风轮以及使用该风轮的发电机的制作方法

专利名称：风轮以及使用该风轮的发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风轮以及使用风轮的风力发电机。更具体地，本 发明描述了由低成本零件构成的低复杂度、轻型且效率优化的风力发 动机。
背景技术：
使用风轮来执行机械功能以及发电是已知的。在1917年7月10 日授予A.H.Heyroth的美国专利No.1，233，232中公开了早期的风轮发 电机。Heyroth的风轮包括支撑永久磁铁的大直径的转子环和通过径 向辐条来支撑转子环的中心轴。转子环旋转使得安装在其上的永久磁 铁移动经过固定的磁铁芯，通过铁芯的磁通量值的变化导致在铁芯支 撑的线圏中产生电压。在于2000年5月16日授予Nils Gislason的美国专利No.6064123 中示出了 了类似的但更新的装置。在2003年12月16日授予charles S.vann的美国专利No.6664655 中示出了另 一个装置。Vann的风轮包括很多个固定在两个大直径同心 金属环之间的短的径向叶片。外环被支撑在三个外侧的转子上以旋转， 所述环能被磁化以致形成电压发生器或电机的一部分。发明内容本发明具体地但非排它地描述了适于用在发电机中的风轮。在所 使用范围内，发电机涉及下列原则的最佳应用1. 转子速度越高一般导致发电机输出功率越高。2. 较高的转子速度更易于用轻质的质量小的转子结构来获得。3. 使转子结构上的转矩和力矩拖力最小是有利的。 本发明的风轮在转子结构上最佳利用这些原则，转子结构包括小直径的根环，大直径的外环和在结构上其内端连接到根环上在中点处连接到外环上的多个轻质叶片。外环用在旋转支撑系统中，该旋转支 撑系统一般使用滚子以允许转子绕根环和外环共同的轴线旋转。当轻质转子使用在发电机中时，它能支撑多个间隔开的永久磁铁 以与一个或多个固定铁芯结构相互作用，以便在转子旋转时产生电流。本发明的设备不需要中心轴，并且对任何给定的风力或风来而言 具有产生高的转子转速的潜能而不需要齿轮箱。在叶片的中点处提供 支撑的中点结构环的使用，允许使用如用于叶片结构的泡沫芯合成物 的轻质材料。通过阅读下面描述本发明的优选实施例的说明书将会更好地理解 本发明的这些以及其他有益效果。


在这里参考附图进行描述，其中在所有附图中相同的标记代表相同的部件，其中图1是使用三个根据本发明构造的并安装在柱子上的发电机的"风场"的一部分的透视图；图2是图1的一个发电机中的详图；图3是图2中的一个螺旋叶片结构的横截面；图4是示出电压发生器铁芯结构布置的图2中结构的详图，其中 所述铁芯结构跨在内侧滚子上，作为图2中装置的定子结构的一部分；图5是图2的结构的详图，其中以三维详图示出铁芯结构、永久 磁铁和螺旋叶片安装结构；图6是示出部分转子横截面的图5中结构的侧视图；图7是示出附加转子结构的叶片的横截面图；图8是由图1-7中的结构产生三相电流的有代表性的电路图；图9是转子结构的可选实施例的平面图；图10是图9中结构的局部横截面图，更详细地示出了用于图9 转子的支撑滚子以及永久磁铁与安装在定子上的电压发生器结构之间 的关系。
具体实施方式
首先参考图1,其示出了 "风场"的一部分，包括安装在电线杆14、 15和16上以收集风能并由存储于风中的能量发电的同样的风力 发电源10、 11和12。由于所有的发电源10、 11和12都是一样的， 所以将只详细地描述发电源10。现在参考图2-7，发电源10包括由三个成三角形布置、安装在 柱子14上的铝杆19构成的定子结构18。定子结构18包括安装在板 50上的三个发生单元20， 21和22，下面将参考图4和图5更详细地 描述这三个发生单元。此外，虽然单元20、 21和22在发电源IO上的 位置不同，但是它们都是一样的，因此将单元20作为代表来描述。单元20包括两个紧密地布置在滚子30的相对侧周围并骑跨滚子 30的铁磁铁芯26和28，所述滚子30是对称地布置在定子结构18的 板50上的三个安装在定子上的滚子中的一个。滚子30支撑转子结构 32，所述转子结构32最大的部件是铝环34。铝环34在这里也被称为 "外环"或"承栽环(load ring)"，在这个实施例中铝环34包括多个 部件，包括铁质金属垫环48和连接在不连续(broken)环的径向内表 面上的一列永久磁铁36。铝环34使得结构变轻，并且易于加速，而 铁垫环48为磁系统提供磁通路径。转子结构32还包括轻质复合空气 动力叶片38、 40和42,最好如图2和3所示，所述空气动力叶片优 选地通过将合成树脂外覆层46与硬泡沫塑料芯44叠合而形成。转子结构32还包括非铁质的根环45，叶片38、 40和42的内端 连接在所述根环45上。根环45由复合材料塑料结构或其它相对较轻 的材料制成。作为例子，叶片38、 40和42大约5英尺长。根环45 直径大约为2英尺，铝承载环34直径大约为6英尺。同样，承载环 34连接在转子结构32的径向中点附近，以增加叶片的强度和刚性以 抵制扭矩挠曲。叶片成弧形，其内端或根部的旋角(pitch)大约是42 度，外端旋角大约是半度。旋角从头到尾逐渐变化。参考图2至5，将详细描述定子和转子结构。定子结构18包括图 6所示的三角形支撑杆的顶点处的铝板50。每个板50支承一对间隔开7的绕有铜线圏29和31的层叠的铁芯26和28。与聚碳酸酯轨道52的 外表面接合的硬橡胶滚子30旋转安装在每组两个铁芯结构26和28 之间，所述聚碳酸酯轨道52在连接到钢垫环48上的永久磁铁36的外 表面上延伸，所述钢垫环48安装在铝承载环34上以提供连续的磁通 路径。非磁性的定距片33设置在永久磁铁36之间。聚碳酸酯轨道52 是结合在由磁铁36和定距片33联合限定的平表面上的薄片，如图5 和6所示。滚子30与由聚碳酸酯轨道52提供的平表面接触并在该平表面上 运动，以使转子结构32的承栽环34无振动地平稳旋转。铁磁芯26 和28靠近聚碳酸酯环设置并与其隔开约0.180英寸。在上述尺寸的实 际实施例中已经发现，当磁铁转子转过时，对于在三个定子结构18 中的每一个处80磅的总吸力来说，每个电压发生单元的永久磁铁和铁 磁芯结构26和28之间相吸的磁力大约是40磅。为了使铝承栽环34 能够承受这些吸力而不挠曲，转子滚子30优选接近地对称安装在配对 的铁芯26和28之间，以最大程度地抵抗挠曲从而它们直接接触铁芯 结构之间的承载环的内表面。附加滚子37旋转地安装在定子结构后 面，如图6所示，以提供推力支撑，即在与旋转轴平行的方向上进行 支撑。叶片支撑结构最佳如图5、 6、 7所示，以包括接纳每个叶片38、 40和42的内表面并与之形状一致的鞍状零件54。夹紧零件56和58 通过带帽螺钉连接到鞍状零件上以卡住叶片38、 40和42，并为了整 体刚性将叶片牢固地保持在承载环34上。止块58优选地通过带帽螺钉连接到定子18上的板60上，以阻止 转子32朝定子结构前方移动。止块59和承载环34的外表面之间的间 隔为l/4英寸左右，由于承受最小的反推力，所以不需要外侧滚子。综之，每个发电机单元具有定子结构18，定子结构18包括由杆 19形成的三角形框架和三对对称排列的发生单元20、 21和22。每个 发生单元包括一对跨在滚子30上的铁磁芯26和28和缠绕线圏，所述 滚子30适于在承载环34的径向内侧轨道52上运动。承载环34大约在叶片的中点处整体地连接到每个轻质螺旋叶片38、 40和42上，以 增加结构的刚度。承载环34的内表面具有一列永久磁铁36，所述永 久磁铁36以在径向上与定子铁芯26和28间隔开的关系运动，当螺旋 叶片38、 40和42在圓形路径上驱动转子环时，在单元中产生电压。现在参考图8，示出了基于在六英尺的承载环34内侧上使用160 个永久磁铁的典型电气系统。该系统包括每组六个由彼此隔开的线圈 形成的线圏组64、 66和68,以形成三相电气系统。在每个组中两个 相位匹配的相线圈串连布线。这里有六个同样的组。每个组具有相应的平行布线的相位匹配的线圏对，以形成输出电路。这些输出电路中 的每一个都具有用导线连接以校正功率系数的电容器组70、 72和74。 然后每个电路分别较入全波整流器76、 78和80中的一个，以向包括 电阻器84、 86和88的输出电路提供未调节的直流电。图8的电路示 出了在关键位置上监测输出的电压表。在典型实施例中，每个线圏有 100压，发电机结构的铁芯和磁铁间的气隙约是5毫米。在成功运行的实施例中，叶片的总重量大约是36磅，以最高250 转/分钟的速度安全旋转。磁铁的总重量约是15磅，滚子30的直径是 4英寸，由硬橡胶制成。现在参考图9和10，将描述一种可选的转子结构100。转子结构 包括由模制轻质塑料制成并且具有如图10所示的空气动力或楔形横 截面的承载环102。如图9所示，塑料承载环102与叶片104、 106和 108在大约叶片的中点处实体结合成整体。叶片的内端通过标准的玻 璃纤维连接(fiberglassing)技术结合到小直径根环IIO上，术语"玻 璃纤维连接"意图包括各种复合材料结构，包括那些使用石墨、玻璃 和其它材料的纤维的复合材料结构。虽然图4的实施例的永久磁铁36安装在承载环34径向内表面上， 但是图9和10的实施例的永久磁铁114环状排列在承栽环102的背风 面或下风面，并且结合到环状铁磁垫环112上，所述铁磁垫环112铸 在如图IO所示的承载环102中。为了耐风雨，磁铁顶上设有塑料表面。 在图9中，滚子124支承在承载环102的内表面126上，而且对称地排列且等间距地设置。这些滚子由定子结构116支承，所述定子结构116与第一实施例类似，也是由三角形布置的梁组成。绕有线圏120 的铁磁芯结构118也置于定子结构116上，当转子旋转时，定子结构 116紧邻永久磁铁114的轨道。通过支承在永久磁铁114轨道径向内 侧表面130上的滚子128来提供推力支撑。在这个实施例中，发生单元上基本上没有气流，即处在承栽环102 的阴影下以减少风阻损失。只有径向滚子124和定子结构的一小部分 处于气流中。由于有用环氧树脂粘接、玻璃纤维连接技术和类似方法 形成整体的可能性，这个结构可以制作的特别轻，而且刚性特别大。 图8的电路布置也可以结合图9和10的结构来使用。虽然已经结合被认为是最实用和最优选的实施例对本发明作了介 绍，但应了解的是，本发明并不局限于所公开的实施例，恰恰相反， 本发明意图覆盖落在所附权利要求的精神和范围内的各种变形和等价 结构，所述权利要求的范围符合最宽泛的解释，以致于在法律允许下 包含所有这些变形和等价结构。
权利要求
1.一种风力发电机，包括定子结构；转子结构，包括具有旋转轴线的根环；与所述根环同心的轻质非磁性承载环；多个空气动力叶片，呈一定旋角以通过平行于所述对称轴线运动的风来旋转，每个所述叶片内端固定到所述根环上，在叶片的中点处叶片固定到所述承载环上；安装在承载环上的铁金属垫环；连接到垫环上的多个永久磁铁；安装在所述定子结构上并定位成在承载环上运动的多个滚子；多个发电机结构，其安装在所述定子结构上，紧邻所述滚子并与所述承载环隔开，以当所述承载环和磁铁旋转经过所述多个发电机结构时产生电能。
2. 如权利要求l所述的风力发电机，其中所述发电机结构包括多 对其上绕有电压产生线圈的铁芯，所述多个滚子中的一个滚子设置在 所述多对铁芯的每一对铁芯之间。
3. 如权利要求l所述的风力发电机，其中所述叶片具有变化的旋 角，每个叶片的最大旋角最接近根环。
4. 如权利要求l所述的风力发电机，其中所述非铁磁性承载环是 铝质的。
5. 如权利要求3所述的风力发电机，其中所述非铁磁性承载环是 铝质的。
6. 如权利要求l所述的风力发电机，其中所述叶片是用覆有强化 树脂的泡沫塑料制成的。
7. 如权利要求3所述的风力发电机，还包括放置在所述磁铁上面 的塑料轨道表面限定件。
8. 如权利要求7所述的风力发电机，其中所述垫环连接到所述承 载环的径向内表面上。
9. 如权利要求8所述的风力发电机，其中所述滚子靠在所述内表离间隔开。
10. 如权利要求1所述的风力发电机，其中所述垫环连接到所述 承栽环的背风面上。
11. 如权利要求10所述的风力发电机，其中所述滚子支撑所述背 风面。
12. 如权利要求1所述的风力发电机，其中提供将所述叶片夹到 所述承载环上的构件。
13. 如权利要求1所述的风力发电机，其中所述叶片整体结合到 所述承载环上。
14. 如权利要求1所述的风力发电机，其中所述发电机结构被布 线以产生三相电流。
15. 如权利要求8所述的风力发电机，其中还包括安装在所述定 子结构上并靠在所述承载环的背风面上的多个推力滚子。
16. 如权利要求10所述的风力发电机，其中所述永久磁铁嵌入在 所述承载环中。
17. 如权利要求16所述的风力发电机，其中所述永久磁铁嵌入在 所述承载环中。
18. 如权利要求17所述的风力发电机，其中所述轨道表面限定件 结合到所述承载环的背风面上。
19. 如权利要求1所述的风力发电机，其中所述叶片的数量是三个。
20. 如权利要求1所述的风力发电机，其中所述叶片的数量是六个。
21， 一种风力发电机，包括 定子结构；转子结构，其包括具有对称轴线的根环，与所述根环同心的承载环和固定在所述根环和所述承载环之间的多个空气动力叶片； 连接到所述承载环表面上连续排列的永久磁铁； 置于所述磁铁上的轨道表面限定件；多个滚子，其安装在所述定子结构上且被定位成在所述轨道表面 限定件上运动；和多个发电机结构，其安装在所述定子结构上，紧邻所述滚子并与 所述表面隔开，以当所述磁铁经过所述多个发电机结构时产生电能。
22. 如权利要求21所述的风力发电机，其中所述承载环是用塑料 制成的。
23. —种风轮，包括 具有对称轴线的根环； 与所述根环同心的外环；多个空气动力叶'片，呈一定旋角以通过平行于所述对称轴线运动 的风来旋转；每个所述叶片内端固定到所述根环上，在叶片的中点处叶片固定 到所述外环上；以及用于通过所述外环旋转支撑所述风轮的构件。
24. 如权利要求23所述的转子，还包括与所述外环的表面相连的 多个磁铁。
25. 如权利要求24所述的转子，其中所述表面是周向背风面。
26. 如权利要求23所述的转子，其中所述外环是用铝制成的。
27. 如权利要求23所述的转子，其中所述外环是用塑料制成的。
28. —种用于具有永久磁铁转子的风力发电机的定子结构，包括: 一对铁磁芯结构，具有安装在其上的线圏；和 紧靠在所述芯结构之间用于与所述转子表面接合的滚子。
全文摘要
本发明涉及一种风力发电源，其包括一个螺旋浆驱动的转子结构和一个定子结构，定子结构支撑绕在铁磁铁芯上的铜线束作为电压发生器。铁芯用硬橡胶滚子隔开成对布置，所述硬橡胶滚子与形成转子结构的一部分的承载环(load ring)的内表面接合。整个转子结构包括大直径的承载环和小直径的根环(root ring)以及从根环向外径向延伸并通过鞍形零件或整体连接在承载环上的多个空气动力叶片。承载环可以是铝的或塑料的。永久磁铁布置在承载环周围，以与电压发生器结构相互作用以产生三相电流。
文档编号F03D9/00GK101331317SQ200680033027
公开日2008年12月24日 申请日期2006年7月25日 优先权日2005年7月26日
发明者C·理查德·培根 申请人:培根集团有限责任公司