[发明专利]一种五自由度磁悬浮水平轴直驱式风力发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种水平轴直驱式风力发电机，具体是一种五自由度磁悬浮水平轴直驱式风力发电机，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1×10⁹kW，其中，陆地上风能储量约为2.53×10⁸kW（离地10m高度），海上可开发和利用的风能储量约为7.5×10⁸kW。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。

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，根据偏置磁场建立方式的不同，主动型磁悬浮轴承可分为电磁偏置型与永磁偏置型两种。永磁偏置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。

在现有的全永磁型磁悬浮风力发电机中，风力发电机的转子无法实现五个自由度的全部悬浮，因此风机中转动部分与非转动部分之间的机械摩擦并未彻底消除，无法进一步降低切入风速。

若要实现风力发电机转子的五自由度悬浮，则所采用的支承系统同中必须有主动型磁悬浮轴承的存在，若采用电磁偏置型磁悬浮轴承，会带来较大的能量损耗，此外，若在多个自由度采用主动型磁悬浮轴承，则会增加控制系统的规模，导致磁悬浮轴承系统的使用和运行成本较高。

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、起动风速低的五自由度磁悬浮水平轴直驱式风力发电机。

本发明包括外壳，分别位于外壳左端和右端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，安装在外壳内壁上的永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子及发电机定子，发电机定子位于永磁型径向磁悬浮轴承A定子与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子之间；主轴上设置有永磁型径向磁悬浮轴承A转子、发电机转子、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子B、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子A、永磁型径向磁悬浮轴承B转子；永磁型径向磁悬浮轴承A转子位于永磁型径向磁悬浮轴承A定子内，发电机转子位于发电机定子内，永磁型径向磁悬浮轴承B转子位于永磁型径向磁悬浮轴承B定子内，永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子位于永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子A及永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子B之间；主轴的两端分别从外壳的左端和右端伸出，其一端端部安装有风叶。

上述永磁型径向磁悬浮轴承A定子内端面与永磁型径向磁悬浮轴承A转子外端面之间、发电机定子内端面与发电机转子外端面之间、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子左端面与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子B右端面之间、永磁偏置型轴向磁悬浮轴承定子右端面与永磁偏置型轴向磁悬浮轴承转子A左端面之间、永磁型径向磁悬浮轴承B定子内端面与永磁型径向磁悬浮轴承B转子外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。

基于上述结构，本发明的磁悬浮风力发电机具有以下优点：