外转子结构的五自由度全悬浮垂直轴风力发电机 技术领域 本发明涉及一种外转子结构的磁悬浮垂直轴风力发电机， 具体是一种外转子结构 的五自由度全悬浮垂直轴风力发电机， 属于风力发电技术领域。
背景技术 风力发电的原理是利用风力带动发电机转子旋转产生电能， 通过对不同发电方式 进行比较， 可以发现风力发电是完整意义上的绿色电力——无污染、 可再生， 用之不竭。全 球的风能蕴量巨大， 约为 2.74×109MW。可利用的风能约为 2×107MW， 约为地球上可开发的 水能总量的 10 倍。我国风能资源丰富， 可开发利用的风能储量约为 10 亿 kW， 其中， 陆地上 风能储量约为 2.53 亿 kW( 离地 10m 高度 )， 海上可开发和利用的风能储量约为 7.5 亿 kW。 在世界各国重视节能环保的今天， 风力发电对改善地球生态环境， 减少空气污染有着非常 积极的作用， 世界各国也都越来越重视风力发电的研究和应用。
在风力发电中， 可以被用来产生电能的风能是介于切入风速和停机风速之间的风 速段， 降低启动风速和切入风速就能够增加有效风能的利用量， 就可以在相同风速下产生 更多的电能， 从而能够更充分地利用风力来发电。但是， 在设计风力发电机时， 为了获得较 低的切入风速， 不得不降低风力发电机的输出功率， 为了解决这一矛盾， 人们将磁悬浮技 术应用到了风力发电机转子的支承上， 用磁悬浮轴承代替传统的机械轴承， 这样做不但可 以大幅度的降低转子和轴承间的摩擦力、 摩擦力矩， 实现风力发电机的 “轻风起动、 微风发 电” ， 扩大风力资源的利用率， 提高发电效率， 还可以免除以往机械轴承使用和维护的高额 费用， 降低风力发电成本， 这不仅有利于我国风力发电的普及和风电事业的发展， 而且对我 国实施节能减排工作起着重要的推动作用。
按照风叶轴的不同， 风力发电机可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机， 水平轴风力发电机是目前国内外研制最多， 最常见也是技术最成熟的一种风力发电机， 其 启动力矩较大， 风能利用系数高， 但是为了使风轮始终正对风向， 该类型的风力发电机需装 有调向装置。 水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中， 受惯性力和重力的综合作用， 惯性力的方向是随时变化的， 而重力的方向始终不变， 这样叶片所受的就是一个交变载荷， 这对于叶片的疲劳强度是非常不利的。 另外， 水平轴的发电机都置于几十米的高空， 这给发 电机的安装和维护检修带来了很多的不便。垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情 况要比水平轴的好的多， 由于惯性力与重力的方向始终不变， 所受的是一恒定载荷， 因此疲 劳寿命要比水平轴的长。同时， 垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面， 便于安装 维护， 但是垂直轴风力发电机存在起动性能差， 起动风速高的缺点， 这限制了其在风力发电 领域的广泛应用， 为了解决这一问题， 一股采用磁悬浮轴承技术将发电机转子悬浮起来以 磁悬浮轴承可分 减小转子所受到的摩擦力， 改善发电机的起动性能。 根据悬浮力是否可控， 为被动型和主动型两种类型。 被动型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力 ( 如永磁材料之间， 永磁材料与软磁材料之间 ) 来实现转轴的悬浮， 其结构简单， 功率损耗 少。 主动型磁悬浮轴承主要是通过主动控制定、 转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，
一套完整的主动型磁悬浮轴承系统通常由磁悬浮轴承本体、 位移传感器、 控制器以及功率 放大器组成， 根据偏置磁场建立方式的不同， 主动型磁悬浮轴承可分为全电磁型与电磁永 磁混合型。全电磁型磁悬浮轴承的偏置磁场与控制磁场均由电磁铁产生 ； 电磁永磁混合型 磁悬浮轴承采用永磁材料来建立偏置磁场， 能够较大程度地降低磁悬浮轴承的功率损耗。 发明内容
本发明的目的在于提出一种维护费用低、 风能利用率高、 起动风速低的外转子结 构的五自由度全悬浮垂直轴风力发电机。
本发明包括风叶， 外壳， 分别位于外壳底部和顶部的永磁型径向磁悬浮轴承 A 转 子、 永磁型径向磁悬浮轴承 B 转子， 安装在外壳内壁上的电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承 转子 A、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 B、 发电机转子， 自上而下设置在定子轴上的 永磁型径向磁悬浮轴承 B 定子、 发电机定子、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子、 永磁型 径向磁悬浮轴承 A 定子 ； 永磁型径向磁悬浮轴承 B 定子位于永磁型径向磁悬浮轴承 B 转子 内， 发电机定子位于发电机转子内， 永磁型径向磁悬浮轴承 A 定子位于永磁型径向磁悬浮 轴承 A 转子内 ； 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子位于电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承 转子 A、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 B 之间 ； 定子轴的两端分别从外壳的顶部和底 部伸出外壳。 上述永磁型径向磁悬浮轴承 B 定子外端面与永磁型径向磁悬浮轴承 B 转子内端面 之间、 发电机定子外端面与发电机转子内端面之间、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子 下端面与电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 A 上端面之间、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮 轴承定子上端面与电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 B 下端面之间、 永磁型径向磁悬浮 轴承 A 定子外端面与永磁型径向磁悬浮轴承 A 转子内端面之间均存在气隙。
上述气隙的作用主要是作为磁场能量存储的介质， 其宽度优选 0.3 ～ 1.5mm。
上述永磁型径向磁悬浮轴承 A 转子、 永磁型径向磁悬浮轴承 B 转子分别嵌入外壳 的底部和顶部， 其外端面分别与外壳的底部外端面和顶部外端面位于同一个平面上 ； 相应 的， 永磁型径向磁悬浮轴承 A 定子、 永磁型径向磁悬浮轴承 B 定子的外端面也分别与外壳的 底部外端面和顶部外端面位于同一个平面上。
基于上述结构， 本发明的磁悬浮风力发电机具有以下优点 ：
本发明利用两个永磁型径向磁悬浮轴承实现转子在四个径向自由度上的悬浮， 利 用一个电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承实现转子在轴向自由度的悬浮， 不但实现了转子的 全悬浮， 减少了维护成本、 摩擦损耗， 降低了切入风速， 而且简化了风力发电机磁悬浮轴承 系统的结构， 降低了磁悬浮轴承系统的能量损耗， 提高了能量转换的效率。 相对于传统的垂 直轴风力发电机， 本发明具有风能利用率高、 起动风速低、 无噪音等众多优点， 具有广阔的 市场应用前景。
附图说明 图 1 是外转子结构的磁悬浮垂直轴风力发电机结构平面示意图。
图 1 中标号名称 ： 1、 风叶。2、 外壳。3、 永磁型径向磁悬浮轴承 A 转子。4、 电磁永 磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 A。5、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 B。6、 发电机转
子。7、 永磁型径向磁悬浮轴承 B 转子。8、 永磁型径向磁悬浮轴承 B 定子。9、 定子轴。10、 发 电机定子。11、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子。12、 永磁型径向磁悬浮轴承 A 定子。 具体实施方式
如图 1 所示， 永磁型径向磁悬浮轴承 A 转子 3、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转 子 A4、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 B5、 发电机转子 6、 永磁型径向磁悬浮轴承 B 转 子 7 均套装在外壳 2 内部， 其外端面均与外壳 2 的内端面接触， 风叶 1 固定在外壳 2 的外端 面上。 其中， 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 A4 位于永磁型径向磁悬浮轴承 A 转子 3、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子 11 之间， 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 B5 位 于发电机转子 6、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子 11 之间， 发电机转子 6 位于永磁型径 向磁悬浮轴承 B 转子 7、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 B5 之间。永磁型径向磁悬浮 轴承 B 定子 8、 发电机定子 10、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子 11、 永磁型径向磁悬浮 轴承 A 定子 12 均套装在定子轴 9 外部， 其内端面均与定子轴 9 的外端面接触。其中， 永磁 型径向磁悬浮轴承 B 定子 8 位于永磁型径向磁悬浮轴承 B 转子 7 内端面形成的轴孔中， 且 永磁型径向磁悬浮轴承 B 定子 8 外端面与永磁型径向磁悬浮轴承 B 转子 7 内端面之间存在 微小气隙 ； 发电机定子 10 位于发电机转子 6 内端面形成的轴孔中， 且发电机定子 10 外端面 与发电机转子 6 内端面之间存在微小气隙 ； 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子 11 位于电 磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 A4、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 B5 之间， 且电 磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子 11 下端面与电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 A4 上 端面之间存在微小气隙， 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承定子 11 上端面与电磁永磁混合 型轴向磁悬浮轴承转子 B5 下端面之间存在微小气隙 ； 永磁型径向磁悬浮轴承 A 定子 12 位 于永磁型径向磁悬浮轴承 A 转子 3 内端面形成的轴孔中， 且永磁型径向磁悬浮轴承 A 定子 12 外端面与永磁型径向磁悬浮轴承 A 转子 3 内端面之间存在微小气隙。
本发明利用永磁型径向磁悬浮轴承 A 转子 3 与永磁型径向磁悬浮轴承 A 定子 12 之间的相互作用、 永磁型径向磁悬浮轴承 B 转子 7 与永磁型径向磁悬浮轴承 B 定子 8 之间 的相互作用实现转子在径向四个自由度上的被动悬浮， 利用电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴 承定子 11 与电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转子 A4、 电磁永磁混合型轴向磁悬浮轴承转 子 B5 之间的相互作用实现转子轴向自由度的主动悬浮。
采用本发明利用风力发电时， 风吹向风叶 1， 风叶 1 带动外壳 2 转动， 外壳 2 带动套 装在其内部的发电机转子 6 旋转， 使发电机定子 10 发出电能。