jié)構(gòu)對風(fēng)力發(fā)電有著諸多優(yōu)點(diǎn)。
[0030]眾所周知，在傳統(tǒng)磁懸浮概念中，不管是磁懸浮電機(jī)還是磁懸浮高速鐵路，要創(chuàng)造任何一種磁懸浮力，通常都要增加磁體，最簡單的方法是采用斥力型磁懸浮。要產(chǎn)生同性相斥的磁懸浮力，必須要二組磁鐵，所以成本較高，但斥力型磁懸浮本身可以自己保持平衡，這是其優(yōu)點(diǎn)。
[0031]吸力型磁懸浮即利用鐵磁吸力產(chǎn)生的磁懸浮力，只需一組磁體就夠了，磁體的成本較斥力型低。但是，吸力型磁懸浮沒有自穩(wěn)定能力，通常得靠外加控制才能維持平衡狀態(tài)，所以實(shí)施起來，并不容易。
[0032]總之，傳統(tǒng)的磁懸浮，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，其重大缺陷是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、價格局昂。
[0033]如何降低磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的造價，成為磁懸浮結(jié)構(gòu)能否在市場中取代普通風(fēng)力發(fā)電機(jī)的決定性因素。根據(jù)對市場需求的分析，本發(fā)明的半磁懸浮結(jié)構(gòu)是能達(dá)到提高機(jī)電性能和性價比雙重目標(biāo)的合理選擇。
[0034]風(fēng)力發(fā)電機(jī)中通常有兩種相互垂直的外部作用力一一轉(zhuǎn)子重力和風(fēng)推力。全磁懸浮能同時消除兩個力的摩擦損耗，但制造難度大、成本高。半磁懸浮結(jié)構(gòu)則只能消除一種力的摩擦，但對另一個外力，則仍需要保留軸承，給予平衡約束。由于半磁懸浮結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，性價比比較高，非常適合風(fēng)電領(lǐng)域使用。
[0035]半磁懸浮結(jié)構(gòu)機(jī)組，只消除一個摩擦阻力而利用雙自由度的軸承約束另一個力，這樣可降低大約一半的摩擦損耗，故有半磁懸浮之稱。例如在水平軸機(jī)組中，半磁懸浮結(jié)構(gòu)可以消除風(fēng)推力產(chǎn)生的摩擦損耗，而無法消除重力產(chǎn)生的摩擦損耗。在垂直軸機(jī)組中則恰好相反，半磁懸浮結(jié)構(gòu)可以消除重力產(chǎn)生的摩擦損耗，而無法消除風(fēng)推力產(chǎn)生的摩擦損耗。半磁懸浮總只能消除一種或大致認(rèn)為一半的摩擦損耗，故有半磁懸浮之稱。
[0036]本發(fā)明的特點(diǎn)是，一種直接利用發(fā)電機(jī)本身的磁體，不再需要外加控制的鐵磁吸力型磁懸浮，而且是無需外加控制就能達(dá)到隨遇平衡