[发明专利]外转子结构的五自由度全悬浮垂直轴风力发电机

说明书

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，磁悬浮轴承可分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。