专利名称：小型垂直轴风力发电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种风力发电机，特别涉及一种小型的适于家庭使用的垂直轴风力发电机。
背景技术：
一般风力发电机包括发电机、立柱、叶轮，所述发电机置于所述立柱之上，所述叶轮套接在所述发电机的旋转轴上。目前国内市场上出现的适于家庭使用的风力发电机都是水平轴式的，即所述发电机安装在立柱之上时，所述发电机的旋转轴成水平状态，所述叶轮大致与所述立柱平行，这种风力发电机占用空间较大，风能利用率低、噪音大、安装时往往要考虑迎风面的影响，抗风能力较差、叶桨容易吹断，风速较低的情况下(3.5米/秒以下)难以工作。垂直轴风力发电机，即所述发电机安装在立柱之上时，所述发电机的旋转轴成竖直状态，所述叶轮大致与所述立柱垂直，经过一段时间的发展，已经逐步有了些技术的积累，但是现在设计的垂直轴风力发电机功率都比较大，而且所述发电机旋转轴与所述叶轮轮毂通过另一长轴联接使所述发电机位于所述叶轮形成的空间外，这样在风能的作用下，会在所述发电机旋转轴上产生较为集中的应力，耗材较多，风能利用系数不甚理想；另外，所述叶轮上的叶片与轮毂相连接处基本上都是沿着轮毂径向外延伸，这种设计如不采取特殊措施也会容易产生倒转现象；启动风速要求也较高。而且，目前还没有适于家庭使用的小型垂直轴风力发电机。
实用新型内容本实用新型的目的就在于提供一种能够适于家庭应用的小型垂直轴风力发电机。
本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的一种小型垂直轴风力发电机，包括发电机、叶轮、立柱，所述发电机置于所述立柱顶端之上，所述发电机的旋转轴垂直向上，所述叶轮套接在所述发电机旋转轴之上；所述叶轮包括叶片和轮毂，所述叶片与叶轮轮毂通过一弯拱形水平轴相连。
以所述中心轮毂中心点为原点在所述叶轮水平中心截面上建立坐标系XOY，所述弯拱形水平轴中心线以及所述中心轮毂外轮廓在所述坐标系XOY上的投影形成一条曲线、一个以原点为圆心的圆，设所述叶片与所述水平轴的结合点位于坐标系XOY的第一象限内，则所述曲线与圆的交点位于坐标系XOY的第二象限内或者第三象限内。
以所述叶轮水平中心截面为基准，所述发电机至少有部分位于所述叶轮水平中心截面和所述叶轮下底边缘组成的水平面之间。
当所述弯拱形水平轴具有确定的中心线时，所述弯拱形水平轴中心线与所述轮毂的结合点在所述坐标系中的投影与所述原点的连线与所述坐标系中的横轴之间的夹角在90-270度之间。
当所述弯拱形水平轴的截面呈侧卧的“T”字型时，所述弯拱形水平轴“T”字截面与所述轮毂的结合面的中心在所述坐标系中的投影与所述原点的连线与所述坐标系中的横轴之间的夹角在90-270度之间。
因为本实用新型还采用了弯拱形水平轴作为叶片与叶轮轮毂的连接装置，使得叶轮不会因为风向的改变而出现倒转的现象；因为所述弯拱形水平轴的强度比较大，受到较大的风力时，不会发生叶片吹折现象；因为所述弯拱形水平轴的利用使得所述发电机的起动风速大幅度降低，对风能的利用相当有利。另外由于本实用新型采用了至少将所述发电机部分置于所述叶轮形成的包围内，使得所述发电机旋转轴与所述叶轮轮毂的结合部位受到的应力大幅度减小；使其抗疲劳的能力得到了增强，设备实用寿命增长。
图1为本实用新型实施例一的示意图；图2为图1拆去叶片后的示意图；图3为本实用新型实施例一叶轮叶片分布原理图；图4为本实用新型实施例一叶轮叶片分布示意图；图5为本实用新型实施例二叶轮叶片分布示意图；图6为本实用新型实施例二叶轮叶片分布原理图；图7为本实用新型所述发电机的各种固定安装方式的示意图；图8为本实用新型所述发电机的实用参考图；
具体实施方式
如图1-8所示，一种小型垂直轴风力发电机，包括发电机1、叶轮2、立柱3，所述发电机1置于所述立柱3顶端之上，所述发电机1的旋转轴垂直向上，所述叶轮2套接在所述发电机旋转轴之上，以所述叶轮2水平中心截面为基准，所述发电机1至少有部分位于所述叶轮2水平中心截面和所述叶轮下底边缘组成的水平面之间。所述叶轮2由中心轮毂21、水平轴22、叶片23组成，所述叶片23与中心轮毂21通过一弯拱形水平轴22相连，所述弯拱的起点在所述轮毂和所述水平轴的结合部。以所述中心轮毂21中心点为原点O在所述叶轮2水平中心截面上建立坐标系XOY，所述弯拱形水平轴22中心线、所述轮毂21外轮廓以及所述叶片23的中心线在所述坐标系上的投影分别形成一条曲线A、一个以原点O为圆心的圆B以及曲线C；所述曲线A与曲线C的交点为M，所述曲线A与圆B的交点为N。所述曲线A可以是抛物线、椭圆等有一定规则轨迹的曲线的一部分，也可以是抛物线、椭圆等有一定规则轨迹的曲线和其他任意曲线的组合体。
为了更加简明扼要的介绍和描述曲线A的形状和位置，我们假设与曲线A与曲线C的交点M位于坐标系XOY的第一象限内，则所述曲线A与圆B的交点N位于坐标系XOY的第二象限内或者第三象限内。本实用新型定义所述交点N和所述原点O的连线与所述坐标系中的横轴X之间的夹角称为曲线A的提前角α。所述曲线A的提前角α则在90度-270度之间。设所述曲线A与所述坐标系XOY纵轴Y的交点为D；在本实用新型中，所述弧DN的长度越长越好，当然需要保证所述水平轴的强度的前提下。
根据试验表明，在叶片叶型一定，发电机功率一定的条件下，在曲线A的提前角α限定的范围内，随着角度的增大，发电机的启动风速先逐渐减小，然后再逐渐增加；叶片所受到的力矩相比提前角为0的叶片所受到的力矩的增幅也是先逐渐减小，然后再逐渐增加。
如当α＝90°时，起动风速为3.0米/秒左右，力矩增幅30％以上；当α＝120°时，起动风速为2.5米/秒左右，力矩增幅50％左右；当α＝150°时，起动风速为2.0米/秒左右，力矩增幅80％左右；当α＝180°时，起动风速为2.1米/秒左右，力矩增幅75％左右；当α＝210°时，起动风速为2.5米/秒左右，力矩增幅50％左右；当α＝240°时，起动风速为2.5米/秒左右，力矩增幅40％左右；当α＝270°时，起动风速为3.0米/秒左右，力矩增幅30％左右。
如图1、2、3、4所示，为本实用新型实施例一的各种示意图；在本实施例中所述叶轮2具有三片叶片23，三片所述叶片23相应的通过三根弯拱形所述水平轴22固定在所述中心轮毂21上；三根所述水平轴22均布在所述中心轮毂21上。设另外两根水平轴22的中心线在所述座标系XOY上的投影为曲线A’和曲线A”，则所述曲线A’的提前角为α+120°；所述曲线A”的提前角为α+240°；如图5、6所示，为本实用新型实施例二的叶轮叶片分布图；在本实施例中所述叶轮2具有二片叶片23，二片所述叶片23相应的通过二根所述水平轴22固定在所述中心轮毂21上；二根所述水平轴22均布在所述中心轮毂21上。设另外一根水平轴22的中心线在所述座标系XOY上的投影为曲线A’，所述曲线A’的提前角为α+180°。
如图7、8所示，为了更好的获取风能，可以将所述风叶23设计呈各种有利于获取风能的形状，如半球形、半橄榄球形、截面呈抛物线形等。安装的方式可以是将立柱安装在大的底盘上、或者在立柱上斜拉几根钢线固定。
在本实用新型中，所述叶片23与所述水平轴22之间的连接可以是通过焊接、螺丝的方式固定的连接，叶片在整个发电机工作过程中的始终相对于所述水平轴静止。为了使发电机的效率更高，可以将所述水平轴22与所述叶片23的连接方式设计成所述叶片23可以绕着所述水平轴22与所述叶片23的连接铰链旋转，根据所述水平轴在发电机工作过程中所在的位置变换迎风角度；旋转方向与所述叶轮旋转方向相反。也可以让所述叶片23沿着所述水平轴22的轴向移动，以此根据实际情况来增大或减小迎风风阻，即将所述水平轴设计成可沿着其轴向伸缩的形式，提高风能利用率。
本实用新型还可以设计呈4片风叶等多叶片；所述水平轴的截面形状也是多样，如可成圆形、圆环形、椭圆形、T字形等，优先圆形。当所述弯拱形水平轴的截面呈侧卧的“T”字型时，所述弯拱形水平轴“T”字截面与所述轮毂的结合面的中心在所述坐标系中的投影与所述原点的连线与所述坐标系中的横轴之间的夹角在90-270度之间。以上这些实施例不应该被看成是对本实用新型权利要求的限制。如果本技术领域的技术人员通过本实用新型作出的非实质性的改变或改进，均应该落入本实用新型权利要求的保护范围。
权利要求1.一种小型垂直轴风力发电机，包括发电机、叶轮、立柱，所述发电机置于所述立柱顶端之上，所述发电机的旋转轴垂直向上，所述叶轮套接在所述发电机旋转轴之上，其特征在于，所述叶轮包括叶片和轮毂，所述叶片与叶轮轮毂通过一弯拱形水平轴相连。
2.根据权利要求1所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，以所述叶轮水平中心截面为基准，所述发电机至少有部分位于所述叶轮水平中心截面和所述叶轮下底边缘组成的水平面之间。
3.根据权利要求1或2所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，以所述中心轮毂中心点为原点在所述叶轮水平中心截面上建立坐标系XOY，所述弯拱形水平轴中心线以及所述中心轮毂外轮廓在所述坐标系XOY上的投影形成一条曲线、一个以原点为圆心的圆，设所述叶片与所述水平轴的结合点位于坐标系XOY的第一象限内，则所述曲线与圆的交点位于坐标系XOY的第二象限内或者第三象限内。
4.根据权利要求3所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，在保证所述水平轴强度的条件下，所述曲线与所述坐标系的纵轴的交点和所述曲线与圆的交点之间的所述曲线上的曲线段的长度越长越好。
5.根据权利要求3所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，所述叶片可以绕着所述水平轴与所述叶片的连接铰链旋转，旋转方向与所述叶轮旋转方向相反。
6.根据权利要求3所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，所述水平轴被设计成可沿着其轴向伸缩。
7.根据权利要求3所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，当所述弯拱形水平轴具有确定的中心线时，所述弯拱形水平轴中心线与所述轮毂的结合点在所述坐标系中的投影与所述原点的连线与所述坐标系中的横轴之间的夹角α在90-270度之间。
8.根据权利要求7所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，所述叶片为三片，三片所述叶片相应的通过三根弯拱形所述水平轴固定在所述中心轮毂上；三根所述水平轴均布在所述中心轮毂上；所述另外两根弯拱形水平轴中心线与所述轮毂的结合点在所述坐标系中的投影与所述原点的连线与所述坐标系中的横轴之间的夹角分别为α+120°和α+240°。
9.根据权利要求7所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，所述叶片为二片，二片所述叶片相应的通过二根弯拱形所述水平轴固定在所述中心轮毂上；二根所述水平轴均布在所述中心轮毂上；所述另外一根弯拱形水平轴中心线与所述轮毂的结合点在所述坐标系中的投影与所述原点的连线与所述坐标系中的横轴之间的夹角为α+180° 。
10.根据权利要求3所述的所述小型垂直轴风力发电机，其特征在于，当所述弯拱形水平轴的截面呈侧卧的“T”字型时，所述弯拱形水平轴“T”字截面与所述轮毂的结合面的中心在所述坐标系中的投影与所述原点的连线与所述坐标系中的横轴之间的夹角α在90-270度之间。
专利摘要本实用新型涉及一种风力发电机，特别涉及一种小型的适于家庭使用的垂直轴风力发电机。一种小型垂直轴风力发电机，包括发电机、叶轮、立柱，所述发电机置于所述立柱顶端之上，所述发电机的旋转轴垂直向上，所述叶轮套接在所述发电机旋转轴之上；所述叶轮包括叶片和轮毂，所述叶片与叶轮轮毂通过一弯拱形水平轴相连。由于本实用新型还采用了弯拱形水平轴作为叶片与叶轮轮毂的连接装置，使得叶轮不会因为风向的改变而出现倒转的现象，而且因为所述弯拱形水平轴的强度比较大，受到较大的风力时，不会发生叶片吹折现象。
文档编号F03D3/00GK2818836SQ200520064288
公开日2006年9月20日 申请日期2005年9月12日 优先权日2005年9月12日
发明者黎福和 申请人:黎福和