专利名称：垂直轴风力涡轮机及其发电机的制作方法
技术领域：
本公开一般涉及垂直轴风力涡轮机，且更具体地涉及具有多级轴向磁通发电机的垂直轴风力涡轮机。
背景技术：
世界对清洁能源的需求越来越大，并且最清洁和最丰富的来源之一是风能。传统上，一直采用水平轴风力涡轮机来利用风能，但这些涡轮机存在一些缺点。例如，当前的水平轴风力涡轮机由于齿轮和变速器大而导致其效率较低。通过使叶片朝向迎风气流不断重新取向而消耗寄生功率。水平轴风力涡轮机不能利用湍流风，且易于在疾风中被损坏。垂直轴风力涡轮机的特征在于叶片旋转轴与风向成直角。垂直轴风力涡轮机已投入使用了几十年，并且包括通过风力推动而移动的阻力型设计和因叶片产生的升力而移动的升力型设计。垂直轴风力涡轮机的主要优点在于其无需与吹风的方向对齐，从而节省了附加的电机和控制器的成本。然而，若干常见问题却阻碍了使垂直轴风力涡轮机获得广泛的商业认可的努力。垂直轴风力涡轮机的一个显著问题在于其由于部分旋转期间的阻力而使其效率较低，这是叶片形状和传动装置所致。所提出的一种解决方案是利用可枢转地安装在支承结构上的扁平风扇来捕获风力并使该支承结构旋转的风力涡轮机设计。因为这些风扇绕垂直轴运行，所以它们在代表广泛的风力捕获区域的顺风方向和较窄轮廓在进风之前沿其穿过以便产生较小阻力的逆风方向之间枢转。该设计的一个显著缺点在于扁平风扇在设计上并非高度气动化，因此操作困难而且缓慢，同时这些风扇会被离心力从其位置处拉出。在每次稍小部分的旋转期间，这些风扇仅间歇性地提供驱动力。另一种解决方案是在旋转框架上采用平板式叶片的风力涡轮机设计。两相叶片在垂直轴上保持平衡，以使得其在高阻力顺风位置和低阻力逆风位置之间枢转约170度。这种风力涡轮机展现出每转超过180度的阻力旋转，但在其背风区中逆风叶片对顺风叶片的叶片干扰降低了总效率。因此，在小于180度时发生有效的传力。其它解决方案为试图利用升力型设计。例如，一种解决方案公开了一种升力型垂直轴风力涡轮机，该升力型垂直轴风力涡轮机包括可枢转地安装在旋转底座上的垂直设置的叶片。因为叶片捕获风力且移动支架，所以它们会绕垂直轴运行。风向标控制的螺距调节装置不断使机翼相对于风向取向。该装置通过叶片来检测风向，并由此定位螺距控制法兰。此方法的一个缺点在于机翼定位仅在直接迎风位置和直接背风位置有效，在这两种情况下均采用侧风升力。关于升力型垂直轴风力涡轮机的另一种解决方案是采用“自由飞行”机翼，其中这些机翼根据其经受的局部动力条件来自定位，从而产生平衡条件，以便使发动机更有效。更具体地，本文献公开了一种垂直轴风力发动机，其具有安装在绕垂直轴旋转的底座上的转子。一个或多个机翼安装在转子上，以使得其在预设的第一和第二枢转移动极限(例如，由止动机构设置)之间自由枢转。该布置方式能够使上述机翼在其绕垂直轴运行时依靠风力来对齐，从而通过在低速下结合升力和阻力特性且在接近或超过局部风速的转子速度下转变为仅升力的特性而将风能更好地转化为可用的旋转能。限制风力和电枢的动作可确定机翼的位置。这些机翼自由旋转大约90度的弧度，这受止动机构的限定。移动跨距为从沿着安装臂的径向线(相对于垂直轴径向对齐)到垂直位置(相对于垂直轴切向对齐)之间。 该设计可使每个机翼设置其自身的瞬时角度并调节以适应发生在风力发动机外部和内部的相对风、风向转变等的条件，而无需使用外部调节装置或外部机构、风向标、离心调速器或其它控制装置。根据转子速度、湍流度、实际的相对风的变化以及单独影响所述每个机翼的其它因素来调节各个机翼以适应局部条件。然而，该设计的一个缺点在于因为这些机翼旋转了仅约90度的弧度(在可能的360度范围外)且受止动器限制，所以限制了效率。各种垂直轴风力涡轮机的另一个缺点类似于水平模式中存在的那些低效率的缺点，即支承垂直旋转部件的轴承承受的重量较大。除了由相对部件之间的摩擦引起的能量损失外，这还会导致需要定期更换轴承。
发明内容
根据背景技术，在本发明的一方面，提供了一种多级轴向磁通发电机，其包括绕轴线限定的支座。圆盘形定子组件耦接至支座。定子组件具有第一平面侧、与第一平面侧相对的第二平面侧以及沿所述轴线取向的中心孔。定子组件包括位于第一平面侧上限定至少两个操作电压输出级的多个线圈。多级轴向磁通发电机还包括绕所述轴线限定的且耦接至传动轴的圆盘形转子组件。转子组件包括固定至其平面表面的多个永久磁铁。这些永久磁铁紧密耦接至定子组件上的线圈。多级轴向磁通发电机还包括具有固定环和旋转环的轴承组件。固定环耦接至支座，旋转环耦接至转子组件。在本发明的另一方面，多级轴向磁通发电机还包括旋转增强组件。旋转增强组件包括耦接至转子组件的直径的转子增强磁铁。转子增强磁铁相对于从传动轴的轴线延伸的径向线以第一切向偏斜角对齐。第一切向偏斜角在1度至30度的范围内。旋转增强组件还包括固定至支座的固定增强磁铁。固定增强磁铁的同性极相对于从传动轴的轴线延伸的径向线以第二切向偏斜角对齐。第二切向偏斜角在1度至30度的范围内。在本发明的另一方面，多级轴向磁通发电机的电压输出级由线绕组直径和多个绕组限定。在本发明的另一方面，定子组件还包括位于第二平面侧上限定至少两个电压输出级的第二多个绕组。多级轴向磁通发电机还包括绕所述轴线限定的且耦接至传动轴的第二圆盘形转子部分，其中第二圆盘形转子部分包括固定至其平面表面的第二多个永久磁铁。 第二多个永久磁铁紧密耦接至定子组件上的第二多个绕组。在本发明的另一方面，提供了一种垂直式风力涡轮机，其包括绕轴线限定的支座、轴承组件、具有近端和相对的远端的传动轴，以及多级轴向磁通发电机。轴承组件包括固定环和旋转环，其中固定环耦接至支座。传动轴耦接至轴承组件的旋转环，并且多个翼板耦接至传动轴。多级轴向磁通发电机包括耦接至传动轴的转子组件和耦接至支座的定子组件。 转子组件包括多个永久磁铁，并且定子组件包括限定至少两个电压输出级的多个线圈。转子组件上的永久磁铁紧密耦接至定子组件上的线圈。在本发明的另一方面，风力涡轮机还包括耦接至传动轴的翼板组件。该翼板组件包括翼板轮毂以及耦接至翼板轮毂的多个翼板安装臂。多个翼板耦接至翼板安装臂。在本发明的另一方面，轴承组件为磁性轴承组件，且多个翼板限定垂直载荷。垂直载荷的至少一部分被磁性轴承组件抵消。在本发明的另一方面，支座包括壳体部分和与所述轴线同心的支承柱。在本发明的另一方面，轴承组件的固定环耦接至支承柱，且轴承组件的旋转环耦接至传动轴的近端。在本发明的另一方面，多级轴向磁通发电机的转子组件耦接至传动轴的远端，且定子组件耦接至支座的壳体部分。在本发明的另一方面，多个翼板耦接至传动轴的近端。在本发明的另一方面，垂直式风力涡轮机还包括旋转增强组件。该旋转增强组件包括耦接至转子组件的直径的转子增强磁铁。转子增强磁铁相对于从传动轴的轴线延伸的径向线以第一切向偏斜角对齐。第一切向偏斜角在1度至30度的范围内。旋转增强组件还包括固定至支座的固定增强磁铁。固定增强磁铁的同性极相对于从传动轴的轴线延伸的径向线以第二切向偏斜角对齐。第二切向偏斜角在1度至30度的范围内。在本发明的另一方面，提供了一种用于操作多级轴向磁通发电机的方法，其包括提供绕轴线限定的定子组件的步骤。定子组件包括限定至少两个操作电压输出级的多个线圈。这些线圈与电压装置电气连通。用于操作多级轴向磁通发电机的方法还包括以下步骤提供绕所述轴线限定的转子组件，将转子组件设置在足够靠近定子组件的位置处，以使得转子组件绕所述轴线的旋转在线圈中产生磁场，通过外力来驱动转子组件，以及当转子组件的旋转速度增加时，将连续的操作电压输出级加至电压装置。转子组件包括多个永久磁铁。在本发明的另一方面，翼板组件耦接至转子组件。当风速达到5英里/小时时，将第一操作电压输出级加至电压装置。
为了进一步理解本发明，将参考本发明的以下详细说明，应结合附图来阅读该详细说明，其中图1为根据本发明的实施方案的垂直轴风力涡轮机的透视图；图2为图1的垂直轴风力涡轮机的横截面图，该横截面通过传动轴的垂直轴截取；图3为图1的垂直轴风力涡轮机的多级轴向磁通发电机的分解透视图；图4为图1的垂直轴风力涡轮机的旋转增强组件的透视图；图5为图4的旋转增强组件的一部分的平面图6为根据本发明的另一个实施方案的垂直轴风力涡轮机的透视图；以及图7为图1的垂直轴风力涡轮机的俯视图。
具体实施例方式参见图1，垂直轴风力涡轮机100 —般包括支座2，在一个实例中，该支座安装在屋顶上。在所公开的实施方案中，支座2包括多级轴向磁通发电机6设置在其中的壳体部分 4。支座2还可包括垂直延伸的支承柱8，用以为安装在其上的翼板组件10提供支撑。翼板组件10包括翼板轮毂12、固定至翼板轮毂12的多个翼板安装臂14，以及附接至翼板安装臂14的多个翼板16。翼板轮毂12为具有上法兰18、下法兰20和中央加强环22的空心圆柱。顶盖M保护旋转部件不暴露在外部环境中。位于翼板轮毂12顶部的翼板安装臂14固定在上法兰18和上轮毂沈之间。位于翼板轮毂12底部的翼板安装臂14 固定在下法兰20和下轮毂观之间。上轮毂沈和下轮毂观均由轴承组件支承，如将在下文中所详细描述的。翼板加强臂30附接至翼板16的中跨且栓接至加强环22，以向大型翼板16提供附加刚度。与本领域中已知的且用于垂直式风力涡轮机的常规机翼形状不同，本发明中所公开的翼板16具有非常低的宽高比。如本文中所使用的，宽高比被定义为翼展(例如，翼板的高度)的平方除以翼板平面形的面积。翼板16被设计为捕集风力，而并不只是产生气动升力。翼板16为刚性的，并且可由例如玻璃纤维、碳纤维或铝制造。现转到图2，垂直轴风力涡轮机100以横截面示出，以更好地示出旋转部件。为了清楚起见，移除了翼板16、翼板安装臂14和翼板加强臂30。传动轴32绕垂直轴34在支承柱8中旋转。上轮毂沈固定至传动轴32的顶部或近端36。这样，由吹在翼板16上的风引起的翼板轮毂12的旋转便直接传送至传动轴32。在所公开的实施方案中，上轮毂沈由锥形轴承38支承。轴承38的内座圈固定至邻接支承柱8的顶面的上止动环40，且其外座圈固定于上轮毂26中。类似地，下轮毂观由第二锥形轴承42支承。所述轴承的内座圈固定至与支承柱 8 (该支承柱被横截)的表面接触的下止动环44，且其外座圈由下轮毂观固定。另外，下轮毂28以及翼板组件10的很大部分重量由磁性轴承组件46支承。磁性轴承组件46包括两个半部分固定至下轮毂观的底部且自由旋转的上半部分46a和固定至支承柱8的下半部分46b。在所公开的实施方案中，下半部分46b固定至磁性轴承支架48，且磁性轴承支架固定至支承柱8。在一个实例中，磁性轴承组件46由两个45级钕磁铁构成。测得每个轴承半部分的外径为6英寸，内径为4英寸，且厚度为0. 5英寸。磁性轴承组件46可用于卸去垂直轴风力涡轮机100的旋转部件的几乎所有重量，从而可使该组件“悬浮”在垂直轴34中。 另外，磁性轴承组件46理论上可吸附阵风等引起的瞬时抖振载荷。传动轴32的下端或远端50耦接至多级轴向磁通发电机6。发电机6还由下轴承 52支承，该发电机在一个实施方案中为常规的汽车轮毂组件。下轴承的固定部分5 安装在支座2上，且旋转部分52b将发电机6的旋转部件固定至传动轴环M。该传动轴环M被紧固至传动轴32的远端50。转到图3，多级轴向磁通发电机6包括固定定子组件56和至少一个转子组件58。 在所公开的实施方案中，多级轴向磁通发电机6包括第二转子组件60，其优点将在下文讨论。定子组件56包括刚性附接至支座2 (未示出)的圆盘形非磁性定子壳体62。多个线圈64间隔设置在定子壳体62的外围周围。线圈64可为有芯线圈或无芯线圈。当附近通过磁场时，线圈64会产生电流。线圈64分为至少两组或两级的操作输出电压。通过利用多级输出电压，本发明的多级轴向磁通发电机6在较大的风速范围内产生有效功率。在所公开的实施方案中，利用了由线圈64a、64b、64c和64d表示的四个电压输出级。这四个电压输出级以按序重复的方式来布置，如图3所示。每个电压输出级均被设计成在转子组件58的不同旋转速度时开始产生有效电压(这将在下文中进行详细描述)，并且在不同旋转速度时进一步达到其峰值效率。可能存在用于将线圈64固定到定子壳体62内的若干构造。在所公开的实施方案中，在定子壳体62内加工与线圈64的数量相等的多个切口。可将线圈64压力配合、用环氧树脂粘合或以其它方式固定到这些切口内。在给定的实例中，切口为优选的，以便暴露定子壳体62的两个平面表面上的线圈64。然而，在另一个实施方案中，其中利用了单个转子组件58 (例如，第二转子组件60不存在)，则更可取的是在定子壳体62内加工槽口(而非切口)。在另一个实例中，线圈64可被装入或嵌入定子壳体62内。多级轴向磁通发电机6的转子组件58包括圆盘形转子壳体66，其中该壳体66的周边的周围固定有多个永久磁铁68。转子壳体66可由例如钢来制造。磁铁68的放置可使得其磁场通量与传动轴的轴线34平行，从而与轴向磁通发电机平行。磁铁68被设置为紧密耦接至定子组件56上的线圈64，以使得来自每个磁铁68的磁通场均在线圈64中引起电流。这样，便可实现足够的有效电流。在一个实例中，测得厚度为2英寸Xl英寸X0. 5英寸的三十六(36)个42级矩形钕磁铁固定至转子壳体66，这些磁铁与线圈64的紧密耦接距离为约0. 0625英寸。在一个实施方案中，四级线圈64用于定子组件56中，其中每级中有十二(12)个线圈。在一个实例中，1级包括23号(gage)漆包绕组线的450个绕组，2级包括22号线的 375个绕组，3级包括21号线的340个绕组，并且4级包括20号线的290个绕组。因此，对于任何给定风速，第一级会产生最高电压，第二级会产生第二最高电压，以此类推。表I显示了每级对于给定风速而产生的理论电压。参照表I可见，1级在5英里/小时(mph)时开始产生有效电压输出(定义为13伏特)。在Smph时，2级开始产生有效电压，而1级产生 24伏特的电压。在14mph时，3级开始产生有效电压，而2级产生M伏特的电压，且1级产生36伏特的电压。最后，在1 Smph时，4级开始产生有效电压，而在相同的风速下，3级产生 24伏特的电压，2级产生36伏特的电压，并且1级产生48伏特的电压。表 I
权利要求
1.一种多级轴向磁通发电机，其包括绕轴线限定的支座；耦接至所述支座的圆盘形定子组件，所述定子组件具有第一平面侧、与所述第一平面侧相对的第二平面侧，以及沿所述轴线取向的中心孔，所述定子组件包括位于所述第一平面侧上限定至少两个操作电压输出级的多个线圈；绕所述轴线限定的且耦接至传动轴的圆盘形转子组件，所述转子组件包括固定至其平面表面的多个永久磁铁，所述永久磁铁紧密耦接至所述定子组件上的所述线圈；以及具有固定环和旋转环的轴承组件，所述固定环耦接至所述支座，所述旋转环耦接至所述转子组件。
2.根据权利要求1所述的多级轴向磁通发电机，还包括旋转增强组件，其包括耦接至所述转子组件的直径的转子增强磁铁，所述转子增强磁铁相对于从所述传动轴的所述轴线延伸的径向线以第一切向偏斜角对齐，所述第一切向偏斜角在1度至30度的范围内；以及固定至所述支座的固定增强磁铁，所述固定增强磁铁的同性极相对于从所述传动轴的所述轴线延伸的径向线以第二切向偏斜角对齐，所述第二切向偏斜角在1度至30度的范围内。
3.根据权利要求2所述的多级轴向磁通发电机，其中所述第一和第二切向偏斜角介于 15度和20度之间。
4.根据权利要求1所述的多级轴向磁通发电机，其中所述电压输出级由线绕组直径和多个绕组限定。
5.根据权利要求1所述的多级轴向磁通发电机，其中所述定子组件包括至少四个操作电压输出级。
6.根据权利要求5所述的多级轴向磁通发电机，其中所述第一输出级包括具有大约 450个绕组的23号线，所述第二输出级包括具有大约375个绕组的22号线，所述第三输出级包括具有大约340个绕组的21号线，且所述第四输出级包括具有大约290个绕组的20号线。
7.根据权利要求1所述的多级轴向磁通发电机，其中所述定子组件包括至少十个操作电压输出级。
8.根据权利要求1所述的多级轴向磁通发电机，其中所述定子组件还包括位于所述第二平面侧上限定至少两个电压输出级的第二多个绕组，且所述多级轴向磁通发电机还包括绕所述轴线限定的且耦接至所述传动轴的第二圆盘形转子部分，所述第二圆盘形转子部分包括固定至其平面表面的第二多个永久磁铁，所述第二多个永久磁铁紧密耦接至所述定子组件上的所述第二多个绕组。
9.一种垂直式风力涡轮机，其包括绕轴线限定的支座；包括固定环和旋转环的轴承组件，所述固定环耦接至所述支座；具有近端和相对的远端的传动轴，所述传动轴耦接至所述轴承组件的所述旋转环；多级轴向磁通发电机，其包括耦接至所述传动轴的转子组件和耦接至所述支座的定子组件，所述转子组件包括多个永久磁铁，所述定子组件包括限定至少两个电压输出级的多个线圈，其中所述转子组件上的所述永久磁铁紧密耦接至所述定子组件上的所述线圈；以及耦接至所述传动轴的多个翼板。
10.根据权利要求9所述的垂直式风力涡轮机，还包括旋转增强组件，其包括耦接至所述转子组件的直径的转子增强磁铁，所述转子增强磁铁相对于从所述传动轴的所述轴线延伸的径向线以第一切向偏斜角对齐，所述第一切向偏斜角在1度至30度的范围内；以及固定至所述支座的固定增强磁铁，所述固定增强磁铁的同性极相对于从所述传动轴的所述轴线延伸的径向线以第二切向偏斜角对齐，所述第二切向偏斜角在1度至30度的范围内。
11.根据权利要求10所述的垂直式风力涡轮机，其中所述第一和第二切向偏斜角介于 15度和20度之间。
12.根据权利要求9所述的垂直式风力涡轮机，还包括耦接至所述传动轴的翼板组件， 所述翼板组件包括翼板轮毂，多个翼板安装臂耦接至所述翼板轮毂，所述多个翼板耦接至所述翼板安装臂。
13.根据权利要求9所述的垂直式风力涡轮机系统，其中所述轴承组件为磁性轴承组件且所述多个翼板限定垂直载荷，所述垂直载荷的至少一部分被所述磁性轴承组件抵消。
14.根据权利要求9所述的垂直式风力涡轮机系统，其中所述支座包括壳体部分和支承柱，所述支承柱与所述轴线同心。
15.根据权利要求14所述的垂直式风力涡轮机系统，其中所述轴承组件的所述固定环耦接至所述支承柱，且所述轴承组件的旋转环耦接至所述传动轴的所述近端。
16.根据权利要求14所述的垂直式风力涡轮机系统，其中所述轴向磁通发电机的所述转子组件耦接至所述传动轴的所述远端，且所述定子组件耦接至所述支座的所述壳体部分。
17.根据权利要求14所述的垂直式风力涡轮机系统，其中所述多个翼板耦接至所述传动轴的所述近端。
18.根据权利要求9所述的垂直式风力涡轮机系统，其中所述定子组件还包括限定至少两个电压输出级的第二多个绕组，且所述垂直式风力涡轮机系统还包括绕所述轴线限定的且耦接至所述传动轴的第二转子组件，所述第二转子组件包括固定至其平面表面的第二多个永久磁铁，所述第二多个永久磁铁紧密耦接至所述定子组件上的所述第二多个绕组。
19.一种垂直式风力涡轮机，其包括绕轴线限定的支座；包括固定环和旋转环的轴承组件，所述固定环耦接至所述支座；具有近端和相对的远端的传动轴，所述传动轴耦接至所述轴承组件的所述旋转环；轴向磁通发电机，其包括耦接至所述传动轴的转子组件和耦接至所述支座的定子组件，所述转子组件包括多个永久磁铁，所述定子组件包括多个线圈，其中所述转子组件上的所述永久磁铁紧密耦接至所述定子组件上的所述线圈；耦接至所述转子组件的直径的转子增强磁铁，所述转子增强磁铁相对于从所述传动轴的所述轴线延伸的径向线以第一切向偏斜角对齐，所述第一切向偏斜角在1度至30度的范围内；固定至所述支座的固定增强磁铁，所述固定增强磁铁的同性极相对于从所述传动轴的所述轴线延伸的径向线以第二切向偏斜角对齐，所述第二切向偏斜角在1度至30度的范围内；以及耦接至所述传动轴的多个翼板。
20.根据权利要求19所述的垂直式风力涡轮机，其中所述轴向磁通发电机为多级轴向磁通发电机，所述定子组件上的所述多个线圈限定至少两个电压输出级。
21.一种用于操作多级轴向磁通发电机的方法，其包括以下步骤提供绕轴线限定的定子组件，所述定子组件包括限定至少两个操作电压输出级的多个线圈，所述线圈与电压装置电气连通；提供绕所述轴线限定的转子组件，所述转子组件包括多个永久磁铁；以及将所述转子组件设置在足够靠近所述定子组件的位置处，以使得所述转子组件绕所述轴线的旋转在所述线圈中产生磁场；通过外力来驱动所述转子组件；以及当所述转子组件的旋转速度增加时，将连续的操作电压输出级加至所述电压装置。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述电压装置为整流器。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括提供耦接至所述转子组件的翼板组件的步骤，其中驱动所述转子组件的所述外力为风能。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述多个线圈限定至少四个操作电压输出级。
25.根据权利要求21所述的方法，其中所述转子组件限定垂直载荷，且所述方法还包括提供磁性轴承组件以抵消所述垂直载荷的至少一部分的步骤。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括以下步骤提供耦接至所述转子组件的翼板组件，以及当风速达到5英里/小时时，将所述第一操作电压输出级加至所述电压装置。
全文摘要
本发明提供了一种垂直式风力涡轮机，其包括绕轴线限定的支座、轴承组件、具有近端和相对的远端的传动轴，以及多级轴向磁通发电机。轴承组件包括固定环和旋转环，其中固定环耦接至支座。传动轴耦接至轴承组件的旋转环，且多个翼板耦接至传动轴。多级轴向磁通发电机包括耦接至传动轴的转子组件和耦接至支座的定子组件。转子组件包括多个永久磁铁，且定子组件包括限定至少两个电压输出级的多个线圈。转子组件上的永久磁铁紧密耦接至定子组件上的线圈。
文档编号F03D3/06GK102483035SQ201080022976
公开日2012年5月30日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年5月22日
发明者德里克·格拉斯曼 申请人:德里克·格拉斯曼