本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機，尤其是一種垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機及其控制方法，屬于風電領域。

背景技術：

目前風力發(fā)電機以水平軸風力發(fā)電機為主流產品。但水平軸風力發(fā)電機存在需要偏航對風、風能利用率低、控制復雜困難、安裝不變、成本高等固有缺陷。

垂直軸風力發(fā)電機可以克服上述缺陷，它無需對風，具有風能利用率較高、控制簡單、安裝簡便等優(yōu)勢，已經在中小功率等級垂直軸風力發(fā)電機中得以應用。

但現(xiàn)有垂直軸風力發(fā)電機幾乎均采用轉軸在中心位置的結構，葉片固定在轉軸上，這種結構采風面積小，限制了風能的利用，使得發(fā)電機笨重、功率小、成本高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于：針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷或不足，提供一種結構巧妙、控制簡單、效率高、功率大的垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機。

為了達到以上目的，本發(fā)明一種垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機，包括：定子、轉子、外殼、塔筒、基座、懸浮與剎車系統(tǒng)、采風驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

所述定子套裝在所述塔筒的外圓周上，并與所述塔筒固定，所述定子包括定子鐵心和定子三相繞組；所述塔筒固定在所述基座上；所述轉子與所述定子相對，并與橫向支架固定，所述轉子包括轉子鐵心、永磁體。

所述懸浮與剎車系統(tǒng)包括第一磁軸承、第二磁軸承、第一電磁鐵、氣隙傳感器；所述第一磁軸承包括第一靜磁環(huán)、第一動磁環(huán)，均為永磁體，所述第一靜磁環(huán)套裝在所述塔筒外圓周上，并與所述塔筒固定；所述第一動磁環(huán)與所述外殼的頂板固定，且與所述塔筒同軸；所述第二磁軸承包括第二靜磁環(huán)、第二動磁環(huán)，均為永磁體，所述第二靜磁環(huán)套裝在所述塔筒外圓周上，并與所述塔筒固定；所述第二動磁環(huán)與所述外殼的底板固定，且與所述塔筒同軸；所述第一電磁鐵由鐵心和繞組組成，所述繞組為直流勵磁繞組，所述第一電磁鐵與所述氣隙傳感器均與所述定子固定，且所述氣隙傳感器位于所述第一動磁環(huán)的正下方。

所述采風驅動系統(tǒng)包括橫向支架、縱向支架、葉片、套管，所述橫向支架的一端與所述轉子固定，另一端與所述縱向支架一端垂直固定，所述縱向支架的另一端與外殼的頂板固定，所述套管與所述縱向支架的端頭固定，所述葉片與所述套管固定。

所述控制系統(tǒng)包括風速傳感器、第一變流器，所述第一變流器與所述第一電磁鐵的繞組相連；所述第一變流器為dc/dc斬波器。

上述垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機，其控制方法包括如下步驟：

1)當風速傳感器測得風速達到切入風速時，準備啟動。

2)調節(jié)所述第一變流器的輸出電流，使懸浮物緩慢上升至平衡點，使所述懸浮物處于懸浮狀態(tài)，所述轉子開始旋轉，發(fā)電機發(fā)電；所述懸浮物為所述轉子、采風驅動系統(tǒng)、外殼、第一磁軸承的動磁環(huán)和第二磁軸承的動磁環(huán)的總稱。

3)在運行過程中，如果因干擾導致所述懸浮物偏移平衡點，則所述氣隙傳感器將檢測到氣隙變化，此時將平衡點處的氣隙長度設定值δref與所述氣隙傳感器實時測得的懸浮氣隙δ之差經過控制算法調節(jié)器(如pi調節(jié)器)得到所述第一電磁鐵繞組的勵磁電流給定值將此勵磁電流給定值輸至所述第一變流器，所述第一變流器輸出勵磁電流if至所述第一電磁鐵繞組，使所述懸浮物保持在平衡點，確保所述轉子平穩(wěn)旋轉，使發(fā)動機發(fā)電。

4)停機時，調節(jié)所述第一變流器的輸出電流，使所述懸浮物平緩下降至停機位置，此時所述外殼的頂板降落在塔筒上，并使得第一電磁鐵吸住第一磁軸承，實現(xiàn)剎車。

本發(fā)明的有益效果是：1)運行時系統(tǒng)處于懸浮狀態(tài)，可實現(xiàn)低風速啟動，同時采風驅動系統(tǒng)采風面積大，使得風能利用率更高，可使發(fā)動機體積小、成本低，且可實現(xiàn)大功率輸出。2)結構巧妙、控制簡單，安裝、維護簡便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明垂直軸風力發(fā)電機的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明垂直軸風力發(fā)電機的懸浮與剎車系統(tǒng)控制系統(tǒng)結構框圖。

圖3為本發(fā)明垂直軸風力發(fā)電機的實施例2的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明垂直軸風力發(fā)電機的實施例2的懸浮與剎車系統(tǒng)控制系統(tǒng)結構框圖。

圖5為本發(fā)明垂直軸風力發(fā)電機的實施例3的結構示意圖。

圖中標號：1-定子，2-轉子，3-外殼，31-外殼頂板，32-外殼底板，33-外殼側板，4-第一電磁鐵，5-第二電磁鐵，6-第一磁軸承，61-第一磁軸承的靜磁環(huán)，62-第一磁軸承的動磁環(huán)，7-第二磁軸承，71-第二磁軸承的靜磁環(huán)，72-第二磁軸承的動磁環(huán)，8-氣隙傳感器，81-第一變流器，82-第二變流器，83-控制算法調節(jié)器，90-橫向支架，91-縱向支架，10-塔筒，11-套管，12-葉片，13-基座，15-第二套管，16-第二葉片。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機包括：定子1、轉子2、外殼3、塔筒10、基座13、懸浮與剎車系統(tǒng)、采風驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

定子1為盤式，套裝在塔筒10的外圓周上，并與塔筒10固定，定子1包括定子鐵心和定子三相繞組；塔筒10固定在基座13上；轉子2為盤式，與定子1相對，并與橫向支架90固定，轉子2包括轉子鐵心、永磁體，永磁體以halbach陣列均勻分布在轉子鐵心表面。

所述懸浮與剎車系統(tǒng)包括第一磁軸承6、第二磁軸承7、第一電磁鐵4、氣隙傳感器8；第一磁軸承6包括第一靜磁環(huán)61、第一動磁環(huán)62，均為永磁體，第一靜磁環(huán)61套裝在塔筒10的外圓周上，并與塔筒10固定；第一動磁環(huán)62與外殼3的頂板31固定，且與塔筒10同軸；第二磁軸承7包括第二靜磁環(huán)71、第二動磁環(huán)72，均為永磁體，第二靜磁環(huán)71套裝在塔筒10的外圓周上，并與塔筒10固定；第二動磁環(huán)72與外殼的底板32固定，且與塔筒10同軸；第一電磁鐵4由鐵心和繞組組成，所述繞組為直流勵磁繞組，第一電磁鐵4與氣隙傳感器8均與定子1固定，且氣隙傳感器8位于第一動磁環(huán)62的正下方。

所述采風驅動系統(tǒng)包括三組及三組以上組件，沿圓周均勻分布，每組組件包括1個橫向支架90、1個縱向支架91、1只套管11、2～3個葉片12，其中橫向支架90的一端與轉子2固定，另一端與縱向支架91的一端垂直固定，縱向支架91的另一端與外殼頂板31固定，套管11與縱向支架91的端頭固定，葉片12與套管11固定。

所述控制系統(tǒng)包括風速傳感器、第一變流器81，其中第一變流器81與第一電磁鐵4的繞組相連；第一變流器81為dc/dc斬波器。

如圖2所示，實現(xiàn)本發(fā)明垂直軸磁永磁直驅發(fā)電機的懸浮與剎車控制系統(tǒng)由氣隙傳感器8、第一變流器81、控制算法調節(jié)器83(如pi調節(jié)器)構成。

平衡點處的氣隙長度設定值δref與氣隙傳感器8的輸出值δ之差輸入至控制算法調節(jié)器83，控制算法調節(jié)器83的輸出端連接第一變流器81，第一變流器81的輸出端連接至第一電磁鐵4的繞組。

上述垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機，其控制方法包括如下步驟：

1)當風速傳感器測得風速達到切入風速時，準備啟動。

2)調節(jié)第一變流器81的輸出電流，使懸浮物緩慢上升至平衡點，使所述懸浮物處于懸浮狀態(tài)，轉子2開始旋轉，發(fā)電機發(fā)電；所述懸浮物為轉子2、外殼3、采風驅動系統(tǒng)、第一動磁環(huán)62和第二動磁環(huán)72的總稱。

3)在運行過程中，如果因干擾導致所述懸浮物偏移平衡點向上運動，則參見圖1可知，氣隙傳感器8將檢測到氣隙變大，此時將平衡點處的氣隙長度設定值δref與氣隙傳感器8實時測得的懸浮氣隙δ之差經過控制算法調節(jié)器83(如pi調節(jié)器)得到第一電磁鐵4繞組的勵磁電流給定值將此勵磁電流給定值輸至第一變流器81，第一變流器81輸出勵磁電流if至第一電磁鐵4的繞組，則產生的電磁吸力將使懸浮物下降保持在平衡點，確保轉子2在平衡點平穩(wěn)旋轉，使發(fā)動機發(fā)電；如果因干擾導致所述懸浮物偏移平衡點向下運動，則氣隙傳感器8將檢測到氣隙變小，此時將平衡點處的氣隙長度設定值δref與氣隙傳感器8實時測得的懸浮氣隙δ之差經過控制算法調節(jié)器83(如pi調節(jié)器)得到第一電磁鐵4繞組的反向勵磁電流給定值將此勵磁電流給定值輸至第一變流器81，第一變流器81輸出勵磁電流if至第一電磁鐵4的繞組，則產生的電磁推力將使懸浮物上升保持在平衡點，確保轉子2在平衡點平穩(wěn)旋轉，使發(fā)動機發(fā)電。

4)停機時，使葉片12順風，轉子2轉速下降，調節(jié)第一變流器81的輸出電流，使所述懸浮物平緩下降至停機位置，此時外殼的頂板31降落在塔筒10上，并使第一電磁鐵81吸住第一磁軸承，實現(xiàn)剎車。

實施例2：

如圖3所示，是本發(fā)明垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機的另一種實施方式，采用雙定子雙轉子，從而提高了電機功率等級，它包括：定子1、轉子2、第二定子21、第二轉子22、外殼3、塔筒10、基座13、懸浮與剎車系統(tǒng)、采風驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

定子1為盤式，套裝在塔筒10的外圓周上，并與塔筒10固定，定子1包括定子鐵心和定子三相繞組；塔筒10固定在基座13上；轉子2為盤式，與定子1相對且位于定子1的下方，并與橫向支架90固定，轉子2包括轉子鐵心、永磁體，永磁體以halbach陣列均勻分布在轉子鐵心表面。

定子21亦為盤式，套裝在塔筒10的外圓周上，并與塔筒10固定，定子21包括定子鐵心和定子三相繞組；轉子22亦為盤式，與定子21相對且位于定子21的上方，并與橫向支架90固定，轉子22包括轉子鐵心、永磁體，永磁體以halbach陣列均勻分布在轉子鐵心表面。定子21、轉子22產生的功率小于定子1、轉子2產生的功率。

所述懸浮與剎車系統(tǒng)除增加了一個第二電磁鐵5，其余部件均與上述實施例1的懸浮與剎車系統(tǒng)相同，即包括第一磁軸承6、第二磁軸承7、第一電磁鐵4、第二電磁鐵5、氣隙傳感器8；第二電磁鐵5由鐵心和繞組組成，所述繞組為直流勵磁繞組，第二電磁鐵5與定子21固定。

所述采風驅動系統(tǒng)與上述實施例1相同。

所述控制系統(tǒng)增加了一個第二變流器82，即包括風速傳感器、第一變流器81、第二變流器82，其中第一變流器81與第一電磁鐵4的繞組相連，第二變流器82與第二電磁鐵5的繞組相連；第一變流器81、第二變流器82均為dc/dc斬波器。

如圖4所示，本實施例的懸浮與剎車控制系統(tǒng)由氣隙傳感器8、第一變流器81、第二變流器82、控制算法調節(jié)器83(如pi調節(jié)器)構成。

平衡點處的氣隙長度設定值δref與氣隙傳感器8的輸出值δ之差輸入至控制算法調節(jié)器83，控制算法調節(jié)器83的輸出端分別連接第一變流器81、第二變流器82，第一變流器81的輸出端連接至第一電磁鐵4的繞組，第二變流器82的輸出端連接至第二電磁鐵5的繞組。

本實施例的垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機，其控制方法包括如下步驟：

1)當風速傳感器測得風速達到切入風速時，準備啟動。

2)調節(jié)第一變流器81、第二變流器82的輸出電流，使懸浮物緩慢上升至平衡點，使所述懸浮物處于懸浮狀態(tài)，轉子2開始旋轉，發(fā)電機發(fā)電；所述懸浮物為轉子2、轉子22、外殼3、采風驅動系統(tǒng)、第一動磁環(huán)62和第二動磁環(huán)72的總稱。

3)在運行過程中，如果因干擾導致所述懸浮物偏移平衡點向上運動，則參見圖3可知，氣隙傳感器8將檢測到氣隙變大，此時將平衡點處的氣隙長度設定值δref與氣隙傳感器8實時測得的懸浮氣隙δ之差經過控制算法調節(jié)器83(如pi調節(jié)器)得到第一電磁鐵4繞組和第二電磁鐵5繞組的勵磁電流給定值將此勵磁電流給定值分別輸至第一變流器81、第二變流器82，第一變流器81、第二變流器82分別輸出勵磁電流if至第一電磁鐵4的繞組、第二電磁鐵5繞組，則第一電磁鐵4產生的電磁吸力和第二電磁鐵5產生的電磁推力將使懸浮物下降保持在平衡點，確保轉子2在平衡點平穩(wěn)旋轉，使發(fā)動機發(fā)電；如果因干擾導致所述懸浮物偏移平衡點向下運動，則氣隙傳感器8將檢測到氣隙變小，此時將平衡點處的氣隙長度設定值δref與氣隙傳感器8實時測得的懸浮氣隙δ之差經過控制算法調節(jié)器83(如pi調節(jié)器)得到第一電磁鐵4繞組和第二電磁鐵5繞組的反向勵磁電流給定值將此勵磁電流給定值分別輸至第一變流器81、第二變流器82，第一變流器81、第二變流器82分別輸出勵磁電流if至第一電磁鐵4的繞組、第二電磁鐵5繞組，則第一電磁鐵4產生的電磁推力和第二電磁鐵5產生的電磁吸力將使懸浮物上升保持在平衡點，確保轉子2在平衡點平穩(wěn)旋轉，使發(fā)動機發(fā)電。

4)停機時，使葉片12順風，轉子2轉速下降，調節(jié)第一變流器81、第二變流器82的輸出電流，使所述懸浮物平緩下降至停機位置，此時外殼的頂板31降落在塔筒10上，并使第一電磁鐵81吸住第一磁軸承，第二電磁鐵對第二磁軸承產生最大推力，實現(xiàn)剎車。

實施例3：

如圖5所示，是本發(fā)明垂直軸永磁直驅風力發(fā)電機的另一種實施方式，在實施例2的基礎上，再增加一套采風系統(tǒng)，即采用雙定子雙轉子雙采風驅動系統(tǒng)，從而進一步提高電機功率等級，它包括：定子1、轉子2、第二定子21、第二轉子22、外殼3、塔筒10、基座13、懸浮與剎車系統(tǒng)、采風驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

如圖5所示，采風驅動系統(tǒng)包括第一采風系統(tǒng)和第二采風系統(tǒng)；第一采風系統(tǒng)包括三組及三組以上組件，沿圓周均勻分布，每組組件包括1個橫向支架90、1個縱向支架91、1只套管11、2～3個葉片12，其中橫向支架90的一端與轉子2固定，另一端穿過外殼側板33并與之固定，縱向支架91的一端與橫向支架90垂直固定，另一端與外殼頂板31固定，套管11與縱向支架91的端頭固定，葉片12與套管11固定；第二采風系統(tǒng)包括三組及三組以上組件，沿圓周均勻分布，每組組件包括1個橫向支架90、1只第二套管15、2～3個第二葉片16，其中第二套管15與橫向支架90的端頭固定，第二葉片16與第二套管15固定。