本實(shí)用新型涉及一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，尤其是一種軸向長(zhǎng)度短、結(jié)構(gòu)緊湊、徑向和軸向受力穩(wěn)定的小型垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

小型低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)非常適用于無(wú)電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，可以作為分布式電源給這些地區(qū)提供所需電力。與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比較，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以捕捉不同的風(fēng)向，具有可分散、單獨(dú)使用以及小型化的特點(diǎn)，特別適用于牧場(chǎng)、海島、山區(qū)、樓頂?shù)葓?chǎng)合。

但是自然的風(fēng)力大小和方向在不斷的變化，根據(jù)風(fēng)速大小分為0~12級(jí)，其中0~2級(jí)稱為輕微風(fēng)，相應(yīng)微風(fēng)風(fēng)速是0.55~1.67m/s，輕風(fēng)為1.94~3.33m/s?，F(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速較大，一般為3~5m/s風(fēng)速啟動(dòng)，最低為2m/s。

為了減少機(jī)械摩擦，實(shí)現(xiàn)“輕風(fēng)啟動(dòng)，微風(fēng)發(fā)電”，中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)為CN102338038A，名稱為“盤式磁懸浮內(nèi)轉(zhuǎn)子型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組”的專利文獻(xiàn)利用永磁轉(zhuǎn)子和定子鐵芯的吸力，減少機(jī)械軸承承受的軸向力，但是徑向自由度仍需要機(jī)械軸承，不能完全消除摩擦力。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)為CN104389741A，名稱為“一種豎直軸外轉(zhuǎn)子磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)”的專利文獻(xiàn)利用上、下軸向磁軸承和上、下徑向磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦懸浮，并利用電勵(lì)磁調(diào)節(jié)使其穩(wěn)定懸浮。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)為CN204283732U，名稱為“一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)”的專利文獻(xiàn)利用徑向混合磁軸承和軸向磁軸承實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮，完全消除了機(jī)械摩擦，這兩種方法磁軸承沿軸向分布過(guò)長(zhǎng)，控制復(fù)雜，還增加了永磁體的用量，會(huì)增加成本，不利于風(fēng)力機(jī)縮小體積，減輕重量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種小型垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)部分五自由度懸浮，轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分完全消除機(jī)械摩擦和磨損，磁懸浮軸承在發(fā)電機(jī)內(nèi)部，充分利用發(fā)電機(jī)內(nèi)部空間，大大減少軸向長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)緊湊，并且軸向利用吸力和斥力來(lái)分別承受軸向力和保持軸向穩(wěn)定懸浮。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：一種小型垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分。所述靜止部分包括沿軸向依次由外向內(nèi)對(duì)稱固定在垂直定子支撐軸上的上、下端蓋擋環(huán)，上、下保護(hù)軸承，上、下徑向磁軸承定子，以及中間固定的發(fā)電機(jī)定子，下端蓋擋環(huán)上固定有軸向磁軸承靜磁環(huán)，所述定子支撐軸支撐在地面的塔架上；所述轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括風(fēng)力機(jī)葉片，風(fēng)力機(jī)葉片固定在風(fēng)力機(jī)外殼上，風(fēng)力機(jī)外殼上、下端蓋內(nèi)分別連接發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子上分別粘貼有永磁體，發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子內(nèi)分別嵌裝有徑向磁軸承轉(zhuǎn)子，所述風(fēng)力機(jī)外殼下端蓋內(nèi)孔嵌裝軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)。

所述上、下徑向磁軸承定子分別是由與所述定子支撐軸螺紋連接的壓緊螺母將定子永磁環(huán)、隔磁材料固定在與所述定子支撐軸固定連接的磁環(huán)臺(tái)上而成；徑向磁軸承轉(zhuǎn)子是通過(guò)轉(zhuǎn)子永磁環(huán)、隔磁材料嵌入到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子而成；徑向磁軸承定子與徑向磁軸承轉(zhuǎn)子間的工作氣隙范圍為1.5~3mm。

進(jìn)一步，所述徑向磁軸承定子磁環(huán)和轉(zhuǎn)子磁環(huán)為相對(duì)徑向充磁，相互排斥形成徑向推力。當(dāng)風(fēng)力大小改變時(shí)，徑向所受承載力使其發(fā)生左右搖動(dòng)，徑向磁軸承定子磁環(huán)和轉(zhuǎn)子磁環(huán)間工作氣隙小的一側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的斥力，來(lái)維持徑向自由度平衡，完成風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子徑向四個(gè)自由度平衡。

進(jìn)一步，所述軸向磁軸承為軸向充磁且同極相背，由軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)與壓緊螺母之間的吸力和軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)與靜磁環(huán)間的斥力支撐發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的整體重量和保持軸向自由度穩(wěn)定懸浮。當(dāng)風(fēng)力變大時(shí)，軸向所受承載力變大，軸向動(dòng)、靜磁環(huán)間的工作氣隙變小，斥力變大，使風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)部分保持上、下自由度平衡。

進(jìn)一步，發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子上粘貼的永磁體，軸向磁軸承動(dòng)、靜磁環(huán)，以及徑向磁軸承所用的永磁環(huán)均為高磁能積的釹鐵硼材料。

優(yōu)選的，所述上端蓋擋環(huán)和風(fēng)力機(jī)外殼上端蓋間保護(hù)間隙范圍為0.5~1mm。

優(yōu)選的，風(fēng)力機(jī)外殼上端蓋和上保護(hù)軸承間的保護(hù)間隙、風(fēng)力機(jī)外殼下端蓋和下保護(hù)軸承間的保護(hù)間隙范圍均為0.5~1mm。

所述發(fā)電機(jī)定子是集中繞組，其中心圓盤部分與磁環(huán)臺(tái)直徑大小一樣，并固定在所述定子支撐軸上，中心以外部分圓盤是由環(huán)氧樹脂澆注而成。

所述上、下端蓋擋環(huán)與其對(duì)應(yīng)的所述定子支撐軸部分螺紋連接。

優(yōu)選的，所述軸向磁軸承包括動(dòng)磁環(huán)、靜磁環(huán)、隔磁材料，其中動(dòng)磁環(huán)、隔磁材料內(nèi)嵌在風(fēng)力機(jī)外殼下端蓋內(nèi)孔處，靜磁環(huán)固定在下端蓋上，軸向動(dòng)、靜磁環(huán)間為軸向工作氣隙范圍為1~2mm，軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)與壓緊螺母之間為軸向工作氣隙范圍為1.5~3mm，軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)與下保護(hù)軸承之間為保護(hù)間隙范圍為0.5~1mm。

優(yōu)選的，發(fā)電機(jī)定子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)永磁體間的工作氣隙為1~2mm。

基于上述，本實(shí)用新型小型垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本實(shí)用新型利用徑向、軸向磁軸承實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮，完全消除機(jī)械摩擦，并且軸向利用動(dòng)磁環(huán)和壓緊螺母間的吸力和軸向動(dòng)、靜磁環(huán)間的斥力來(lái)支撐風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)部分整體重量并且實(shí)現(xiàn)軸向穩(wěn)定懸浮，減少永磁體厚度，降低發(fā)電機(jī)成本。

徑向、軸向磁軸承安裝在發(fā)電機(jī)本體內(nèi)部，充分利用發(fā)電機(jī)內(nèi)部空間，使發(fā)電機(jī)軸向長(zhǎng)度大大縮短，減小風(fēng)力機(jī)整體重量。

綜合上述優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)用新型一種垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電具有無(wú)噪聲、啟動(dòng)風(fēng)速低、無(wú)摩擦、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、徑向和軸向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定懸浮、成本低的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)“輕風(fēng)啟動(dòng)，微風(fēng)發(fā)電”。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的徑向磁軸承軸向剖面圖；

圖3是圖2的A-A剖視圖；

圖4是本實(shí)用新型的軸向磁軸承軸向剖面圖。

圖中各標(biāo)號(hào)：1是風(fēng)力機(jī)葉片，2和7是風(fēng)力機(jī)外殼上、下端蓋，31和31′是徑向磁軸承定子，32和32′是徑向磁軸承轉(zhuǎn)子，310是徑向工作氣隙，311和311′是壓緊螺母，312是定子永磁環(huán)，321是轉(zhuǎn)子永磁環(huán)，322是隔磁材料，41和61是發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子，42和62是粘貼在發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子上的永磁體， 5是發(fā)電機(jī)內(nèi)定子， 8是沉頭螺釘，90是風(fēng)力機(jī)外殼2與上保護(hù)軸承12間的保護(hù)間隙，91是軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)，93、95是軸向工作氣隙，94是軸向磁軸承靜磁環(huán)，11是風(fēng)力機(jī)塔架，12和13是保護(hù)軸承，14和15是風(fēng)力機(jī)外殼上、下端蓋擋環(huán)，141是風(fēng)力機(jī)外殼上端蓋與上端蓋擋環(huán)間的保護(hù)間隙。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，一種小型垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括靜止部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分：

所述靜止部分包括沿軸向依次由外向內(nèi)對(duì)稱固定在垂直定子支撐軸上的上、下端蓋擋環(huán)14、15，上、下保護(hù)軸承12、13 ，徑向磁軸承定子31、31′，以及中間固定的發(fā)電機(jī)定子5，下端蓋擋環(huán)15上粘貼有軸向靜磁環(huán)94，所述定子支撐軸支撐在地面的塔架11上。上、下端蓋擋環(huán)14、15均為隔磁材料，上、下端蓋擋環(huán)與其對(duì)應(yīng)的定子支撐軸螺紋連接。

所述轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括風(fēng)力機(jī)葉片1，風(fēng)力機(jī)葉片1固定在風(fēng)力機(jī)外殼上，風(fēng)力機(jī)外殼上、下端蓋2、7內(nèi)分別連接發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子41和61，發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子41和61上分別粘貼有永磁體42和62，發(fā)電機(jī)雙外轉(zhuǎn)子41和61內(nèi)嵌裝有徑向磁軸承轉(zhuǎn)子32和32′，風(fēng)力機(jī)外殼下端蓋7內(nèi)孔嵌裝軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)91，軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)91與下端蓋擋環(huán)15上粘貼的軸向磁軸承靜磁環(huán)94，同極相背，形成軸向斥力。風(fēng)力機(jī)的上、下殼用沉頭螺釘8固定，上、下殼內(nèi)壁分別固定有雙外轉(zhuǎn)子41、61，雙外轉(zhuǎn)子分別粘貼有永磁體42、62，其粘貼劑可用KH5319結(jié)構(gòu)膠，永磁體和磁軸承永磁環(huán)均用高磁能積的釹鐵硼材料，發(fā)電機(jī)定子是無(wú)槽無(wú)鐵芯結(jié)構(gòu)，采用集中繞組，其中心圓盤部分與磁環(huán)臺(tái)直徑大小一樣，并固定在定子支撐軸上，中心以外部分圓盤是由環(huán)氧樹脂澆注而成，這樣利于加工、安裝，定子無(wú)槽無(wú)鐵芯不僅減輕了電機(jī)重量而且消除了與之相關(guān)的齒槽轉(zhuǎn)矩和鐵芯損耗。

如圖2所示，徑向磁軸承定子31是由與所述定子支撐軸螺紋連接的壓緊螺母311將定子永磁環(huán)312、隔磁材料322固定在與所述定子支撐軸固定連接的磁環(huán)臺(tái)313上而成，磁環(huán)臺(tái)313是定子支撐軸凸出的部分，和定子支撐軸是固定連接一體的，徑向磁軸承轉(zhuǎn)子32通過(guò)隔磁材料322嵌入到外轉(zhuǎn)子41（見(jiàn)圖1）中；徑向磁軸承定子31和徑向磁軸承轉(zhuǎn)子32間工作氣隙310范圍為1.5~3mm；上端蓋擋環(huán)14和風(fēng)力機(jī)外殼上端蓋2間保護(hù)間隙141、風(fēng)力機(jī)外殼上端蓋2和上保護(hù)軸承12間的保護(hù)間隙90范圍均為0.5~1mm。

如圖3所示，徑向磁軸承定子永磁環(huán)312和轉(zhuǎn)子永磁環(huán)321同極相對(duì)，形成徑向的斥力，當(dāng)風(fēng)力大小改變時(shí)，徑向所受承載力使其發(fā)生左右搖動(dòng)，徑向磁軸承定子磁環(huán)和轉(zhuǎn)子磁環(huán)間工作氣隙小的一側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的斥力，來(lái)維持徑向自由度平衡，滿足徑向上、下四個(gè)自由度的懸浮，下徑向磁軸承和上徑向磁軸承一樣，不再贅述。

如圖4所示，軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)91通過(guò)隔磁材料92嵌入到風(fēng)力機(jī)外殼下端蓋7中， 軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)91和壓緊螺母311′之間的軸向工作氣隙93范圍為1.5~3mm，風(fēng)力機(jī)外殼下端蓋7和下保護(hù)軸承13間的保護(hù)間隙90范圍為0.5~1mm，軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)91和靜磁環(huán)94間的軸向工作氣隙95范圍均為1~2mm；壓緊螺母311′為A3鋼導(dǎo)磁材料，壓緊螺母與軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)間的吸力和軸向動(dòng)、靜磁環(huán)間的斥力來(lái)支撐風(fēng)力機(jī)軸向整體重量和保持軸向自由度穩(wěn)定懸浮。風(fēng)力變大時(shí)，軸向所受承載力變大，軸向動(dòng)、靜磁環(huán)間的工作氣隙變小，斥力變大，使風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)部分穩(wěn)定并保持上、下自由度平衡。

如圖2、4所示，本實(shí)用新型懸浮軸承安裝在發(fā)電機(jī)本體內(nèi)部，充分利用發(fā)電機(jī)內(nèi)部空間，使發(fā)電機(jī)軸向長(zhǎng)度大大縮短，減小風(fēng)力機(jī)整體重量，并且軸向磁軸承動(dòng)磁環(huán)91與壓緊螺母311′之間的吸力和與靜磁環(huán)94間的斥力來(lái)支撐發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的整體重量和實(shí)現(xiàn)軸向穩(wěn)定懸浮。

本實(shí)用新型不僅具有無(wú)噪聲、無(wú)摩擦損耗、啟動(dòng)風(fēng)速低，還具有軸向長(zhǎng)度短、結(jié)構(gòu)緊湊，軸向自由浮動(dòng)穩(wěn)定，成本低，磁軸承和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)磁路耦合，且無(wú)需額外電源和控制器，既能實(shí)現(xiàn)五自由度穩(wěn)定懸浮。