专利名称：全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴的制作方法
技术领域：
本实用新型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CNlO 1034861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。
实用新型内容本实用新型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。[0008]本实用新型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。本实用新型的优点在于(I)径向悬浮磁力的方向和大小能够实时地随风向和风力进行调整，具有自适应调节特性，保证垂直轴传动旋转主轴轴心悬浮气隙的恒定。(2)采用了全永磁悬浮技术和纯机械式自动控制机构，结构简单，不耗费电能，成本和故障率低,性价比高。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。图I为本实用新型一个实施例的装置结构主视图。图2为径向二自由度全永磁悬浮轴承的横截面俯视图。图3为轴向单自由度全永磁悬浮轴承的纵剖面侧视图。图4为轴向上永磁环外观示意图。图5为径向磁力全角度自调节机构结构主视图。图6为永磁力矩单元体外观及其与外套筒垂直静止轴的相对安装位置示意图。图7为扇弧形风压感应集风板的立体结构示意图。图8为内旋转传动轴的悬浮偏心位移变动参数定义示意图。[0028]其中，图2至图6中的黑色箭头方向代表磁力线方向。
具体实施方式
以一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴为例，结合附图对本实用新型作进一步说明。所述的一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴由外套筒垂直静止轴I、内旋转传动轴2、径向二自由度全永磁悬浮轴承3、轴向单自由度全永磁悬浮轴承4、径向磁力全角度自调节机构5等组成。参见附
图1，内旋转传动轴2套入在外套筒垂直静止轴I的内部。外套筒垂直静止轴I与地基相连，固定不动。内旋转传动轴2顶部连接风力机，底部连接发电机，完成风力机械能的传递。本实施例中，采用了 2个径向二自由度全永磁悬浮轴承、I个轴向单自由度全永磁悬浮轴承实现内旋转传动轴2相对于外套筒垂直静止轴I的五自由度悬浮。I个径向磁力全角度自调节机构实现风力变化时，径向悬浮磁力的闭环反馈自调节功能，使得内旋转传动轴2相对于外套筒垂直静止轴I的径向悬浮气隙基本不变。参见附图2，径向二自由度全永磁悬浮轴承3由径向隔磁环6、径向永磁环7和径向永磁体9组成。径向永磁环7通过径向隔磁环6套接在内旋转传动轴2上，沿内径向外径方向充磁。径向永磁体9共有2对，沿外套筒垂直静止轴I的截面圆周均匀排布安装，沿外径向内径方向充磁。由“同极相斥”原理可知，该径向二自由度全永磁悬浮轴承3可以保证在无外力扰动条件下，径向悬浮气隙8保持恒定，且内旋转传动轴2可以相对于外套筒垂直静止轴I同心旋转。参见附图3，轴向单自由度全永磁悬浮轴承4由轴向推力盘10、轴向上隔磁环11、轴向上永磁环12、轴向下永磁环14、轴向下隔磁环15组成。轴向上永磁环12的外观参见附图4所示，轴向下永磁环14的外观与之类似。轴向推力盘10固定安装在内旋转传动轴2上，轴向上永磁环12通过轴向上隔磁环11嵌入安装于轴向推力盘10的内部，沿垂直向下方向充磁。轴向下永磁环14通过轴向下隔磁环15嵌入安装于外套筒垂直静止轴I的台座上，沿垂直向上方向充磁。由“同极相斥”原理可知，该轴向单自由度全永磁悬浮轴承4可以保证在无外力扰动条件下，轴向悬浮气隙13保持恒定，且在重力方向上，内旋转传动轴2可以相对于外套筒垂直静止轴I无摩擦地旋转。参见附图5，径向磁力全角度自调节机构5由扇弧形风压感应集风板16、永磁力矩单元体17、风力矩传动臂18、径向轴承19、集风板支架20、永磁力矩支架21、传动臂铰链22、滚轮23、滑动轨道24、弹簧25、导风背鳍板26、限位横梁27组成。上下2个径向轴承19均安装于外套筒垂直静止轴I的外径上，并与集风板支架20和永磁力矩支架21相连；扇弧形风压感应集风板16和集风板支架20之间安装传动臂铰链22 ;风力矩传动臂18 —侧与扇弧形风压感应集风板16相连，另一侧的末端安装滚轮23 ;永磁力矩单元体17顶部与滚轮23接触，底部与滑动轨道24接触，背部通过2个弹簧25与永磁力矩支架21相连；滑动轨道24与永磁力矩支架21的底部相连；导风背鳍板26与扇弧形风压感应集风板16的背部相连；前后2个限位横梁27分别安装于永磁力矩支架21的顶部；集风板支架20和永磁力矩支架21左右对称地安装于2个径向轴承19的两侧。永磁力矩单元体17与外套筒垂直静止轴I之间存在气隙28，其值为8。[0035]参见附图6，永磁力矩单元体17由永磁材料制成，其横截面为圆弧形，其纵截面为梯形，沿纵截面梯形高度方向上进行充磁。永磁力矩单元体17的弧面一侧与外套筒垂直静止轴I相对。参见附图7，扇弧形风压感应集风板16的立体凸型结构和扇弧形设计，使得扇弧形风压感应集风板16具有迎风特性。同时，在扇弧形风压感应集风板16背部的中线位置处安装的三棱柱形导风背鳍板26，其功能类似于风向标的尾翼，进一步地提高了扇弧形风压感应集风板16的迎风特性。因此，当风力V的方向变化时，在径向轴承19和集风板支架20的支撑下，扇弧形风压感应集风板16能够围绕外套筒静止轴I旋转，并带动整个径向磁力全角度自调节机构5始终迎风。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。在迎风情况下，当风力值V增大时，扇弧形风压感应集风板16与集风板支架20之 间的夹角a增大，在传动臂铰链22的绕动支撑传动作用，风力矩传动臂18克服弹簧25的拉力，利用杠杆原理顶推永磁力矩单元体17沿风向方向运动，导致气隙28的值8减小，永磁力矩单元体17对外套筒垂直静止轴I和内旋转传动轴2的吸引磁力F增强，使得内旋转传动轴2沿风向反方向的运动趋势增强，抵消了因风力值V增大而推动其沿风向正方向的运动趋势，保证了内旋转传动轴2与外套筒垂直静止轴I之间的径向悬浮气隙的恒定。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。参见附图8，若假设A 0 +为径向悬浮气隙8沿风力V正方向上的位置变化量，则在径向悬浮气隙8的某一处平衡条件下，当风力值V增大时，径向悬浮气隙的自平衡调节过程可以由式(I)表示。V ' ^ a '一 S 丨一F1— Ao + *(I)□ A o + '□ A o + ^ 0在迎风情况下，当风力值V减小时，由重力作用，扇弧形风压感应集风板16与集风板支架20之间的夹角a减小，在传动臂铰链22的绕动支撑传动以及弹簧25的恢复拉力作用下，利用杠杆原理，风力矩传动臂18对永磁力矩单元体17的顶推作用力减小，使之沿风向反方向运动，导致气隙28的值8增大，永磁力矩单元体17对外套筒垂直静止轴I和内旋转传动轴2的吸引磁力F减弱，使得内旋转传动轴2沿风向方向的运动趋势增强，抵消了因风力值V减小而原磁力推动其沿风向反方向的运动趋势，保证了内旋转传动轴2与外套筒垂直静止轴I之间的径向悬浮气隙的恒定。参见附图8，若假A O-为径向悬浮气隙8沿风力V负方向上的位置变化量，则在径向悬浮气隙8的某一处平衡条件下，当风力值V减弱时，径向悬浮气隙的自平衡调节过程可以由式(2)表示。V*— a 丨一6 丨一卩丨一Ao^(2)DAoJ□ A a _ 0本实用新型中，风力对扇弧形风压感应集风板16所形成的作用力，通过以传动臂铰链22为支点的杠杆作用，传递到了风力矩传动臂18上，并对永磁力矩单元体17形成顶推或是释放作用。由于风力矩传动臂18的运动行程受到前后2个限位横梁27的限位，因此，在永磁力矩单元体17上的顶推或是释放作用力也是得到限制的。据此工作原理，在本实用新型的具体实施过程中，可根据作用力传递的杠杆原理，依据风力机迎风截面、扇弧形风压感应集风板面积，永磁力矩单元体磁力强度、内旋转传动轴质量等参数，来设计选取最优的风力矩传动臂长度，以及限位横梁放置的合适位置，以使得自平衡调节过程更加精确和灵敏，保证在风力扰动下的全永磁悬浮主轴悬浮气隙恒定。
权利要求1.ー种全永磁自平衡悬浮垂直轴风カ机传动主轴，其特征是包括外套筒垂直静止轴、内旋转传动轴、径向ニ自由度全永磁悬浮轴承、轴向单自由度全永磁悬浮轴承，径向ニ自由度全永磁悬浮轴承由径向隔磁环、径向永磁环和径向永磁体组成，径向永磁环通过径向隔磁环套接在内旋转传动轴上，沿内径向外径方向充磁； 径向永磁体共有ニ对，沿外套筒垂直静止轴的截面圆周均匀排布安装，沿外径向内径方向充磁；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、风カ矩传动臂、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、导风背鰭板、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；风力矩传动臂ー侧与扇弧形风压感应集风板相连，另ー侧的末端安装滚轮；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；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ニ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。
2.根据权利要求I所述的全永磁自平衡悬浮垂直轴风カ机传动主轴，其特征是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。
3.根据权利要求I所述的全永磁自平衡悬浮垂直轴风カ机传动主轴，其特征是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。
4.根据权利要求1、2或3所述的全永磁自平衡悬浮垂直轴风カ机传动主轴，其特征是永磁体力矩单元体与外套筒静止轴之间的气隙大小，呈跟随风カ的实时强弱情况而自动调节的形式。
5.根据权利要求1、2或3所述的全永磁自平衡悬浮垂直轴风カ机传动主轴，其特征是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。
6.根据权利要求1、2或3所述的全永磁自平衡悬浮垂直轴风カ机传动主轴，其特征是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、风カ矩传动臂、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。
专利摘要本实用新型公开了一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴，主要由外套筒垂直静止轴、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、径向磁力全角度自调节机构等组成。径向磁力全角度自调节机构安装于外套筒垂直静止轴上，能够始终处于迎风位置，并在风力大小变化时，实现径向悬浮磁力的闭环反馈自调节功能，使得内旋转传动轴相对于外套筒垂直静止轴的径向悬浮气隙基本不变。本实用新型所述及的垂直轴风力机传动主轴采用了全永磁悬浮技术和纯机械式自动控制机构，具有结构简单，无摩擦，不耗费电能，成本和故障率低，性价比高等优点。
文档编号F16C32/04GK202811845SQ20122049619
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者吴爱华, 茅靖峰, 吴国庆, 张旭东, 肖龙雪, 曹阳, 邵波, 于晓莉 申请人:南通大学