無需額外磁體和控制的全磁懸浮風(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，是提出水平軸永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的一種具有磁懸浮特性的軸系結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，渦輪機(jī)將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后機(jī)械能再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽詼u輪機(jī)和發(fā)電機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)中不可或缺的機(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(zhǎng)的運(yùn)行壽命，更小的機(jī)械噪聲，更低的磨損和更少的機(jī)械故障。帶磁懸浮軸承的風(fēng)力發(fā)電機(jī)能同時(shí)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(gè)風(fēng)機(jī)的成本大幅上升，性價(jià)比下降，反而會(huì)增加度電成本，不利于磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的推廣應(yīng)用。為此，201510415074.6《一種高性價(jià)比磁懸浮水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N高性價(jià)比、低成本的半磁懸浮軸承風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該機(jī)組利用永磁發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了消除風(fēng)推力摩擦的半磁懸浮的結(jié)構(gòu)，消除了一半摩擦損耗，無須提供額外的磁體和控制，所以那是在不增加成本的前提下所獲得的磁懸浮結(jié)構(gòu)，性價(jià)比特別高。但是，僅消除一半的摩擦損耗，還不能完全滿足消減更多摩擦損耗的目標(biāo)，不能滿足全磁懸浮更高端風(fēng)電機(jī)型的需要，所以，要提出一種具有高性價(jià)比的全磁懸浮結(jié)構(gòu)方案，既要達(dá)到消減全部摩擦損耗的高目標(biāo)，又要以類似于半磁懸浮那樣低的成本投入，實(shí)現(xiàn)二者兼顧，才是最理想的。當(dāng)然，發(fā)明這樣的結(jié)構(gòu)，難度也是很大的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是在基本上不增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成本的前提下，消除機(jī)組全部摩擦阻力和摩擦損耗。
[0004]眾所周知，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，以往的全磁懸浮結(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，但這種全磁懸浮結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要增加許多磁體，還需要依靠復(fù)雜的控制調(diào)節(jié)技術(shù)，制造成本相當(dāng)高。本發(fā)明采用的是不排除接觸的全磁懸浮結(jié)構(gòu)，仍保留軸系，但并不需要額外的磁體，也不需要增加控制，而仍是利用發(fā)電機(jī)本身的永磁場(chǎng)獲得磁懸浮力的新結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的裝置是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種全磁懸浮水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組主要由渦輪機(jī)、軸系、制動(dòng)器、前軸承、發(fā)電機(jī)和后軸承組成，發(fā)電機(jī)為直驅(qū)永磁轉(zhuǎn)子式，其特征為，機(jī)組中含有轉(zhuǎn)向和軸向雙自由度軸承；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與定子軸不重合；除轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)外，機(jī)組內(nèi)沒有額外磁體，所有的磁懸浮結(jié)構(gòu)，均由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)形成。
[0006]在本發(fā)明的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，利用發(fā)電機(jī)本身具備的永磁磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁懸浮力，消除了由風(fēng)推力和轉(zhuǎn)子重力在軸承中產(chǎn)生的摩擦。新結(jié)構(gòu)機(jī)組具有磁懸浮機(jī)組的所有優(yōu)異機(jī)械性能。由于不再需要額外的磁體結(jié)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)磁懸浮，也不需要額外的懸浮控制系統(tǒng)，所以其成本與原有非磁懸浮結(jié)構(gòu)相當(dāng)，造價(jià)基本不增加，機(jī)組的性價(jià)比很高，有利于先進(jìn)風(fēng)電機(jī)組的全磁懸浮化。
【附圖說明】
[0007]圖1、傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸系結(jié)構(gòu)圖
[0008]圖2、本發(fā)明發(fā)電機(jī)的磁結(jié)構(gòu)縱剖圖
[0009]圖3、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受風(fēng)推力作用軸向移動(dòng)示意圖
[0010]圖4、發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間磁力線變化圖一一磁懸浮彈簧的形成
[0011]圖5、本發(fā)明可自制的一種特殊二自由度軸承簡(jiǎn)圖
[0012]圖6、本發(fā)明的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向上平移產(chǎn)生等量磁懸浮力的示意圖
[0013]圖7、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向上斜移產(chǎn)生不等量磁懸浮力的示意圖
[0014]圖8、本發(fā)明的前端單軸承軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
[0015]圖9、本發(fā)明的后端單軸承軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
[0016]圖10、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
[0017]圖11、本發(fā)明的具有磁懸浮結(jié)構(gòu)的同步/異步二次發(fā)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]目前，水平軸機(jī)組產(chǎn)品所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種，一種是帶齒輪箱增速的雙饋是步機(jī)型，另一種即為本發(fā)明探討的同步機(jī)型，即通常為徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前使用得最多的風(fēng)電機(jī)品種，而永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)是水平軸同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要機(jī)種，幾乎全部中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以及約1/3的大型機(jī)，都采用永磁轉(zhuǎn)子的同步發(fā)電機(jī)，這是一種直驅(qū)機(jī)型，采用多極電機(jī)，省卻了易于損壞的齒輪箱，驅(qū)動(dòng)機(jī)械鏈簡(jiǎn)潔，可靠性高，保養(yǎng)成本相對(duì)較低，是今后風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展的方向性機(jī)型。
[0019]圖1為傳統(tǒng)的水平軸直驅(qū)無齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸系結(jié)構(gòu)圖。渦輪機(jī)(I)由葉片和輪轂組成，受風(fēng)力作用，葉片產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，通過輪轂傳遞到轉(zhuǎn)軸(2)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸可能是一體軸，也可能是分段后連成一體的。發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子(5)和定子(6)構(gòu)成，轉(zhuǎn)子上有永磁體，定子上有電樞繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)切割繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓，繞組就可以向外電路輸出電流。在發(fā)電機(jī)兩端有兩個(gè)軸承(4)支撐轉(zhuǎn)軸，制動(dòng)器(3)則用于制止轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，風(fēng)壓產(chǎn)生一個(gè)軸向推力，該推力作用在軸承中。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于軸承中的軸向推力與風(fēng)推力平衡，這個(gè)軸向推力會(huì)在軸承中產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的摩擦力和摩擦損耗。
[0020]在永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)中，磁體分布在轉(zhuǎn)子圓柱體的柱面，沿圓周方向間隔布置與軸線均勻分布。在本發(fā)明中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不但為發(fā)電創(chuàng)造基本的磁場(chǎng)感應(yīng)條件，還利用發(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，而形成軸向磁懸浮力，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)推力招致的摩擦力，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(shì)，達(dá)到最佳的軸向磁懸浮技術(shù)效果，詳見中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)201520534983.7，《風(fēng)電機(jī)組中的磁懸浮彈簧》。
[0021]首先需要說明本發(fā)明產(chǎn)生軸向磁懸浮力的機(jī)理。
[0022]圖2為本發(fā)明的磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)縱剖圖。圖中，發(fā)電機(jī)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸(2)、前軸承(4)、后軸承(4)、定子(6)、轉(zhuǎn)子(5)和端蓋(7)組成，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸即為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸，或直接連接到禍輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸。發(fā)電機(jī)為傳統(tǒng)的永磁體徑向磁場(chǎng)同步發(fā)電機(jī)，定子(6)上有電樞繞組，轉(zhuǎn)子(5)上布置永磁體產(chǎn)生固定的場(chǎng)激勵(lì)，軸承(4)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。但由圖可以明顯看出，本發(fā)明中的軸承是一種特殊結(jié)構(gòu)的雙自由度軸承，既能像傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)那樣允許轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)；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(dòng)的，而本發(fā)明的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸恰恰允許作軸向自由移動(dòng)。通過釋放轉(zhuǎn)軸的軸向自由度，使風(fēng)推力無法作用在軸承中，或者反過來說，通過軸向自由移動(dòng)，才能得到軸向磁懸浮力，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)特征之一。
[0023]圖3為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受風(fēng)推力作用軸向移動(dòng)示意圖。圖3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(dòng)，風(fēng)推力將直接作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，軸肯定會(huì)向右偏移一段距離，這位移又是怎樣影響轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)呢。
[0024]圖4為發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間磁力線變化圖一一磁懸浮彈簧的形成。圖4a)為沒有風(fēng)推力作用時(shí)定、轉(zhuǎn)子位置下的磁場(chǎng)圖，此時(shí)，由于鐵磁吸力作用，轉(zhuǎn)軸在軸向又是可以左右移動(dòng)的，所以在鐵磁吸力的作用下，定、轉(zhuǎn)子對(duì)齊，磁力線都垂直于轉(zhuǎn)軸軸線，其各徑向磁合力相等且互相抵消，所以并沒有軸向力。
[0025]圖4b)為風(fēng)推力作用時(shí)定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生位移狀態(tài)下的磁力線圖。此時(shí)，由于風(fēng)推力的作用，轉(zhuǎn)子軸向右移動(dòng)，使定、轉(zhuǎn)子間的磁力線被拉長(zhǎng)，磁力線被拉長(zhǎng)而不再與軸線垂直。同時(shí)，拉長(zhǎng)的磁力線雖然沿徑向的各向分力仍可抵消，但它們?cè)谳S向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(huì)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(shí)的位置。
[0026]以上作用過程與彈簧的機(jī)理類似，當(dāng)沒有外力作用時(shí)，彈簧不產(chǎn)生形變，也就沒有位移；但當(dāng)向彈簧施加