[发明专利]全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴

说明书

技术领域

本发明涉及垂直轴风力机和磁悬浮技术等领域，具体涉及一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴。

背景技术

垂直轴风力机除了在世界上少数地区建立了试验性风场外，目前仍没有大规模的推广，但其优越的空气动力学性能越来越引起各国研究人员的重视。

自启动性低是垂直轴风力机的主要不足之一。要提高垂直轴风力机的性能，必须采取有效措施克服这一不足。考虑到磁悬浮支承具有无机械摩擦，无接触磨损，无需润滑，运行噪音小，刚度可控等优点，用于垂直轴风力机主轴结构系统，可以降低主轴静态粘滞阻力转矩，改善自启动能力，消除机械磨损损耗，提高机电转换效率。

据此，一些学者提出采用电磁轴承替代传统机械支撑轴承的方法来设计风力机主轴，如吴国庆等人在专利CN101532471中提出的“磁悬浮垂直涡轮风力发电机”、张广明等人在专利CN102182624中提出的“一种五自由度磁悬浮水平轴直驱式风力发电机”等。电磁轴承应用的基本要求是必须配备位置闭环反馈控制电路及系统，由此形成的此类磁悬浮风力机的优点是：磁力调节速度快，悬浮气隙恒定，抗风力扰动能力强。但其缺点是：闭环反馈电控系统复杂，电路硬件投入和运行维护成本高，故障率高，且长期消耗电能，总电功耗大。

为了克服上述电磁轴承型磁悬浮风力机的缺点，一些学者提出采用永磁轴承替代传统机械支撑轴承的方法来设计风力机，如李国坤等人在专利CN101034861中提出的“全永磁悬浮风力发电机”、刘骁等人在专利CN1948746中提出的“立式全磁悬浮风力发电机”等。永磁轴承无需外围辅助控制电路，不消耗电能，故障率低，只要永磁体形状和布局合理，基本能够保证被悬浮体的静态稳定悬浮。这些特点是永磁悬浮轴承在风力发电应用的优势。但现有文献较少考虑永磁悬浮结构的风力机在风力扰动下悬浮主轴的恒气隙悬浮特性，各个自由度方向上的悬浮气隙受风向和风力大小的变化而变化，不能随着风向和风力大小自适应地改变相应自由度方向上的磁力大小，不能保证磁悬浮主轴悬浮气隙的恒定。继而导致悬浮主轴轴心偏心，主轴攒动和振颤，增加与发电机连接的机械传动损耗，降低发电机的寿命，提高风力发电系统整机的机械不稳定度。

因此，利用永磁轴承在风力发电领域中应用的优势，研究一种能够依据风向和风力大小的变化而自适应地调整磁力方向和大小，保证在风力扰动下的全永磁悬浮主轴悬浮气隙恒定的磁悬浮垂直轴风力机传动主轴结构，具有良好的工程实用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，能够依据风向和风力大小的变化而自适应地调整径向悬浮磁力的方向和大小，保证在风力扰动下的悬浮主轴悬浮气隙恒定的全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴。

本发明的技术解决方案是：

一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴，其特征是：包括外套筒垂直静止轴、内旋转传动轴、径向二自由度全永磁悬浮轴承、轴向单自由度全永磁悬浮轴承，其特征是：还包括径向磁力全角度自调节机构；所述径向磁力全角度自调节机构包括扇弧形风压感应集风板、永磁力矩单元体、风力矩传动臂、径向轴承、集风板支架、永磁力矩支架、传动臂铰链、滚轮、滑动轨道、弹簧、导风背鳍板、限位横梁；径向轴承安装于外套筒垂直静止轴外径上，并与集风板支架和永磁力矩支架相连；扇弧形风压感应集风板和集风板支架之间安装传动臂铰链；风力矩传动臂一侧与扇弧形风压感应集风板相连，另一侧的末端安装滚轮；永磁力矩单元体顶部与滚轮接触，底部与滑动轨道接触，背部通过弹簧与永磁力矩支架相连；滑动轨道与永磁力矩支架底部相连；导风背鳍板与扇弧形风压感应集风板背部相连；限位横梁与永磁力矩支架顶部相连；外套筒垂直静止轴上安装径向二自由度全永磁悬浮轴承和轴向单自由度全永磁悬浮轴承，其内套入内旋转传动轴。

所述永磁力矩单元体由永磁材料制成，其横截面为圆弧形、纵截面为梯形，沿纵截面梯形高度方向上进行充磁。

所述集风板支架和永磁力矩支架左右对称地安装于径向轴承两侧。

永磁体力矩单元体与外套筒静止轴之间的气隙大小，呈跟随风力的实时强弱情况而自动调节的形式。

扇弧形风压感应集风板为跟随风向的变化而围绕外套筒静止轴旋转，并始终处于迎风位置的形式。

所述外套筒垂直静止轴、内传动旋转轴均由导磁材料制成；所述扇弧形风压感应集风板、风力矩传动臂、径向轴承、集风板支架、永磁力矩支架、传动臂铰链、滚轮、滑动轨道、弹簧、导风背鳍板、限位横梁均由非导磁材料制成。

导风背鳍板安装在扇弧形风压感应集风板背部的中线位置处，呈三棱柱形。

本发明的优点在于：