專利名稱：一種永磁(變阻)風力發電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發電機，特別是一種風力發電機。
背景技術：
由于風能功率隨風速的立方變化，所以風機的輸出功率隨風速變化的范圍很大。風能的這一特性，使風力發電機在切入風速和切出風速的發電功率相差數千倍、頻率變化達近百倍。
目前的風力發電機都運行在設計的額定功率以下，風力發電機的額定功率通常對應額定風速；當風速大于額定風速時，風機的控制系統使風翼的狀態變化以便“溢出”部分風能，使得風力發電機運行在額定功率下，以避免燒壞發電機。這時“溢出”的風能未被利用。可見將額定風速設計為切出風速，風能利用程度最大。但是大的額定風速對應大的發電機額定功率，使發電機啟動阻力矩增大、切入風速提高，并且當風速低于額定風速時的風力發電效率降低。
另一方面，風機通過增速齒輪提高發電機的轉速是現在制造風力發電機組通常采用的方式，它的缺點是增大了發電機的驅動力矩，降低了風能利用效率。
發明內容
本發明的目的是設計一種永磁(變阻)風力發電機，它既能改變發電機的磁阻力以匹配風能的變化和調制發電頻率，從而提高風力發電效率和降低恒頻控制的成本。還能用相對小的永磁體實現直驅多極的大直徑電樞發電機，降低發電機的驅動力矩。
本發明的目的可以通過采用以下設計方案來實現一種發電機，它主要由永磁定子1、轉子2、電樞定子3、軸承4和殼體13組成，所述永磁定子1主要由永磁體組件、主軸5和連接件組成，所述轉子2主要由小電樞8、電磁體9、整流器11、端板10和結構支撐件25組成，所述電樞定子3主要由大電樞12、端板14和結構支撐件26組成，所述永磁體組件至少由一個磁體6組成，所述磁體6由永磁體15和軛鐵16組成，所述的小電樞8由鐵心17和電樞繞組18組成、電磁體9由軛鐵19和勵磁繞組20組成、大電樞12由鐵心21和電樞繞組22組成，所述轉子2的端板10與所述軸承4的外圓連接、軸承4的內圓與所述主軸5連接，所述電樞定子3的端板14與所述主軸5固連，所述連接件可以是起移動性連接作用的行程驅動器7，所述磁體6上設有至少一個驅動器7，磁體6通過驅動器7與主軸5連接，其主要特點是，通過驅動器7驅動的所述磁體6產生相對于主軸5的移動、磁體6與小電樞8之間可以發生相對位移。所述磁體6通過驅動器7產生相對于主軸5的移動方式有兩種一種是所述磁體6通過軸向的驅動器7沿所述主軸5的軸向移動，另一種是所述磁體6通過徑向的驅動器7沿所述主軸5的經向移動。
所述連接件也可以是起固定性連接作用的端板24，端板24的內端與主軸5固連、外端與磁體6固連，磁體6至少連接一個端板24，其主要特點是，作為永磁勵磁體的磁體6和作為發電電樞的大電樞12均為定子、在結構上沒有(在通常永磁發電機里存在)磁體6直徑與大電樞12直徑之間的尺寸約束或限制關系。
所述電樞定子3中的大電樞12的位置，可置于電磁體9的外面、也可置于電磁體9的里面，前者的大電樞12由鐵心21n和電樞繞組22組成、電磁體9由軛鐵19w和勵磁繞組20組成，后者的大電樞12由鐵心21w和電樞繞組22組成、電磁體9由軛鐵19n和勵磁繞組20組成。
所述轉子2中的小電樞8與電磁體9之間的相對位置設置，可以是同心軸向互相交疊、也可以是同心軸向互相不交疊。換句話說，小電樞8與電磁體9之間的相對位置設置，可設置在同層、也可設置在不同層。
在所述整流器11與小電樞8之間串接導向開關33、在主軸5上設置導電滑環34，其特點是，當開關33接通整流器11時，本發電機通過電樞定子3的大電樞12發電；當開關33接通滑環34時，本發電機通過轉子2的小電樞8發電、并通過滑環34輸出。導向開關33也可以串接在所述電磁體9與整流器11之間，當開關33接通滑環34時輸出的是直流電。由于導向開關33設置在轉子2上，可以通過設在定子上的無線遙控器控制開關33的導向。
當所述導向開關33接通滑環34時，本發電機的功能成為一個單純的永磁變阻發電機，相當于其特征是由軸承4、主軸5、磁體6、驅動器7、小電樞8、端板10和殼體13組成的，由軸承4的內圓與主軸5連接、軸承4的外圓與端板10的內端連接、端板10的外端與殼體13連接、小電樞8固連在兩個端板10之間構成的，由至少一個驅動器7使磁體6位移控制其磁阻、頻率、功率變化的永磁發電機。
所述永磁體組件可以由1至320個磁體6組成。
所述磁體6的形狀可以是圓弧狀的、也可以是圓環狀的。
本發明的有益效果是，可以根據額定功率和風機的驅動機構確定磁體6和電樞12的直徑而無其它約束或限制，可用相對小的永磁體勵磁產生相對大發電功率、可實現直驅式永磁多極發電機的大直徑電樞要求而永磁體用量少，通過驅動器7可以控制定子與轉子間的電磁感應強度來改變發電機的磁阻力、發電功率和發電頻率，匹配風機功率與發電機功率，從而達到提高風力發電效率和降低恒頻控制成本的目的。當風速小得不足以使大電樞12發電時，將導向開關33切換到導電滑環34上，這時的電磁感應僅存在于永磁定子1與小電樞8之間、磁阻力有大的降低，這時由于相當大的風輪帶動相對小功率的發電機，因此本發明的發電機在小風甚至微分下仍能發電。
圖1是本發明的主要組件示意圖。
圖2是本發明的一種永磁定子的結構示意圖。
圖3是圖2的俯視圖。
圖4是本發明的另一種永磁定子的結構示意圖。
圖5是圖4的F-F截面圖。
圖6是本發明的一種轉子的結構示意圖。
圖7是圖6的A-A截面圖。
圖8是本發明的一種電樞定子的結構示意圖。
圖9是圖8的B-B截面圖。
圖10是本發明的一種永磁體組件的結構示意圖。
圖11是圖10的俯視圖。
圖12是本發明的一種電磁體的垂直軸向截面的結構示意圖。
圖13是本發明的另一種電磁體的垂直軸向截面的結構示意圖。
圖14是本發明的一種大電樞的垂直軸向截面的結構示意圖。
圖15是本發明的另一種大電樞的垂直軸向截面的結構示意圖。
圖16是本發明的一種小電樞的垂直軸向截面的結構示意圖。
圖17是本發明實施例一的結構示意圖。
圖18是本發明實施例二的結構示意圖。
圖19是圖18的C-C截面圖。
圖20是本發明實施例三的結構示意圖。
圖21是本發明實施例四的結構示意圖。
圖22是本發明實施例五的結構示意圖。
圖23是本發明實施例六的結構示意圖。
圖24是本發明實施例七的結構示意圖。
圖25是本發明實施例八的結構示意圖。
圖26是本發明實施例九的結構示意圖。
圖27是圖26的D-D截面圖。
圖28是本發明實施例十的結構示意圖。
圖29是圖28的E-E截面圖。
圖30是本發明實施例十一的結構示意圖。
圖31是本發明的一種永磁體組件與主軸之間的連接端板的結構示意圖。
圖32是本發明的另一種永磁體組件與主軸之間的連接端板的結構示意圖。
圖33是本發明的一種徑向行程驅動器的結構示意圖。
圖34是本發明的一種軸向行程驅動器的結構示意圖。
圖35是圖34的俯視圖。
圖36是是本發明的另一種軸向行程驅動器的結構示意圖。
圖37是圖36的俯視圖。
具體實施方案下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述圖1至圖16是本發明的主要組件及其結構示意圖。圖1示出本發明的發電機由永磁定子1、轉子2、電樞定子3、軸承4和殼體13組成，圖2和圖3示出一種由主軸5、四個圓弧狀的磁體6和八個徑向行程驅動器7組成的永磁定子1的結構示意圖，圖4和圖5示出另一種由主軸5、一個圓環狀磁體6和兩個端板24組成的永磁定子1的結構示意圖，圖6和圖7所示一種由小電樞8、電磁體9、整流器11和端板10組成的轉子2的結構示意圖，圖8和圖9所示一種由大電樞12、端板14和結構支撐件26組成的電樞定子3的結構示意圖，圖10和圖11示出一種由永磁體15和軛鐵16組成的圓環狀磁體6的結構示意圖，圖12和圖13是兩種電磁體9的結構示意圖，圖14和圖15是兩種大電樞12的結構示意圖，圖16是一種由鐵心17和電樞繞組18組成的小電樞8的結構示意圖。
圖17至圖30是本發明的十一個實施例的結構示意圖。圖17至圖20和圖23所示的四個實施例中的永磁定子1均由主軸5、一個圓環狀磁體6和一個軸向驅動器7組成，磁體6在驅動器7的驅動控制下，可以沿主軸5的軸向在圖中所示的實線位置(6和7)與虛線位置(6′和7′)之間的任何位置上移動或停止；圖21和圖22的兩個實施例中的永磁定子1均由主軸5、兩個圓環狀磁體6和兩個軸向驅動器7組成，兩個磁體6在各自連接的驅動器7協同控制下、互為反向沿主軸5的軸向在圖中所示的實線位置(6和7)與虛線位置(6′和7′)之間的任何位置上移動或停止；圖24所示實施例七的永磁定子1由主軸5、兩個圓環狀磁體6和兩個由圖36和圖37所示的軸向驅動器7組成，兩個磁體6同時連接在兩端帶反向螺紋的兩個驅動器7上、互為反向沿主軸5的軸向在圖中所示的實線位置(6和7)與虛線位置(6′和7′)之間的任何位置上移動或停止，圖26和圖27所示的實施例九的永磁定子1由主軸5、八個圓弧狀磁體6和十六個徑向驅動器7組成，每個磁體6連接兩個徑向驅動器7，八個磁體6在各自連接的驅動器7協同控制下、沿主軸5的徑向在圖中所示的實線位置(6)與虛線位置(6′)之間的任何位置上移動或停止，圖25、圖28和圖29所示兩個實施例的永磁定子1均由主軸5、一個圓環狀磁體6和兩個端板24組成，在圖23、圖28和圖29所示兩個實施例的永磁定子1中的主軸5上還設有導電滑環34；圖17、圖23、圖25至圖27所示四個實施例中的電樞定子3均由大電樞12、端板14、兩個結構支撐件26和殼體13組成，圖21、圖24、圖18和圖19所示三個實施例中的電樞定子3均由大電樞12、端板14、兩個結構支撐件26和殼體13a組成，圖20所示實施例三的電樞定子3由大電樞12、端板14a和端板14b組成，圖22、圖28和圖29所示兩個實施例的電樞定子3都由大電樞12和端板14組成；圖17所示實施例一的轉子2由小電樞8、電磁體9、端板10a、端板10b、整流器11和結構支撐件25組成，圖21、圖18和圖19所示的兩個實施例的轉子2由小電樞8、電磁體9、端板10a、端板10b、整流器11、結構支撐件25a、結構支撐件25b和殼體13b組成，圖20所示實施例三的轉子2由小電樞8、電磁體9、端板10a、端板10b、整流器11、結構支撐件25、殼體13a和殼體13b組成，圖22所示實施例五的轉子2由小電樞8、電磁體9、兩個端板10、整流器11、結構支撐件25a、結構支撐件25b和殼體13組成，圖23、圖25至圖29所示的四個實施例的轉子2均由小電樞8、電磁體9、兩個端板10和整流器11組成、其中圖23、圖28和圖29所示兩個實施例的轉子2中還設有導向開關33，圖24所示實施例七的轉子2由小電樞8、電磁體9、端板10a、端板10b、整流器11、結構支撐件25a、結構支撐件25b、結構支撐件25c和殼體13b組成。圖30所示的實施例十一是一種由本發明中的含有驅動器7的永磁定子1、軸承4、殼體13和轉子2中的小電樞8與兩個端板10組成的單純永磁變阻發電機的結構示意圖，實施例十一具有上述本發明的含有驅動器7的發電機的核心特征，這反映在兩個方面一是部件特征，組成實施例十一所示發電機的所有部件均是構成本發明的部件；二是功能特征，由主軸5、一個圓環狀磁體6和一個軸向行程驅動器7組成的組合體，磁體6在驅動器7的驅動控制下，可以沿主軸5的軸向在圖中所示的實線位置(6和7)與虛線位置(6′和7′)之間的任何位置上移動或停止，具有改變磁阻的功能；當圖23所示實施例六中的導向開關33接通導電滑環34時，它在的功能上就等同于圖30所示的實施例十一。
本發明的實施例中轉子2的小電樞8與電磁體9使用了兩種設置方式圖18和圖19、圖21至圖29所示八個實施例中轉子2的小電樞8都是與電磁體9軸向互相交疊設置的、而圖17和圖20所示兩個實施例中轉子2的小電樞8都是與電磁體9軸向互相不交疊設置的。
本發明的實施例中使用了兩種電磁體9和兩種大電樞12在圖20、圖28和圖29所示的實施例中，使用的電磁體9是由圖13所示的軛鐵19n和勵磁繞組20組成的、使用的大電樞12是由圖14所示的鐵心21w和電樞繞組22組成的，這兩個實施例的轉子2在電樞定子3的外面，形成外轉子發電機；圖17至圖19、圖21至圖27所示的八個實施例的轉子2在電樞定子3的里面，它們使用的電磁體9由圖12所示的軛鐵19w和勵磁繞組20組成、使用的大電樞12由圖15所示的鐵心21n和電樞繞組22組成。
本發明的實施例中使用了三種驅動器7圖33所示的驅動器7a是一種徑向行程驅動器，它由行程桿27、機殼30和電機31組成，行程桿27的外端與磁體6連接、機殼30的底端與主軸5固連，通過電機32驅動，行程桿27可以相對于機殼30伸縮，在圖26和圖27所示的實施例九中，使用的驅動器7就是這種類型的徑向行程驅動器；圖34和圖35所示的驅動器7b是一種軸向行程驅動器，它由一個套軸式直線電機29和八個連臂28組成，連臂28的兩端分別與直線電機29和磁體6連接，通過直線電機29的驅動，磁體6可以沿主軸5的軸向移動，在圖17至圖23和圖30所示的實施例中，使用的驅動器7就是這種軸向行程驅動器；圖36和圖37所示的驅動器7c是一種連接在主軸5上的軸向行程驅動器，它由軸座32、傳動螺桿35、行程滑塊36和電機37組成，軸座19和電機22與主軸5連接、行程滑塊36與磁體6連接，通過電機37驅動傳動螺桿35旋轉，使行程滑塊36移動，在圖24所示的實施例七中，使用的驅動器7就是這類的軸向行程驅動器。
本發明的實施例中使用了兩種磁體6與主軸5之間的連接端板24圖31所示的端板24a是圓環狀的，它的內端與主軸5連接、外端與磁體6連接，在圖25所示的實施例八中，使用的端板24就是這類連接件；圖32所示的端板24b是內圓外十字形的，它的內圓與主軸5連接、外十字與磁體6連接，在圖28和圖29所示的實施例十中，使用的端板24就是這類連接件。
權利要求
1.一種發電機，它由永磁定子(1)、轉子(2)、電樞定子(3)、軸承(4)和殼體(13)組成，其特征在于所述永磁定子(1)由永磁體組件、主軸(5)和連接件組成，所述轉子(2)由小電樞(8)、電磁體(9)、整流器(11)、端板(10)和結構支撐件(25)組成，所述電樞定子(3)由大電樞(12)、端板(14)和結構支撐件(26)組成，所述永磁體組件至少由一個磁體(6)組成，磁體(6)由永磁體(15)和軛鐵(16)組成，所述小電樞(8)由鐵心(17)和電樞繞組(18)組成，所述端板(10)與所述軸承(4)的外圓連接、軸承(4)的內圓與所述主軸(5)連接，所述端板(14)與所述主軸(5)固連，所述連接件是起移動性連接作用的行程驅動器(7)，磁體(6)上設有至少一個驅動器(7)，磁體(6)通過驅動器(7)與主軸(5)連接，驅動器(7)驅動磁體(6)產生相對于主軸(5)的移動，磁體(6)與小電樞(8)之間可以發生相對位移。
2.根據權利要求1所述的發電機，其特征在于永磁定子(1)中的所述連接件是起固定性連接作用的端板(24)，端板(24)的內端與主軸(5)連接、端板(24)的外端與磁體(6)連接，磁體(6)至少連接一個端板(24)。
3.根據權利要求1所述的發電機，其特征在于由軸承(4)、主軸(5)、磁體(6)、驅動器(7)、小電樞(8)、端板(10)和殼體(13)組成的，由軸承(4)的內圓與主軸(5)連接、軸承(4)的外圓與端板(10)的內端連接、端板(10)的外端與殼體(13)連接、小電樞(8)固連在兩個端板(10)之間構成的，由至少一個驅動器(7)使磁體(6)位移控制其磁阻、頻率、功率變化的永磁發電機。
4.根據權利要求1和權利要求2所述的發電機，其特征在于所述電樞定子(3)中的大電樞(12)可設置在轉子(2)中的電磁體(9)外面、也可設置在電磁體(9)里面，前者的大電樞(12)由鐵心(21n)和電樞繞組(22)組成、電磁體(9)由軛鐵(19w)和勵磁繞組(20)組成，后者的大電樞(12)由鐵心(21w)和電樞繞組(22)組成、電磁體(9)由軛鐵(19n)和勵磁繞組(20)組成。
5.根據權利要求1和權利要求2所述的發電機，其特征在于所述轉子(2)中的小電樞(8)與電磁體(9)之間的相對位置，可以設置成同心軸向互相交疊、也可以設置成同心軸向互相不交疊。
6.根據權利要求1、權利要求2和權利要求3所述的發電機，其特征在于所述永磁體組件可以由1至320個磁體(6)組成。
7.根據權利要求1、權利要求2和權利要求3所述的發電機，其特征在于所述磁體(6)的形狀可以是圓弧狀的、也可以是圓環狀的。
8.根據權利要求1和權利要求3所述的發電機，其特征在于所述磁體(6)上可以設有1至16個驅動器(7)。
9.根據權利要求1和權利要求3所述的發電機，其特征在于驅動器(7)可以是軸向行程驅動器、也可以是徑向行程驅動器。
10.根據權利要求3所述的發電機，其特征在于動力可以通過主軸(5)輸入發電機、也可以通過端板(10)輸入發電機，前者磁體(6)為轉子、小電樞(8)為定子，后者磁體(6)為定子、小電樞(8)為轉子。
全文摘要
本發明公開了一種風力永磁(變阻)發電機，其特點是通過驅動器，轉子與定子之間可以發生相對位移，因此可以控制它們之間電磁感應量、改變發電機的磁阻、發電功率、控制發電機定子與轉子之間的作用力矩和調制發電頻率，以匹配風能功率和發電機功率，從而提高風力發電效率，特別是低速風力發電效率和降低恒頻控制的成本。另外，可以用相對小永磁體勵磁，產生相對大的發電功率，可實現直驅多極發電機的大直徑電樞要求而永磁體用量少。
文檔編號H02K1/17GK1967977SQ20051012522
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月19日 優先權日2005年11月19日
發明者李鋒, 龐兵, 程鈺, 張全德 申請人:李鋒