專利名稱：全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及垂直軸風力機和磁懸浮技術等領域，具體涉及一種全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸。
背景技術：
垂直軸風力機除了在世界上少數地區(qū)建立了試驗性風場外，目前仍沒有大規(guī)模的推廣，但其優(yōu)越的空氣動力學性能越來越引起各國研究人員的重視。自啟動性低是垂直軸風力機的主要不足之一。要提高垂直軸風力機的性能，必須采取有效措施克服這一不足?？紤]到磁懸浮支承具有無機械摩擦，無接觸磨損，無需潤滑，運行噪音小，剛度可控等優(yōu)點，用于垂直軸風力機主軸結構系統(tǒng)，可以降低主軸靜態(tài)粘滯阻力轉矩，改善自啟動能力，消除機械磨損損耗，提高機電轉換效率。
據此，一些學者提出采用電磁軸承替代傳統(tǒng)機械支撐軸承的方法來設計風力機主軸，如吳國慶等人在專利CN101532471中提出的“磁懸浮垂直渦輪風力發(fā)電機”、張廣明等人在專利CN102182624中提出的“一種五自由度磁懸浮水平軸直驅式風力發(fā)電機”等。電磁軸承應用的基本要求是必須配備位置閉環(huán)反饋控制電路及系統(tǒng)，由此形成的此類磁懸浮風力機的優(yōu)點是磁力調節(jié)速度快，懸浮氣隙恒定，抗風力擾動能力強。但其缺點是閉環(huán)反饋電控系統(tǒng)復雜，電路硬件投入和運行維護成本高，故障率高，且長期消耗電能，總電功耗大。為了克服上述電磁軸承型磁懸浮風力機的缺點，一些學者提出采用永磁軸承替代傳統(tǒng)機械支撐軸承的方法來設計風力機，如李國坤等人在專利CNlO 1034861中提出的“全永磁懸浮風力發(fā)電機”、劉驍等人在專利CN1948746中提出的“立式全磁懸浮風力發(fā)電機”等。永磁軸承無需外圍輔助控制電路，不消耗電能，故障率低，只要永磁體形狀和布局合理，基本能夠保證被懸浮體的靜態(tài)穩(wěn)定懸浮。這些特點是永磁懸浮軸承在風力發(fā)電應用的優(yōu)勢。但現有文獻較少考慮永磁懸浮結構的風力機在風力擾動下懸浮主軸的恒氣隙懸浮特性，各個自由度方向上的懸浮氣隙受風向和風力大小的變化而變化，不能隨著風向和風力大小自適應地改變相應自由度方向上的磁力大小，不能保證磁懸浮主軸懸浮氣隙的恒定。繼而導致懸浮主軸軸心偏心，主軸攢動和振顫，增加與發(fā)電機連接的機械傳動損耗，降低發(fā)電機的壽命，提高風力發(fā)電系統(tǒng)整機的機械不穩(wěn)定度。因此，利用永磁軸承在風力發(fā)電領域中應用的優(yōu)勢，研究一種能夠依據風向和風力大小的變化而自適應地調整磁力方向和大小，保證在風力擾動下的全永磁懸浮主軸懸浮氣隙恒定的磁懸浮垂直軸風力機傳動主軸結構，具有良好的工程實用意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種結構合理，能夠依據風向和風力大小的變化而自適應地調整徑向懸浮磁力的方向和大小，保證在風力擾動下的懸浮主軸懸浮氣隙恒定的全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸。
本發(fā)明的技術解決方案是一種全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，其特征是包括外套筒垂直靜止軸、內旋轉傳動軸、徑向二自由度全永磁懸浮軸承、軸向單自由度全永磁懸浮軸承，其特征是還包括徑向磁力全角度自調節(jié)機構；所述徑向磁力全角度自調節(jié)機構包括扇弧形風壓感應集風板、永磁力矩單元體、風力矩傳動臂、徑向軸承、集風板支架、永磁力矩支架、傳動臂鉸鏈、滾輪、滑動軌道、彈簧、導風背鰭板、限位橫梁；徑向軸承安裝于外套筒垂直靜止軸外徑上，并與集風板支架和永磁力矩支架相連；扇弧形風壓感應集風板和集風板支架之間安裝傳動臂鉸鏈；風力矩傳動臂一側與扇弧形風壓感應集風板相連，另一側的末端安裝滾輪；永磁力矩單元體頂部與滾輪接 觸，底部與滑動軌道接觸，背部通過彈簧與永磁力矩支架相連；滑動軌道與永磁力矩支架底部相連；導風背鰭板與扇弧形風壓感應集風板背部相連；限位橫梁與永磁力矩支架頂部相連；外套筒垂直靜止軸上安裝徑向二自由度全永磁懸浮軸承和軸向單自由度全永磁懸浮軸承，其內套入內旋轉傳動軸。所述永磁力矩單元體由永磁材料制成，其橫截面為圓弧形、縱截面為梯形，沿縱截面梯形高度方向上進行充磁。所述集風板支架和永磁力矩支架左右對稱地安裝于徑向軸承兩側。永磁體力矩單元體與外套筒靜止軸之間的氣隙大小，呈跟隨風力的實時強弱情況而自動調節(jié)的形式。扇弧形風壓感應集風板為跟隨風向的變化而圍繞外套筒靜止軸旋轉，并始終處于迎風位置的形式。所述外套筒垂直靜止軸、內傳動旋轉軸均由導磁材料制成；所述扇弧形風壓感應集風板、風力矩傳動臂、徑向軸承、集風板支架、永磁力矩支架、傳動臂鉸鏈、滾輪、滑動軌道、彈簧、導風背鰭板、限位橫梁均由非導磁材料制成。導風背鰭板安裝在扇弧形風壓感應集風板背部的中線位置處，呈三棱柱形。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)徑向懸浮磁力的方向和大小能夠實時地隨風向和風力進行調整，具有自適應調節(jié)特性，保證垂直軸傳動旋轉主軸軸心懸浮氣隙的恒定。(2)采用了全永磁懸浮技術和純機械式自動控制機構，結構簡單，不耗費電能，成本和故障率低,性價比高。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖I為本發(fā)明一個實施例的裝置結構主視圖。圖2為徑向二自由度全永磁懸浮軸承的橫截面俯視圖。圖3為軸向單自由度全永磁懸浮軸承的縱剖面?zhèn)纫晥D。圖4為軸向上永磁環(huán)外觀示意圖。圖5為徑向磁力全角度自調節(jié)機構結構主視圖。圖6為永磁力矩單元體外觀及其與外套筒垂直靜止軸的相對安裝位置示意圖。圖7為扇弧形風壓感應集風板的立體結構示意圖。圖8為內旋轉傳動軸的懸浮偏心位移變動參數定義示意圖。
其中，圖2至圖6中的黑色箭頭方向代表磁力線方向。
具體實施例方式以一種全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸為例，結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。所述的一種全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸由外套筒垂直靜止軸I、內旋轉傳動軸2、徑向二自由度全永磁懸浮軸承3、軸向單自由度全永磁懸浮軸承4、徑向磁力全角度自調節(jié)機構5等組成。參見附圖1，內旋轉傳動軸2套入在外套筒垂直靜止軸I的內部。外套筒垂直 靜止軸I與地基相連，固定不動。內旋轉傳動軸2頂部連接風力機，底部連接發(fā)電機，完成風力機械能的傳遞。本實施例中，采用了 2個徑向二自由度全永磁懸浮軸承、I個軸向單自由度全永磁懸浮軸承實現內旋轉傳動軸2相對于外套筒垂直靜止軸I的五自由度懸浮。I個徑向磁力全角度自調節(jié)機構實現風力變化時，徑向懸浮磁力的閉環(huán)反饋自調節(jié)功能，使得內旋轉傳動軸2相對于外套筒垂直靜止軸I的徑向懸浮氣隙基本不變。參見附圖2，徑向二自由度全永磁懸浮軸承3由徑向隔磁環(huán)6、徑向永磁環(huán)7和徑向永磁體9組成。徑向永磁環(huán)7通過徑向隔磁環(huán)6套接在內旋轉傳動軸2上，沿內徑向外徑方向充磁。徑向永磁體9共有2對，沿外套筒垂直靜止軸I的截面圓周均勻排布安裝，沿外徑向內徑方向充磁。由“同極相斥”原理可知，該徑向二自由度全永磁懸浮軸承3可以保證在無外力擾動條件下，徑向懸浮氣隙8保持恒定，且內旋轉傳動軸2可以相對于外套筒垂直靜止軸I同心旋轉。參見附圖3，軸向單自由度全永磁懸浮軸承4由軸向推力盤10、軸向上隔磁環(huán)11、軸向上永磁環(huán)12、軸向下永磁環(huán)14、軸向下隔磁環(huán)15組成。軸向上永磁環(huán)12的外觀參見附圖4所示，軸向下永磁環(huán)14的外觀與之類似。軸向推力盤10固定安裝在內旋轉傳動軸2上，軸向上永磁環(huán)12通過軸向上隔磁環(huán)11嵌入安裝于軸向推力盤10的內部，沿垂直向下方向充磁。軸向下永磁環(huán)14通過軸向下隔磁環(huán)15嵌入安裝于外套筒垂直靜止軸I的臺座上，沿垂直向上方向充磁。由“同極相斥”原理可知，該軸向單自由度全永磁懸浮軸承4可以保證在無外力擾動條件下，軸向懸浮氣隙13保持恒定，且在重力方向上，內旋轉傳動軸2可以相對于外套筒垂直靜止軸I無摩擦地旋轉。參見附圖5，徑向磁力全角度自調節(jié)機構5由扇弧形風壓感應集風板16、永磁力矩單元體17、風力矩傳動臂18、徑向軸承19、集風板支架20、永磁力矩支架21、傳動臂鉸鏈22、滾輪23、滑動軌道24、彈簧25、導風背鰭板26、限位橫梁27組成。上下2個徑向軸承19均安裝于外套筒垂直靜止軸I的外徑上，并與集風板支架20和永磁力矩支架21相連；扇弧形風壓感應集風板16和集風板支架20之間安裝傳動臂鉸鏈22 ;風力矩傳動臂18 —側與扇弧形風壓感應集風板16相連，另一側的末端安裝滾輪23 ;永磁力矩單元體17頂部與滾輪23接觸，底部與滑動軌道24接觸，背部通過2個彈簧25與永磁力矩支架21相連；滑動軌道24與永磁力矩支架21的底部相連；導風背鰭板26與扇弧形風壓感應集風板16的背部相連；前后2個限位橫梁27分別安裝于永磁力矩支架21的頂部；集風板支架20和永磁力矩支架21左右對稱地安裝于2個徑向軸承19的兩側。永磁力矩單元體17與外套筒垂直靜止軸I之間存在氣隙28，其值為δ。
參見附圖6，永磁力矩單元體17由永磁材料制成，其橫截面為圓弧形，其縱截面為梯形，沿縱截面梯形高度方向上進行充磁。永磁力矩單元體17的弧面一側與外套筒垂直靜止軸I相對。參見附圖7，扇弧形風壓感應集風板16的立體凸型結構和扇弧形設計，使得扇弧形風壓感應集風板16具有迎風特性。同時，在扇弧形風壓感應集風板16背部的中線位置處安裝的三棱柱形導風背鰭板26，其功能類似于風向標的尾翼，進一步地提高了扇弧形風壓感應集風板16的迎風特性。因此，當風力V的方向變化時，在徑向軸承19和集風板支架20的支撐下，扇弧形風壓感應集風板16能夠圍繞外套筒靜止軸I旋轉，并帶動整個徑向磁力全角度自調節(jié)機構5始終迎風。扇弧形風壓感應集風板為跟隨風向的變化而圍繞外套筒靜止軸旋轉，并始終處于迎風位置的形式。在迎風情況下，當風力值V增大時，扇弧形風壓感應集風板16與集風板支架20之間的夾角α增大，在傳動臂鉸鏈22的繞動支撐傳動作用，風力矩傳動臂18克服彈簧25的拉力，利用杠桿原理頂推永磁力矩單元體17沿風向方向運動，導致氣隙28的值δ減小，永 磁力矩單元體17對外套筒垂直靜止軸I和內旋轉傳動軸2的吸引磁力F增強，使得內旋轉傳動軸2沿風向反方向的運動趨勢增強，抵消了因風力值V增大而推動其沿風向正方向的運動趨勢，保證了內旋轉傳動軸2與外套筒垂直靜止軸I之間的徑向懸浮氣隙的恒定。所述外套筒垂直靜止軸、內傳動旋轉軸均由導磁材料制成；所述扇弧形風壓感應集風板、風力矩傳動臂、徑向軸承、集風板支架、永磁力矩支架、傳動臂鉸鏈、滾輪、滑動軌道、彈簧、導風背鰭板、限位橫梁均由非導磁材料制成。參見附圖8，若假設Λ σ +為徑向懸浮氣隙8沿風力V正方向上的位置變化量，則在徑向懸浮氣隙8的某一處平衡條件下，當風力值V增大時，徑向懸浮氣隙的自平衡調節(jié)過程可以由式(I)表示。V ' ^ α '一 δ 丨一F1— Δ σ + 1(I)DAo/□ Δ σ + O在迎風情況下，當風力值V減小時，由重力作用，扇弧形風壓感應集風板16與集風板支架20之間的夾角α減小，在傳動臂鉸鏈22的繞動支撐傳動以及彈簧25的恢復拉力作用下，利用杠桿原理，風力矩傳動臂18對永磁力矩單元體17的頂推作用力減小，使之沿風向反方向運動，導致氣隙28的值δ增大，永磁力矩單元體17對外套筒垂直靜止軸I和內旋轉傳動軸2的吸引磁力F減弱，使得內旋轉傳動軸2沿風向方向的運動趨勢增強，抵消了因風力值V減小而原磁力推動其沿風向反方向的運動趨勢，保證了內旋轉傳動軸2與外套筒垂直靜止軸I之間的徑向懸浮氣隙的恒定。參見附圖8，若假設Λ σ —為徑向懸浮氣隙8沿風力V負方向上的位置變化量，則在徑向懸浮氣隙8的某一處平衡條件下，當風力值V減弱時，徑向懸浮氣隙的自平衡調節(jié)過程可以由式(2)表示。V*— α 丨一δ 丨一卩丨一Δ σ _ 1(2)ΙΖΙΔσ」□ Δ σ _ O本發(fā)明中，風力對扇弧形風壓感應集風板16所形成的作用力，通過以傳動臂鉸鏈22為支點的杠桿作用，傳遞到了風力矩傳動臂18上，并對永磁力矩單元體17形成頂推或是釋放作用。由于風力矩傳動臂18的運動行程受到前后2個限位橫梁27的限位，因此，在永磁力矩單元體17上的頂推或是釋放作用力也是得到限制的。據此工作原理，在本發(fā)明的具體實施過程中，可根據作用力傳遞的杠桿原理，依據風力機迎風截面、扇弧形風壓感應集風板面積，永磁力矩單元體磁力強度、內旋轉傳動軸質量等參數，來設計選取最優(yōu)的風力矩傳 動臂長度，以及限位橫梁放置的合適位置，以使得自平衡調節(jié)過程更加精確和靈敏，保證在風力擾動下的全永磁懸浮主軸懸浮氣隙恒定。
權利要求
1.一種全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，其特征是包括外套筒垂直靜止軸、內旋轉傳動軸、徑向二自由度全永磁懸浮軸承、軸向單自由度全永磁懸浮軸承，其特征是還包括徑向磁力全角度自調節(jié)機構；所述徑向磁力全角度自調節(jié)機構包括扇弧形風壓感應集風板、永磁力矩單元體、風力矩傳動臂、徑向軸承、集風板支架、永磁力矩支架、傳動臂鉸鏈、滾輪、滑動軌道、彈簧、導風背鰭板、限位橫梁；徑向軸承安裝于外套筒垂直靜止軸外徑上，并與集風板支架和永磁力矩支架相連；扇弧形風壓感應集風板和集風板支架之間安裝傳動臂鉸鏈；風力矩傳動臂一側與扇弧形風壓感應集風板相連，另一側的末端安裝滾輪；永磁力矩單元體頂部與滾輪接觸，底部與滑動軌道接觸，背部通過彈簧與永磁力矩支架相連；滑動軌道與永磁力矩支架底部相連；導風背鰭板與扇弧形風壓感應集風板背部相連；限位橫梁與永磁力矩支架頂部相連；外套筒垂直靜止軸上安裝徑向二自由度全永磁懸浮軸承和軸向單自由度全永磁懸浮軸承，其內套入內旋轉傳動軸。
2.根據權利要求I所述的全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，其特征是所述永磁力矩單元體由永磁材料制成，其橫截面為圓弧形、縱截面為梯形，沿縱截面梯形高度方向上進行充磁。
3.根據權利要求I所述的全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，其特征是所述集風板支架和永磁力矩支架左右對稱地安裝于徑向軸承兩側。
4.根據權利要求1、2或3所述的全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，其特征是永磁體力矩單元體與外套筒靜止軸之間的氣隙大小，呈跟隨風力的實時強弱情況而自動調節(jié)的形式。
5.根據權利要求1、2或3所述的全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，其特征是扇弧形風壓感應集風板為跟隨風向的變化而圍繞外套筒靜止軸旋轉，并始終處于迎風位置的形式。
6.根據權利要求1、2或3所述的全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，其特征是所述外套筒垂直靜止軸、內傳動旋轉軸均由導磁材料制成；所述扇弧形風壓感應集風板、風力矩傳動臂、徑向軸承、集風板支架、永磁力矩支架、傳動臂鉸鏈、滾輪、滑動軌道、彈簧、導風背鰭板、限位橫梁均由非導磁材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全永磁自平衡懸浮垂直軸風力機傳動主軸，主要由外套筒垂直靜止軸、內旋轉傳動軸、徑向二自由度全永磁懸浮軸承、軸向單自由度全永磁懸浮軸承、徑向磁力全角度自調節(jié)機構等組成。徑向磁力全角度自調節(jié)機構安裝于外套筒垂直靜止軸上，能夠始終處于迎風位置，并在風力大小變化時，實現徑向懸浮磁力的閉環(huán)反饋自調節(jié)功能，使得內旋轉傳動軸相對于外套筒垂直靜止軸的徑向懸浮氣隙基本不變。本發(fā)明所述及的垂直軸風力機傳動主軸采用了全永磁懸浮技術和純機械式自動控制機構，具有結構簡單，無摩擦，不耗費電能，成本和故障率低，性價比高等優(yōu)點。
文檔編號F16C32/04GK102878201SQ201210364020
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權日2012年9月26日
發(fā)明者茅靖峰, 吳國慶, 吳愛華, 張旭東, 肖龍雪, 曹陽, 邵波, 于曉莉 申請人:南通大學