专利名称：一种风力发电机的限速方法及所用的横桨立轴风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机，特别是一种风力发电机的限速方法及所用的横浆立
轴风力发电机。
背景技术：
几十年来，国际小型风力发电机技术有了很大的发展，产业发展也取得了一定的 成就，但从根本上说，可靠性问题一直没有得到解决。长期以来，出于成本上的考虑，先进 的液压控制技术没有在小型风力发电机的限速保护上采用，只是根据空气动力学原理，采 用简单的机械控制方式对小型风力发电机在大风状态下进行限速保护。机械限速结构的特 点是小型风力发电机的机头或某个部件处于动态支撑的状态，这种结构在风洞试验的条件 下，可以反映出良好的限速特性，但在自然条件下，由于风速和风向的变化太复杂，而且自 然环境恶劣，小型风力发电机的动态支撑部件不可避免的会引进振动和活动部件的损坏, 从而使机组损坏。 目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件(运动部件越少越可靠已是 大家的共识)，一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是尾翼驱动风力发电机的机头偏航，三是 为大风限速保护而设的运动部件。前两个运动部件是不可缺少的,这也是风力发电机的基 础，实践中这两个运动部件故障率并不高,主要是限速保护机构损坏的情况多。要彻底解决 小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决方法。传统风力发电机由风 叶(活动体)、发电机、回转体(活动体)、滑环、折尾轴(活动体)、尾翼和立柱组成。为了 使风力发电机在大风速下实现折尾保护,将发电机的重心设计于立柱重心的侧面，便于自 动折尾和回正。此结构的发电机随回转体旋转，为了防止发电机输出线与立柱缠绞，设置了 滑环结构。滑环结构是由集电环、碳刷、碳刷支架组成。发电机的输出线接到碳刷上面，通 过碳刷在集电环上滑动接触，将发电机的输出转接到固定在立柱上的电源线--匕。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供--种故障率低、运行稳定可靠的风力发电机 限速方法及横浆立轴风力发电机。 为解决上述技术问题，本发明的技术方案一种风力发电机的限速方法。该方法是 在发电机输出功率超出负载需要时通过给发电机一个反向磁阻力矩，大幅度增加发电机所 消耗的功率，使发电机所消耗的功率大于风轮输出的功率，发电机主轴产生与原旋转方向 相反的力矩，风叶打破原有的正面迎风状态而偏离，使风轮转速下降。 上述的风力发电机的限速方法中，当发电机输出功率超出负载需要时给出的反向 磁阻力矩=当时的风机输出功率*955()/当时的转速。前述的风力发电机的限速方法中，对额定功率为1000w、额定转速为420转的风力
发电机，当其输出功率超出负载需要时给出的反向磁阻力矩为22. 73Nm。 —种横浆立轴风力发电机，其构成包括风叶、尾翼、发电机和立柱,还包括齿轮箱,在齿轮箱中装有相互啮合的换向齿轮组，其中一个换向齿轮固定连接在风轮驱动轴上，另 一个换向齿轮固定连接在发电机主轴上。 连接在发电机主轴的换向齿轮与连接在风轮驱动轴上的换向齿轮的下方啮合,这 样可以将风轮驱动轴的转矩传送到发电机主轴上；实验中发现连接在发电机主轴的换向 齿轮与连接在风轮驱动轴上的换向齿轮的上方啮合，这样也可以将风轮驱动轴的转矩传送 到发电机主轴上；前一种结构在产品装配以及日后的维修、润滑保养时略显复杂；而后一 种结构由于换向齿轮组啮合的位置高、距离处于风机顶端的保养孔的距离近，所以更加方 便维护、使用。 上述的横浆立轴风力发电机中，发电机的重心与立柱的重心在同一条垂直线上。
前述的横浆立轴风力发电机中，发电机与立柱直接固定，发电机的输出线直接与 固定在立柱上的电源线连接。 前述的横浆立轴风力发电机中，尾翼是直接安装在齿轮箱上。 本发明的有益效果与现有技术相比,本发明的横浆立轴风力发电机具有以下优 点1 、只保留了风轮驱动轴和发电机主轴两个旋转部分，发电机主轴同时又是偏航轴，减少 了运动部件，降低了机械故障率,运行可靠、故障率低。2、由于不需要折尾限速，即不需要偏 心力，无需尾翼折尾轴，因此尾翼是直接安装在齿轮箱上，发电机重心与立柱的重心是在同 一条垂直线上，这样消除了偏心引起的抖动,提高了整机的运行稳定性和使用寿命。3、发电 机与立柱直接固定，无需回转体；发电机的输出线直接与固定在立柱上的电源线连接，无需 滑环结构，免除了接触件的磨损而引起的故障。4、采用电控限速，通过给发电机一个反向磁 阻力矩，使风叶打破原有的正面迎风状态而偏离，使风轮转速下降，从而起到保护风力发电 机和充电设备的作用。其中的反向磁阻力矩是发电机线圈与负载构成回路后，转子与定子 之间产生的阻力。此力矩大小随着负载的变化而变化。电控限速采用的手段多，可靠性高， 而且可以实现平稳控制。
图1是本发明的风力发电机结构示意图；
图2是齿轮箱的内部结构示意图。 下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
具体实施例方式
实施例1。如图1所示，包括风叶1、尾翼2、发电机3和立柱4，在风叶1上装有整 流罩10，风叶1固定在风轮驱动轴8的前端上。还包括齿轮箱5(如图2所示)，在齿轮箱 5中装有相互啮合的 -对上换向齿轮6和下换向齿轮7，上换向齿轮6是用螺帽(或螺栓) 固定在风轮驱动轴8的后端上，下换向齿轮7是用螺栓(或螺帽)固定在发电机主轴9上， 通过上换向齿轮6和下换向齿轮7可将风叶1的横行旋转转换成纵向旋转直接拖动发电机 3。发电机3与立柱4直接固定，发电机3的输出线直接与固定在立柱4上的电源线连接， 并且发电机3的重心与立柱4的重心在同--条垂直线上。尾翼2直接安装在齿轮箱5上。
实施例中换向齿轮7可以在换向齿轮6的下方与换向齿轮6啮合；也可以在换向
齿轮6的上方与之啮合。
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本发明的工作原理正常情况下风力发电机所发的电能直接驱动用电设备或蓄入 蓄电池组，不需要对其进行控制。当不需要风能或当风力发电机所发电能远远超出实际需 要时给发电机一个反向磁阻力矩，大幅度增加发电机所消耗的功率，使之大于风轮输出的 功率，发电机主轴(偏航轴)产生与原旋转方向相反的力矩，打破原有的风叶正面迎风状态 而偏离，使风轮转速下降。由于风叶的偏离使尾翼也偏离风向而增加了回正力，将风叶向 迎风面推。重复上述过程即可在相应反向电磁力矩的作用下达到降低转速、起到保护风力 发电机和充电设备的作用。反向磁阻力矩的大小根据所使用发电机的额定功率、额定转速 和负载电量需求确定。以额定功率为l-()0()w、额定转速为420转的风力发电机为例，该发电 机在420转时将输出1000w的额定功率。假设当发电机输出功率超过1250w时超出负载需 要，此时需要给发电机一个22. 73Nm的反向磁阻力矩，使得风机叶片迎风面偏离主风向，减 少功率耦合面积，从而降低风机的输出功率。上例中，需要给出反向磁阻力矩的时机根据实 际情况确定( 一般根据负载电量需求确定)，根据负载电量需求的不同，可以是在输出功率 超过1250ft'时给出反向磁阻力矩，也可以是在输出功率超过l，w或者超过l，w时给出 反向磁阻力矩。对具有不同额定功率和额定转速的风力发电机，在采用该方法进行限速时 需要给出的反向磁阻力矩的大小也不一样，一般而言，当发电机组输出功率超出负载需要 时给出的反向磁阻力矩=当时的风机输出功率*955()/当时的转速。实际应用中风力发电 机的控制 -般取决于蓄电池的电压和转速。如直流48V供电系统中，控制器采样蓄电池电 压超过53. 5V时开启P丽(脉宽调制)控制，并记录当时的发电机转速，间歇式加大假负载， 使反向磁阻力矩增加,从而改变风叶迎风角达到一个新的平衡点。于此同时控制器检测风 力发电机的转速，如果转速下降，则达到控制目的，如果转速继续上升，则需要进一步加大 假负载，直到转速下降至低于P丽起控转速50转。
权利要求
一种风力发电机的限速方法，其特征在于该方法是在发电机输出功率超出负载需要时通过给发电机一个反向磁阻力矩，大幅度增加发电机所消耗的功率，使发电机所消耗的功率大于风轮输出的功率，发电机主轴产生与原旋转方向相反的力矩，风叶打破原有的正面迎风状态而偏离，使风轮转速下降。
2. 根据权利要求1所述的风力发电机的限速方法，其特征在于当发电机输出功率超出负载需要时给出的反向磁阻力矩=当时的风机输出功率*9550/当时的转速。
3. 根据权利要求2所述的风力发电机的限速方法，其特征在于对额定功率为1000w、 额定转速为420转的风力发电机，当其输出功率超出负载需要时给出的反向磁阻力矩为 22. 73Nm。
4. 一种采用如权利要求卜3中任意一项所述方法限速的横浆立轴风力发电机，包括风 叶(1)、尾翼(2)、发电机(3)和立柱(4)，其特征在于还包括齿轮箱(5)，在齿轮箱(5)中装 有相互啮合的换向齿轮(6)和换向齿轮(7),换向齿轮(6)固定连接在风轮驱动轴(8)上， 换向齿轮(7)固定连接在发电机主轴(9)上。
5. 根据权利要求4所述的横浆立轴风力发电机，其特征在于所述发电机(3)的重心 与立柱(4)的重心在同一条垂直线上。
6. 根据权利要求4或5所述的横浆立轴风力发电机，其特征在于所述的发电机(3)与 立柱(4)直接固定，发电机(3)的输出直接与固定在立柱(4)上的电源线连接。
7. 根据权利要求4所述的横浆立轴风力发电机，其特征在于所述的尾翼(2)直接安 装在齿轮箱(5)上。
8. 根据权利要求4所述的横浆立轴风力发电机,其特征在于换向齿轮(7)在换向齿 轮(6)的下方与换向齿轮(6)啮合或在换向齿轮(6)的上方与换向齿轮(6)啮合。
全文摘要
本发明公开了一种风力发电机的限速方法及所用的横浆立轴风力发电机，它是通过给发电机一个反向磁阻力矩，大幅度增加发电机所消耗的功率，使发电机所消耗的功率大于风轮输出的功率，发电机主轴产生与原旋转方向相反的力矩，风叶打破原有的正面迎风状态而偏离，使风轮转速下降。本发明的横浆立轴风力发电机只保留了风轮驱动轴和发电机主轴两个旋转部分，发电机主轴同时又是偏航轴，减少了运动部件，降低了机械故障率，具有运行可靠、故障率低的特点，整机的运行稳定性高，使用寿命长。
文档编号H02K7/116GK101725473SQ20091023647
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者巴吉日嘎勒达来, 菊花, 马玉亭 申请人:北京伟思利达科技发展有限公司