[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101034861A [43]公开日2007年9月12日
[21]申请号200610011434.7[22]申请日2006.03.06
[21]申请号200610011434.7
[71]申请人广州中科恒源能源科技有限公司
地址510640广东省广州市天河区五山能源路2
号中科院广州能源研究所技术集成大厦3
楼
[72]发明人李国坤 曾智勇 谢丹平 [74]专利代理机构北京海虹嘉诚知识产权代理有限公司代理人张涛
[51]Int.CI.H02N 15/00 (2006.01)F16C 32/04 (2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页
[54]发明名称
[57]摘要
本发明提供了一种全永磁悬浮风力发电机，包
括机架、机械轴承、轴和风轮，所述风轮设置于轴
前部，所述轴通过机械轴承与机架相连，其特征在
于：所述风轮和机械轴承之间设置有一组或多组利
用环绕在轴上并分别设置在轴和机架上的对应磁极
的位差产生向上磁性力以消除所述风轮重力影响的
永磁悬浮装置。本发明具有结构简单合理、起动风
速低、输出功率大的优点。
200610011434.7权 利 要 求 书第1/1页
1.全永磁悬浮风力发电机，包括机架、机械轴承、轴和风轮，所述风轮设置于轴前部，所述轴通过机械轴承与机架相连，其特征在于：所述风轮和机械轴承之间设置有一组或多组利用环绕在轴上并分别设置在轴和机架上的对应磁极的位差产生向上磁性力以消除所述风轮重力影响的永磁悬浮装置。
2.如权利要求1所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述永磁悬浮装置包括一永磁体转子和于其侧对应设置的一个或两个永磁体定子，所述转子套装于轴上并可随轴一起转动，定子固定在机架上，且转子和定子的轴心具有一高度差。 3.如权利要求2所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述定子轴心高于转子轴心，定子和转子具有相反的磁极结构；或者是定子轴心低于转子轴心，定子和转子具有相同的磁极结构。
4.如权利要求3所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述转子和定子构成拉推磁路结构，即转子和定子分别由沿径向分布的相邻磁极交替的磁块组成，所述磁块为环行结构。
5.如权利要求1或2或3或4所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述叶轮和机械轴承之间还设置有用以抵消所述永磁悬浮装置所产生的轴向力的吸斥磁路。
6.如权利要求5所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述吸斥磁路由定磁环和动磁环组成，所述动磁环套装于所述轴上，所述定磁环与机架固定相连。
7.如权利要求6所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述定磁环和动磁环皆为永磁体结构。
8.如权利要求3所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述永磁悬浮装置为反向拉推磁路装置，所述转子为双侧设置永磁体的组合结构，所述定子为两个并分别对称设置于所述转子两侧，所述定子固定设置于机架上。
9.如权利要求8所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述定子与转子分别由沿径向分布的相邻磁极交替的磁环。 10.如权利要求9所述的全永磁悬浮风力发电机，其特征在于：所述定子或转子各相对
应的磁环其磁极相同或相反。
200610011434.7说 明 书第1/5页
全永磁悬浮风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电设备，尤其是涉及一种新型的全永磁悬浮微摩擦力风力发电机。
背景技术
风能不但具有清洁环保、可再生的特点，而且其分布地域广大，可以说无处不在，而且便于利用，是一种极具发展前途的新型能源。而且人们利用风力发电，不但不会产生任何负面影响，而且还会带来减缓风力灾害、抑制荒漠化、减少或降低沙尘暴数量和强度的好处。 人们认识和利用风能有悠久的历史，早期主要是利用风车代替人类进行灌溉、舂米等简单的劳作，目前我们利用风力发电，但是自然界所产生的风不但风向多变，而且风力大小也变幻莫测，而传统的机械式轴承风力发电机，其起动风速要求最低为3m/s，而对于我国大多数地方来说，一年之中大部分时间其风力在3m/s以下，这就使得大量的风力资源无法利用而白白浪费掉了，如果能够降低风力发电机的起动风速，不但会提高风力发电设备的利用效能，而且会多生产大量电力，其经济效益和社会效益都极其巨大。
现有机械式轴承风力发电机叶轮一般都以悬臂方式置于发电机轴一端，这样的悬臂结构造成发电机轴受到叶轮向下的重力作用而对其轴承产生非轴向力，使得轴承受力不均衡，受力状况不佳，摩擦力较大，加上轴本身还有自重，因此目前机械式风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速普遍较高而输出功率低(三高一低)，而人们在试图将起动阻力矩、起动风速、切入风速降低时，又把输出功率也降低了，因此难以使低风速风力资源得到应用。
如果能使得风力发电机轴悬臂端克服叶轮和轴的重力作用而处于悬浮状态，则能消除轴承的不均衡径向力，并能大大减少整个发电机组轴承所受径向力，同时能大大减少轴承的摩擦力，可以有效降低风力发电机的起动风速。目前的磁悬浮风力发电机，如美国的电磁悬浮风力发电机，由于悬浮轴承在各个自由度都需要控制，因此其控制系统极其复杂和庞大，其成本非常高昂，并且对运行中的维护和应用环境很挑剔，不能广泛适用于风力发电领域。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种利用磁悬浮技术克服悬臂轴受重力挠性变形的风力发电机。本发明采用特定的磁路结构，利用所产生的向上的磁作用力克服叶轮和轴自身重力，不但使得发电机轴承受力得到均衡，还减小了轴承所产生的摩擦力，从而能有效降低风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速，同时能较大幅度提高输出功率。
本发明的技术方案如下：
全永磁悬浮风力发电机，包括机架、机械轴承、轴和叶轮，所述叶轮设置于轴前部，所述轴通过机械轴承与机架相连，其特征在于：所述叶轮和机械轴承之间设置有一组或多组利用环绕在轴上并分别固定在轴和机架上的对应磁极的位差产生向上磁性力以抵消所述叶轮和轴重力的永磁悬浮装置。
所述永磁悬浮装置包括一永磁体转子和于其侧对应设置的一个或两个永磁体定子，所述转子套装于轴上并可随轴一起转动，定子固定设置在机架上，且转子和定子的轴心具有一高度差。
所述定子轴心高于转子轴心，定子和转子具有相反的磁极结构；或者是定子轴心低于转子轴心，定子和转子具有相同的磁极结构。 所述转子和定子构成拉推磁路结构，即转子和定子分别由沿径向分布的相邻磁极交替的磁块组成，所述磁块为环行结构。 所述叶轮和机械轴承之间还设置有用以抵消所述永磁悬浮装置所产生轴向力的吸斥磁路。
所述吸斥磁路由定磁环和动磁环组成，所述动磁环套装于所述轴上，所述定磁环与机架固定相连。
所述定磁环和动磁环皆为永磁体结构。
所述永磁悬浮装置为反向拉推磁路装置，所述定子为两个且并列对称设置于所述转子两侧，所述定子固定设置于机架上。 所述转子和定子构成拉推磁路结构，即转子和定子分别由沿径向分布的相邻磁极交
替的磁块组成，所述磁块为环行结构。 本发明的技术效果为：
本发明的永磁悬浮风力发电机，在风轮和机械轴承之间设置有一组或多组利用相对应的且分别设置在轴和机架上的磁极位差产生向上磁性力以抵消所述风轮和轴重力的永磁悬浮装置，由于对应的磁极存在位差，就能抵消叶轮和轴的重量，具体地，这种位差使得对应的同性磁极在径向尽力排斥，异性磁极在径向尽力吸引，合理设置磁极的位置，就能产生向上的作用力，抵消叶轮和轴向下的重力，使得机械轴承的受力大为减小，特别是悬臂轴挠性变形状况得到明显改善，其所产生的摩擦力大幅减小，从而不但降低风力发电机的起动阻力矩、起动风速、切入风速，同时能提高输出功率。因此本发明既扩
大了可利用的有效风速范围，又提高了输出的发电量，能使低风速风力资源得到应用，同时采用永磁体结构简单、体积小、成本低、使用和维护都方便，有巨大的经济和社会价值。
由于能产生磁极位差的磁路不但会产生向上的悬浮力，还会同时产生一轴向力，该轴向力会增加轴承的负荷，为了抵消该轴向力，在风力发电机组轴上还可设置用以抵消所述轴向力的吸斥磁路。针对所产生轴向力的方向不同，可以利用吸斥磁路产生吸力或斥力来予以消除。这样就可以避免由于产生轴向力而增加轴承的摩擦力。 本发明定子和转子构成拉推磁路，能进一步增大向上的悬浮力，可以在实现三低一高的同时，制作大型的风力发电机，提高发电机的装机容量。
本发明还提供了一种可以自行抵消轴向力的反向拉推磁路，通过在转子两侧分别设置定子，使转子分别
受到两定子的磁性力，由于两磁性力具有方向相反的轴向力，可以相互抵消，从而不需另外设置吸斥磁路，使得整个磁路结构得以简化。
实验证明，传统的机械式轴承风力发电机其起动风速最低为3.5m/s，本发明的风力发电机其起动风速可有效降低为1.5m/s，并可提高输出发电功率20％。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为拉推磁路的另一种结构示意图；
图3为反向拉推磁路的一种结构示意图；
图4为反向拉推磁路的另一种结构示意图；
图5为图2的吸斥磁路结构示意图。
1-叶轮，2-轴，3-机械轴承，4-发电机，5-定子，6-转子，7-定磁环，8-动磁环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明的一种实施例。
传统的风力发电机组包括叶轮1、轴2、机械轴承3、发电机4，其中叶轮1一般都设置于轴2的一端，发电机4设置于轴2的另一端，发电机4两端分别设置有机械轴承3。由于风力的方向变换不定，叶轮1需要不断变换角度以正对风向，轴2通过一机械旋转装置设置于机架上。
这样的轴结构为典型的悬臂梁结构，轴2受叶轮1重力影响会产生一定的挠性变形，并在机械轴承3上产生一非轴向力，从而机械轴
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