[发明专利]一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组

说明书

本发明涉及一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组，包括固定轴、悬浮轴、上端电磁铁、中端电磁铁、下端电磁铁、拉线式位移传感器、固定轴容腔和缓冲装置；固定轴上端设置有固定轴容腔，悬浮轴下端与固定轴容腔通过键连接；中端电磁铁设置在悬浮轴上，中端电磁铁上表面为N极、下表面为S极；上端电磁铁和下端电磁铁均设置在塔架上，上端电磁铁和下端电磁铁上表面均为S极、下表面均为N极；固定轴容腔内底上设置有缓冲装置；下端电磁铁与中端电磁铁之间设置有拉线式位移传感器，其将下端电磁铁与中端电磁铁之间的距离转化为控制信号，控制上端电磁铁和下端电磁铁电流。本发明控制简单、机械强度高、解决了大功率垂直轴风力发电机组启动困难。

技术领域

本发明涉及一种传动轴结构及风力发电机组，特别是涉及一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组。

背景技术

随着社会和经济的发展，当前世界性的能源和环境问题愈发突出。为了实现人类社会未来的可持续发展与解决化石能源带来的环境问题，以风能为主的可再生能源逐步取代不可再生的矿物燃料能源已经成为未来发展的趋势。虽然传统风力发电机具有清洁、环境效益好、装机规模灵活、技术相对成熟等优点，但是其使用的传统机械轴承由于转动产生的摩擦、噪音与振动，将导致风力发电机组存在噪声大、启动风速大、有摩擦损耗、整机效率低、寿命短等缺点。

针对以上问题，在风轮机确定的前提下，如何减小轴承摩擦力，成为改善风力发电机组性能的关键技术之一。近年来，人们利用磁悬浮现象研制出了磁悬浮轴承，即利用磁力将转子悬浮于空间，不需要机械接触而实现承载的非接触式支撑装置。由于磁悬浮轴承定、转子之间没有接触，应用磁悬浮轴承的电机具有无噪声、启动风速最低可低至0.8m/s、无摩擦损耗、稳定可控、无需润滑和密封等优点。但是若采用定转子之间完全无机械接触的磁悬浮轴承，必须在五个自由度上对转子施加控制力，而且需要解决五个自由度上磁轴承的相对磁力控制，尤其是止推轴承与其它四个方向上的轴承之间的配合，从而使转子在悬浮空间内的位置保持平衡且稳定。由此产生的磁力控制问题相对复杂，而且造价昂贵，限制了五自由度磁悬浮轴承的发展。除此之外，完全无接触的磁悬浮轴承在磁悬浮装置发生故障时，由于没有机械结构支撑，悬浮轴会在重力作用下坠落，将造成发电机本体的损坏。

随着风力发电技术的快速发展，风力发电机组的容量不断增大，现在大型风力发电机组功率已由MW级上升到10MW级，巨大的风轮机启动变得更加困难了。因此，本发明针对大功率垂直轴风力发电机组，考虑能否采用磁悬浮技术，减小轴承承受的风轮机和传动轴的重力。从减小轴承摩擦力的方面入手，使用一定的机械结构，将轴承限制在沿垂直轴方向移动这一个自由度上，使控制方法简化的同时还能兼顾减小摩擦、噪声以及启动风速等优点。而且在磁悬浮装置发生故障时还能在机械结构支撑下正常运行。

在垂直轴磁悬浮风力发电机方面，很多专利都有效克服了传统风力发电机的缺点，但是它们都具有严重的缺陷。例如中国专利公开号CN102904491、名称为“盘式磁悬浮外转子型垂直轴风力发电机组”，由于其吸力型结构特点，必须非常准确地计算出磁铁吸力等于风轮机与转子的重力之和，而且吸力大小与距离也有关。此种结构没有控制模块无法调节永磁体吸力大小，在加工安装时难以实现，稍有误差便使发电机无法正常工作。对于中国专利公开号CN103166534A、名称为“磁悬浮转子发电机”，中国专利公开号CN106286593A、名称为“一种磁悬浮主轴结构及发电机组”，二者的结构由于定转子分离，上下会有相对运动，所以均需要严格保证悬浮部分重力和磁力相等；但是由于剪切风的存在，二者的悬浮转子均会有上下浮动的情况发生，定、转子错位会导致发出的电流畸变，影响电能质量；此外，对于后者所使用的φ型风轮机需要相应的拉索等固定结构，拉索会对悬浮轴产生向下的力，该拉力与永磁体磁力相抵消，磁悬浮效果大大降低。

发明内容

针对上述现有技术，本发明解决的技术问题是提供一种控制简单、机械强度高、解决大功率垂直轴风力发电机组启动困难的一种磁悬浮分离传动轴结构及垂直轴风力发电机组。