一种小型微风风力发电设备

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体是涉及到一种小型微风风力发电设备。

背景技术

风能是一种清洁可再生的能源，风力发电受到了世界各地的广泛关注。传统的水平轴发电设备采用了效率低下的齿轮箱、机械轴承和同步发电机，导致风力涡轮机在启动时风速高、机械磨损严重，其利用率非常低。为解决上述问题，目前磁悬浮微风发电机，以中国专利申请“CN106609731A一种磁悬浮微风发电机”为例，采用磁悬浮发电机发电，将风冷转化为电能，但是该风机的固定部分与旋转部分的转动连接不够合理，电机旋转轴与叶片旋转固定在电机固定柱的上端，一方便其旋转部分的固定可靠度存疑，另一方便其相对旋转的损耗也较大，不利于高效风力发电。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种损耗低且结构连接稳定可靠的小型微风风力发电设备。

本发明提供一种小型微风风力发电设备，包括固定轴，转动轴套，磁浮轴承组件、叶片组件和发电机；

所述转动轴套同轴转动设置在所述固定轴上；

所述磁浮轴承组件用于无接触转动连接所述固定轴和转动轴套，包括轴向磁浮轴承以及沿固定轴轴向布置的两个径向磁浮轴承，所述轴向磁浮轴承和径向磁浮轴承的定子与所述固定轴固定连接，转子与所述转动轴套固定连接；

所述叶片组件包括固定在所述转动轴套上的S式风力轮和H型垂直式叶片，所述S式风力轮和H型垂直式叶片设置在两个径向磁浮轴承之间；

所述发电机的转动组件与所述转动轴套固定连接，固定组件与所述固定轴固定连接。

更进一步地，轴向磁浮轴承、其中一个径向磁浮轴承、叶片组件、发电机和另一个径向磁浮轴承沿所述固定轴的上端至下端依次设置，所述轴向磁浮轴承和下方径向磁浮轴承的定子与所述固定轴固定连接。

更进一步地，所述转动轴套在所述固定轴的上端和下端各设置一个，所述S式风力轮的两端分别与两个转动轴套固定连接，所述S式风力轮和两个转动轴套连接为一体。

更进一步地，两个所述转动轴套相对一侧与所述固定轴之间还设置有永磁轴承。

更进一步地，所述发电机的转动组件与所述转动轴套和所述S式风力轮固定连接，所述S式风力轮、发电机的转动组件和两个转动轴套连接为一体。

更进一步地，所述S式风力轮沿固定轴的轴向依次设置有两组，两组所述S式风力轮的叶片相差90°。

更进一步地，所述H型垂直式叶片包括若干个垂直叶片和两组分别设置在S式风力轮两端的支架，每组支架绕固定轴呈环形阵列布置有若干个，一个垂直叶片通过两组对应的支架连接，且所述垂直叶片平行于所述固定轴。

更进一步地，所述轴向磁浮轴承的转子上设置有推力盘，所述轴向磁浮轴承的定子上设置有摩擦盘，所述轴向磁浮轴承的轴向间隙，可调节所述推力盘和摩擦盘的间隙。

更进一步地，还包括用于检测磁浮轴承组件的轴线间隙和径向间隙的传感器。

更进一步地，还包括底座，所述底座与位于下方的径向磁浮轴承的定子固定连接。

本发明的有益效果是，本发明所提供的小型微风风力发电设备，通过轴向磁浮轴承和两个径向磁浮轴承实现叶片组件和固定轴的无接触连接，进而降低风力损耗，降低风机启动难度和提高风机的发电效率，而轴向磁浮轴承和两个径向磁浮轴承中定子和转子与固定轴和转动轴套的配合关系，即轴向磁浮轴承和两个径向磁浮轴承的定子与固定轴固定，转子与转动轴套固定，实现固定轴与转动轴套的转动配合，且轴向磁浮轴承和两个径向磁浮轴承的定子、转动轴套和固定轴依次间隙布置，一方面可以保证轴向磁浮轴承和径向磁浮轴承中定子的固定稳定性，另一方面可以保证和轴向磁浮轴承和径向磁浮轴承中转子和转动轴套的位置相对封闭，同时保证转子和转动轴套的结构轻量化，降低风力损耗。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明的主视图；

附图3为图2中A-A向剖视图；

附图4为图2中B-B向剖视图；

附图5为图2中C处局部剖视图；

附图6为图2中D处局部剖视图；

附图7为本发明中轴向磁浮轴承、径向磁浮轴承和传感器转动部分的结构示意图；

附图8为本发明中径向磁浮轴承转子的结构示意图；

附图9为本发明中传感器转动部分的结构示意图；

附图10为本发明中固定轴和转动轴套部分的结构示意图。

在图中，1-固定轴；2-转动轴套；3-磁浮轴承组件；31-轴向磁浮轴承；311-外壳Ⅱ；312-轴承定子；313-电磁线圈；314-转子铁芯Ⅱ；315-推力盘；316-摩擦盘；32-径向磁浮轴承；321-外壳Ⅰ；322-磁轭；323-定子铁芯；324-磁极线圈；325-转子铁芯Ⅰ；4-叶片组件；41-S式风力轮；42-H型垂直式叶片；421-垂直叶片；422-支架；5-发电机；6-传感器；61-径向测量线圈；62-轴向测量线圈；63-线圈铁芯；64-电路板；65-被测铁芯；7-永磁轴承；71-动磁环；72-静磁环；8-底座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-附图10所示，本发明提供一种小型微风风力发电设备，包括固定轴1，转动轴套2，磁浮轴承组件3、叶片组件4和发电机5；

所述转动轴套2同轴转动设置在所述固定轴1上，即转动轴套2呈圆筒结构，并套设在固定轴1的外部；

所述磁浮轴承组件3用于无接触转动连接所述固定轴1和转动轴套2，包括轴向磁浮轴承31以及沿固定轴1轴向布置的两个径向磁浮轴承32，所述轴向磁浮轴承31和径向磁浮轴承32的定子与所述固定轴1固定连接，转子与所述转动轴套2固定连接，轴向磁浮轴承31和径向磁浮轴承32的定子均为外圈及其电磁铁组件，转子均为固定在转动轴套2上的铁芯组件，由于转动轴套2设置在固定轴1的外部，而轴向磁浮轴承31和径向磁浮轴承32的定子设置在转动轴套2的外部，因此，轴向磁浮轴承31和径向磁浮轴承32的定子与固定轴1的端部固定连接，呈包围结构包住转动轴套2，即固定轴1以及轴向磁浮轴承31和径向磁浮轴承32的定子的截面形状呈倒“山”字型结构，且为回转体结构，转动轴套2套设在回转体的倒“山”字型的圆弧槽内；

其中两个沿固定轴1轴向布置的两个径向磁浮轴承32用于保证转动轴套2在固定轴1上的径向无接触转动，轴向磁浮轴承31用于实现转动轴套2在固定轴1上的轴向无接触转动，进而实现在磁浮轴承组件3工作悬浮时，转动轴套2相对于固定轴1的无接触传动，在磁浮轴承组件3不工作悬浮时，整个悬浮部分由轴向磁浮轴承31的推力盘315搭设在轴向磁浮轴承31的轴承定子312上，由于轴承定子312是固定在固定轴1上的，因此整个悬浮部分搭设在固定轴1上。

所述叶片组件4包括固定在所述转动轴套2上的S式风力轮41和H型垂直式叶片42，所述S式风力轮41和H型垂直式叶片42设置在两个径向磁浮轴承32之间，叶片组件4固定在转动轴套2上，可以使叶片组件4无接触相对于固定轴1进行转动，实现叶片组件4驱动磁浮轴套2的转动，其中，叶片组件4包括S式风力轮41和H型垂直式叶片42，H型垂直式叶片42在启动时获得的转矩较低，没有很好的自启动能力，但是叶尖速比可以很高，在相同制造成本和风机重量下，有较高的功率输出，而S式风力轮41与H型垂直式叶片42相比，启动风速和启动转速可以很小，但是由于其风轮结构的特性，其最大风能转换率偏低，一般低于25％，不能用于大型的风力发电，本发明将S式风力轮41和H型垂直式叶片42进行结合，可以通过S式风力轮41实现微风启动，通过H型垂直式叶片42实现微风发电；

所述发电机5的转动组件与所述转动轴套2固定连接，固定组件与所述固定轴1固定连接，进而在叶片组件4驱动转动轴套2转动后，转动轴套2带动发电机5的转动组件转动，进而驱动发电机5发电。

本发明所提供的小型微风风力发电设备，通过轴向磁浮轴承31和两个径向磁浮轴承32实现叶片组件4和固定轴1的无接触连接，进而降低风力损耗，降低风机启动难度和提高风机的发电效率，而轴向磁浮轴承31和两个径向磁浮轴承32中定子和转子与固定轴1和转动轴套2的配合关系，即轴向磁浮轴承31和两个径向磁浮轴承32的定子与固定轴1固定，转子与转动轴套2固定，实现固定轴1与转动轴套2的转动配合，且轴向磁浮轴承31和两个径向磁浮轴承32的定子、转动轴套2和固定轴1依次间隙布置，一方面可以保证轴向磁浮轴承31和径向磁浮轴承32中定子的固定稳定性，另一方面可以保证和轴向磁浮轴承31和径向磁浮轴承32中转子和转动轴套2的位置相对封闭，同时保证转子和转动轴套2的结构轻量化，降低风力损耗。

其中，径向磁浮轴承32包括定子和转子，定子包括外壳Ⅰ321以及设置在外壳Ⅰ321内的磁轭322、设置在磁轭322上的多个定子铁芯323以及绕设在定子铁芯323上的磁极线圈324，转子包括固定在转动轴套2外圈的转子铁芯Ⅰ325；

轴向磁浮轴承31包括定子和转子，定子包括外壳Ⅱ311以及设置在外壳Ⅱ311内的轴承定子312和电磁线圈313，转子包括固定在转动轴套2外圈的转子铁芯Ⅱ314，其中，摩擦盘316设置在轴承定子312上，推力盘315设置在转子铁芯Ⅱ314上。

在其中一个实施例中，轴向磁浮轴承31、其中一个径向磁浮轴承32、叶片组件4、发电机5和另一个径向磁浮轴承32沿所述固定轴1的上端至下端依次设置，所述轴向磁浮轴承31和下方径向磁浮轴承32的定子与所述固定轴1固定连接，即轴向磁浮轴承31的定子以及下方径向磁浮轴承32的定子分别与固定轴1的上端和下端固定连接，进而实现其它部件与固定轴1的转动配合，而上方径向磁浮轴承32的定子与轴向磁浮轴承31的定子固定连接，通过轴向磁浮轴承31的定子与固定轴1间接固定。

在其中一个实施例中，所述转动轴套2在所述固定轴1的上端和下端各设置一个，所述S式风力轮41的两端分别与两个转动轴套2固定连接，所述S式风力轮41和两个转动轴套2连接为一体，本实施例中，S式风力轮41和两个转动轴套2连接为一体作为转动部分，可以减小转动轴套2的重量，进一步降低对风力的损耗，简化风力启动难度和提高发电效率。

在其中一个实施例中，两个所述转动轴套2相对一侧与所述固定轴1之间还设置有永磁轴承7，永磁轴承7可以降低磁浮轴承组件3的支撑负担，永磁轴承7是利用永磁体产生的磁场力将转子磁浮起来，永磁轴承可同时被用做径向轴承和轴向轴承，两种轴承都可以采用吸力型或斥力型。本设备中为了提高磁浮刚度，特选用斥力型永磁轴承，选用轴承磁化斥力型多环叠加被动磁轴承由动磁环71、静磁环72构成，其中动磁环71固定在转动轴套2的内圈，静磁环72固定在固定轴1上，磁化方向为轴向充磁。本实施例，在安装永磁轴承7时，可以将径向永磁轴承7的的动磁环71、静磁环72在轴向偏移一定的位置，此时永磁轴承7在径向可提供径向支撑力、轴向可提供轴向支撑力，进一步降低磁浮轴承组件3的支撑负担。

在其中一个实施例中，所述发电机5的转动组件与所述转动轴套2和所述S式风力轮41固定连接，所述S式风力轮41、发电机5的转动组件和两个转动轴套2连接为一体，在其中一个实施例中，发电机5优选采用永磁同步电机，考虑到微风磁磁浮风力发电机的结构形式，即发电机5的转动组件与叶片组件4需保持同样的旋转自由度，因此选用外转子盘式永磁发电机，交流发电机5的转动组件由具有交替极性的磁体组成—N S N S，依此类推，并且线圈的尺寸应使两条腿之间的距离等于两个并排磁体之间的距离。此发电机5产生的电压和电流取决于磁体的强度、线圈中的导线匝数、线圈和磁体之间的距离以及磁体通过线圈的速度，由线圈和磁铁组成的交流发电机输出的电压是交流电(AC)，每当线圈经过磁铁时，电流的方向就会改变。其额定功率可达2kW，额定电压为48V/96V，额定转速为500rpm。

发电机5的转动组件与发电机5的外壳相对固定，此时，位于上方的转动轴套2、S式风力轮41、发电机5的转动组件和位于下方的转动轴套2连接为一体作为转动部分，且其设置在两个径向磁浮轴承32的定子之间。

在其中一个实施例中，所述S式风力轮41沿固定轴1的轴向依次设置有两组，两组所述S式风力轮41的叶片相差90°，可以在风机顶部利用S式风力轮41在低风速下仍具有较大启动转矩的优势带动转动轴套2先转动。由两组互差90°角的S型叶片共垂直轴叠放而成，每组叶片由两个半圆柱面型桨叶构成。两组四桨叶的设计保证不同风向的充分采集在低风速非集中风向的情况下S式风力轮41能够自启动从而带动下部H型风叶的旋转。

在其中一个实施例中，所述H型垂直式叶片42包括若干个垂直叶片421和两组分别设置在S式风力轮41两端的支架422，每组支架422绕固定轴1呈环形阵列布置有若干个，一个垂直叶片421通过两组对应的支架422连接，且所述垂直叶片421平行于所述固定轴1，本实施中，H型垂直式叶片42通过支架422固定在S式风力轮41上，而不是直接安装在转动轴套2上，进而进一步简化转动轴套2的结构，提高H型垂直式叶片42的固定可靠性。

在其中一个实施例中，所述S式风力轮41的进风口在两个垂直叶片421之间，进而避免H型垂直式叶片42影响到S式风力轮41的风力。

在其中一个实施例中，所述轴向磁浮轴承31的转子上设置有推力盘315，所述轴向磁浮轴承31的定子上设置有摩擦盘316，所述轴向磁浮轴承31的轴向间隙，可调节所述推力盘315和摩擦盘316的间隙，本实施例中，轴向磁浮轴承31可以作为制动器使用，在需要对风力发电设备进行制动时，均需调节轴向磁浮轴承31的轴向间隙，使推力盘315和摩擦盘316相互摩擦制动，提供设备检修和维护的安全性能。

在其中一个实施例中，还包括用于检测磁浮轴承组件3的轴线间隙和径向间隙的传感器6，传感器6优选与径向磁浮轴承32一体设置，即由径向测量线圈61、轴向测量线圈62、线圈铁芯63、电路板64和被测铁芯65组成，被测铁芯65设置在转动轴套2的外圈。传感器6可测量径向(X、Y向)和轴向(Z向)位置，输出径向位置信号和轴向位置信号。

在其中一个实施例中，还包括底座8，所述底座8与位于下方的径向磁浮轴承32的定子固定连接，底座8用于支撑整个风力发电设备，其通过径向磁浮轴承32的定子与固定轴1固定连接。

以上所述，仅是本实施例，并非对本发明做任何限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动、修饰或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。