专利名称：直线风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明属于风カ发电领域，是ー种直线风カ发电机。
背景技术：
目前使用的风カ发电机有多种类型，包括，水平轴螺旋桨型风カ发电机、水平轴萨瓦里欧斯型风カ发电机、垂直轴S型风カ发电机、垂直轴风杯型风カ发电机、垂直轴达里厄型风カ发电机、垂直轴机翼型风カ发电机。其中，水平轴螺旋桨型风力发电机的转换效率最高，所以，在商业运行中得到快速发展和广泛应用。洁净再生的风能电力得到世界各国能源机构的高度重视，世界各国风カ发电量比例逐年上升，中国的风カ发电装机容量更是连年倍増。洁净再生的风能电力正在努力从补充能源地位向主导能源地位迈进。但是，现代风カ发电机，即水平轴螺旋桨型风カ发电机，还存在着如下几方面的不足和缺陷，致使风能电力难以成为主导能源
(1)单机容量小占地面积大
现代商业运行的风カ发电机最大容量为5MW，英国运行了 7MW的实验机；而火力发电机组最大单机容量为1300MW，单机容量为600MW和1000MW机组更是很常见。相比之下，风カ发电机组的单机容量显得太小了。ー个50MW的风カ发电场占地9 18km2，工程占地率为180000 360000m2/MW ;—座2X600MW火力发电厂占地O. 5 2. 1km2，工程占地率为417 1750 m2/MW。可见，单机容量小占地面积大是风能电力的主要缺点之一，尤其考虑到人类赖以生存的有限地球表面，这个缺点更值得风能电力科技工作者的关注；
(2)丢弃了风カ机上方空间和下方空间的能量
现代风力发电机都是在钢塔顶部安装一台风カ发电机，钢塔高度为风カ机直径的O. 97 I. 4倍。在风カ机的下方，有O. 47 O. 9倍风カ机直径的高度空间内的风能被丢弃了。在风カ机的上方，相对我国的钢塔技术能力，丢弃的风能就更多了。因为，我国的钢塔技术已经达到数百米，例如，江苏广播电视塔305. 5米、哈尔滨电视塔336米、中央广播电视塔386. 5米、天津广播电视塔415. 2米、上海的东方明珠塔468米，而风カ发电使用的较高的钢塔仅达到ー百多米，例如，I. 5丽风电机组，风轮直径70 77m，塔架高65 70m ;德国富兰德公司2. 5MW风カ发电装置轮毂高度117m，风轮直径86m ;德国REPower公司5MW风カ发电装置轮毂高度123m，风轮直径126m ;德国ENERC0N公司6MW风机，风轮直径114m，轮毂高度124m。并且，离地面越高风カ越大(风速切变)，风カ机上方空间被丢弃的能量就越多。根据以上数据可以估计，同时考虑风速切变，风カ机上方空间和下方空间丢弃的能量相当于现代风カ发电机容量的2 4倍。显然，现代技术的“一座钢塔一台风カ机”的基本模式，是丢弃大量风能电力的主要原因；
(3)旋转运动是风力机长叶片效率低的主要原因之一
在现代风力发电机中，效率最高的是水平轴螺旋桨型风カ发电机，其基本结构都是几根长叶片带动风カ机轴旋转，驱动发电机发电。但是，旋转是风カ机效率低的原因之一。根据叶片素理论和机械功的基本定义，叶片素(在某旋转半径r处，垂直于旋转半径r切下的一小段叶片)从风能转换的机械功率&N (W)用公式(I)计算，
Λ / -■ F■■■( I )
其中，/7U为叶片素受到的空气圆周方向升力(N)，y为叶片素圆周方向线速度(m/s)，ω为叶片旋转速度(弧度/秒)，r为叶片素所在的旋转半径(m)。可见，叶片素转换的机械功率与叶片素所在的旋转半径成正比，叶片素的旋转半径越小，即，离旋转轴越近的叶片素功率越小。再考虑叶尖损失，无论从理论计算还是科学实验都可以得出结论只有在相对半径
O.73 O. 83的较小范围内(相对半径变化量为O. I)，叶片素功率是较大的，而在其他较大相对半径范围内(相对半径变化量为O. 9)叶片素功率均有不同程度的減少。表I为利用公式(I)和空气动力学方法计算的叶片素功率，图表I为利用表I数据绘制的曲线图。从表I可见，相对半径O. 23处的叶片素功率减少到不足相对半径O. 63 O. 93处的叶片素功率之一半。结合公式(I)可以看出，离旋转轴较近的叶片素转换能力差的主要原因是其圆周 方向线速度很低，即，旋转使叶片效率低。表I叶片素转换的机械功率与叶片素所在的旋转半径的关系(风速10m/s)
時#童输 Γ iJSi j LSl 2Λ5 i~23 i54 f 2J7 I 3 I 3J3 mm 一 3-43 IJ 3.75 3M SM SM 3J7 2Λ7 _繼画 OJ3 OJS 0.43 OJi _ §M
_[睡 f IUB i.73 [iJi §JS3 [ #JB J OJ3 J ΟΛ
(4)叶片长度不可能无限加长
为了增加风カ发电装置的单机容量，叶片长度已经超过60m，随着叶片长度的増加，叶片在飓风中折断的事故也有所増加。无论从理论上论证，还是在实际应用中证实，叶片长度都不可能无限加长。因此，风カ发电技术领域迫切需要寻找ー种不增加叶片长度也能够继续大幅度增加风カ发电装置单机容量的风カ发电机。
发明内容
本发明的目的是，对现有技术进行实质性改进和创新，在不增加占地面积、不增加叶片长度的前提下，使叶片在磁悬浮轨道上沿着水平直线运动，充分发挥了每段叶片素的转换潜力，并且采用分层布置的风カ发电机结构，风能利用和转化率高，发电成本低，适于大面积推广应用的直线风カ发电机。实现本发明目的所采用的技术方案是，ー种直线风カ发电机，其特征是它包括与地下基础固连的固定钢塔，在钢塔上设置围绕钢塔定轴转动的若干层结构相同的风カ发电机単元，每层风力发电机単元均包括，偏航机构、发电単元、叶片安装角自动就位复位装置、刹车机构和充电机构，所述的每层偏航机构的结构是，在钢塔上固定有上、下偏航轨道，在上、下偏航轨道之间设置电机驱动的骨架エ字钢，在骨架エ字钢上、下端设置的轨道轮均分别与上、下偏航轨道相接触，骨架エ字钢通过桁架与跑道型磁悬浮轨道固连；所述的发电单元包括发电机静子和磁悬浮动子，发电机静子包括绕组、硅钢片铁芯和安装压板，绕在硅钢片铁芯上的绕组通过安装压板固定在磁悬浮轨道的底座上，并与磁悬浮动子的发电永磁铁间隙配合，磁悬浮动子包括发电永磁铁、空心轭、联合板、折页和悬浮永磁铁，磁悬浮轨道在与空心轭相对的表面装有悬浮永磁铁,空心轭通过联合板置于磁悬浮轨道内，发电永磁铁置于空心轭上，折页固定在联合板和空心轭的侧壁上，磁悬浮动子与磁悬浮轨道为间隙配合；叶片安装角自动就位复位装置包括叶片轴、复位弹簧、前限位块、后限位块、突出块、轴承和叶片，叶片与叶片轴固定，突出块固定在叶片轴上；前限位块和后限位块固定在轴承上，复位弹簧的一端固定在轴承上，另一端固定在叶片轴上；刹车机构和充电机构安装在空心轭的内部。所述的刹车机构的结构是，刹车电动机的转子与蜗杆同轴固连，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮与齿轮固连，齿轮与齿条啮合，齿条固连在刹车片上。所述的充电机构的结构是，充电电动机的转子与蜗杆同轴固连，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮与齿轮固连，齿轮与齿条啮合，齿条固连在电刷上。本发明的直线风カ发电机的优点体现在
1.采用永磁悬浮实现了叶片的直线运动，使得更多的叶片素达到高效率，整个叶片 的转换效率也随之提高，同时，根据楞次定律和右手规则，改进发电机转子为直线移动的动子;
2.采用了分层独立的风カ发电机单元，符合风速离开地面逐渐升高，风速切变的客观规律，避免了高空叶片与低空叶片的功率抵消，使得每ー层风カ发电机单元都可以运行在各自的最佳叶片速度下，跟踪最大功率；
3.装有水平直线运动叶片的分层独立的风カ发电机单元与现代钢塔技术相结合，在不増加占地面积的条件下，低空和高空的风能被同时捕捉转换，并且是两次捕捉转换，在相同的占地面积上能够更有效的利用风能；
4.其风能转化率高，发电成本低，适于大面积推广应用。
图I为直线风カ发电机结构主视示意 图2为图I的侧视 图3为直线风カ发电机结构轴测示意 图4为直线风カ发电机的任一层主视示意 图5为图4的侧视 图6为图4的俯视 图7为直线风カ发电机的任一层轴测示意 图8为偏航机构侧视示意 图9为偏航机构轴测意 图10为叶片结构放大示意 图11为发电単元结构轴测图一；
图12为发电単元结构轴测图ニ；
图13为发电单元结构侧视断面 图14为磁悬浮动子轴测 图15为发电机静子轴测 图16为直线发电机工作原理图；图17为空心辄制造安装不意 图18为空心轭内部的刹车机构和充电机构示意 图19为刹车机构意 图20为充电机构示意 图21为叶片安装角自动就位复位装置轴测示意 图22为叶片安装角自动就位复位装置俯视图。图中1发电永磁铁,2空心轭,3悬浮永磁铁,4折页,5联合板,6磁悬浮轨道,7绕组，8轴承，9叶片，10铁芯，11安装压板，12止退螺栓，13刹车片，14齿轮，15蜗轮，16齿条，17蜗杆，18电动机，19电刷，20钢塔，21轨道轮，22骨架エ字钢，23偏航轨道，24叶片轴，25复位弹簧，26后限位块，27突出块，28前限位块，29低压电カ滑线，30蓄电池，31控制器，32桁架，33偏航机构，34发电单元，35磁悬浮动子，36发电机静子，37刹车机构，38充电机构，39叶片安装角自动就位复位装置。
具体实施例方式下面利用附图和实施例对本发明作进ー步说明。如图I 图3所示，本发明的直线风カ发电机由若干层各自独立的风カ发电机单元组成，本具体实施方式
的直线风カ发电机为12层相同的结构，每层21m，总计高度252m。钢塔20与地下基础固定，是直线风カ发电机偏航的回转中心；本具体实施方式
的钢塔20采为常用技术手段制作，它由钢板分段焊制，螺栓连接成一座钢塔，其内部设置有缓台、升降梯、电缆、并网控制装置。钢塔20的地下基础根据建设地点的地质情况选择常用方案。如图4 图8和图11 图13所示，本发明的直线风カ发电机由12层各自独立的风カ发电机单元组成，每层风力发电机単元具有相同的结构，主要部件包括钢塔20、磁悬浮轨道6、叶片9、偏航机构33、桁架32和发电单元34。如图4 图7、图10和图21所示，磁悬浮轨道6是跑道型的，并且是上下两根，以保持叶片9的垂直位置。叶片9通过轴承8与磁悬浮动子35安装在磁悬浮轨道6上。叶片9在风压力作用下，在磁悬浮轨道6的直线段拖动磁悬浮动子35发电，在磁悬浮轨道6的转弯段改变叶片安装角，然后再次进入磁悬浮轨道6的直线段，周而复始，连续运转。如图8和图9所示，偏航机构33的主要部件包括骨架エ字钢22、钢塔20、轨道轮21、偏航轨道23。由电机驱动的骨架エ字钢22为直径大于钢塔20的圆形エ字钢，其上表面和下表面都安装有若干轨道轮21。所述上下两组轨道轮21被限制在上下两根圆形偏航轨道23之间。所述圆形偏航轨道23被固定在钢塔20外壁。如此，骨架エ字钢22可以通过轨道轮21围绕钢塔20自由回转，并且可以承担三个坐标方向推力和两个坐标方向的弯矩。如图6、图7和图9所示，跑道型磁悬浮轨道6通过桁架32与骨架エ字钢22固定连接成为一体，在所述上下两组轨道轮21中，在圆周上均匀选出6个轨道轮21作为动カ轨道轮被驱动电机带动。如此，根据风向信号和控制中心的指令，启动驱动电机，带动轨道轮21，使跑道型磁悬浮轨道6载着叶片9、磁悬浮动子35和发电机静子36做偏航回转运动，以跟踪最大功率方向，也可以避开风向以降低叶片9的输出功率。驱动电机需要的电カ通过围绕钢塔20的常规电カ滑线供应。由于风カ的不稳定性，电气系统采用“整流一逆变一并网”的控制方式，其控制方式为本领域技术人员所熟透的技术，即，直线发电机转换的不规则交流电首先被整流器整流为直流电，再经过逆变器转换为三相交流电并入当地电网。直线发电机发出的电能通过围绕钢塔20的另ー组电カ滑线进入钢塔20内。如图9 图15所示，本发明的直线风カ发电机的每ー层的磁悬浮轨道6上均设有若干个发电単元34。发电单元34是生产电能的基本単元，它包括发电机静子36和磁悬浮动子35。发电机静子36主要由绕组7、硅钢片铁芯10、安装压板11组成。发电机静子36的绕组7固定在磁悬浮轨道6的底座上，并与磁悬浮动子35的发电永磁铁I保持一定的间隙。磁悬浮动子35的主要作用是支撑叶片9并保持其垂直位置，沿着磁悬浮轨道6做直线运动，携帯发电永磁铁I从绕组7旁掠过，配合发电机静子36完成“机械能一电流能”的转换过程。磁悬浮动子35由发电永磁铁I、空心轭2、联合板5、折页4、悬浮永磁铁3和止退螺栓12组成。磁悬浮轨道6与普通轨道的主要区别是，其一，底座要宽ー些以安装发电机静子36 ;其ニ,在与空心轭2相对的表面装有悬浮永磁铁3,与空心轭2的悬浮永磁铁3形成同极排斥的磁悬浮状态。如此完成了磁悬浮动子35与磁悬浮轨道6的不接触定位，磁悬浮动子35在风カ机叶片的带动下只能做垂直于图13的直线运动，并且是没有机械摩擦损 耗的直线运动。图11和图12为磁悬浮动子35和发电机静子36安装在磁悬浮轨道6上的两方向轴测图。本发明所述的直线风カ发电机的每ー层均具有多个所述的发电机静子36，起到生产电能和汇集电能的作用。发电机静子36靠螺栓固定在磁悬浮轨道6的两侧。磁悬浮动子35靠悬浮永磁铁3的排斥力，与磁悬浮轨道6实现无接触安装，并被限制仅能沿着磁悬浮轨道6的长度方向移动，也就是仅能穿过发电机静子36的两个绕组之间的空间。发电机静子36的绕组7与磁悬浮动子35的发电永磁铁I之间的净空距离最佳为4 5_。从表I中可见，只有在相对半径O. 73 O. 83的较小范围内，叶片素的转换功率最高。直线发电机原理是，如果能使风カ机叶片沿着直线运动，而不是现代风カ机那样旋转运动，就能使叶片上每个叶片素，除了叶尖以外，都能达到现代风カ机相对半径O. 73 O. 83处的叶片素的转换能力。为此需要使用直线发电机，其工作原理可以借助图16说明，其中有两块永久磁铁，共四个磁极，分别标有N1. S1, N2, S2，安装在直线发电机动子上，在风カ机叶片的带动下，自右向左做直线运动，如图中箭头所示。在图16中，也有四个绕组，是直线发电机静子的主要组成部分。从结构设计上，要求相邻绕组的缠绕方向相反，并且绕组之间的距离等于发电机动子上磁极之间的距离。当磁极自右向左做直线运动的时候，根据楞次定律和右手规则，四个绕组中产生的感生电流方向如图16中的环形箭头所示。如此，由于各个绕组的连接关系，便形成了电流从最右边绕组的进ロ进入，并且从最左边绕组的出口离开的流动过程。当磁极中心越过绕组中心的时候，根据楞次定律和右手规则，四个绕组中产生的感生电流突然转向，即，与图16环形箭头所示方向相反。可见，这是ー种交流发电机。如图16所示，为显现本发明的直线发电机的构思，给出了两个基本単元的绕组相连接结构示意。从发电原理上讲，ー块永久磁铁的N扱、S极和两个绕组即可组成直线发电机的基本単元。如图21和图22所示，叶片安装角自动就位复位装置39包括叶片轴24、复位弹簧25、后限位块26、前限位块28、突出块27、轴承8和叶片9。叶片9与叶片轴24固定连接，并且，叶片轴24不在叶片9的カ矩中心线上，而是靠近叶片的前缘点；突出块27固定在叶片轴24上；后限位块26和前限位块28固定在轴承8上；复位弹簧25的一端固定在轴承8上，另一端固定在叶片轴24上。本发明所述的直线风カ发电机，在正常发电运行中，磁悬浮轨道6的直线段是垂直于风向的。以图6为例，并且按照地图的方向約定“上北下南左西右东”，风从南吹向北，即正南风，风首先吹过的磁悬浮轨道6的直线段称为前直线段，然后再次吹过的磁悬浮轨道6的直线段称为后直线段。如果，叶片9在前直线段上是自西向东运动的，则在后直线段上就自东向西运动，并且由于风速不同需要不同的安装角，即，叶片断面弦线与叶片运动方向的夹角。本发明的叶片9为对称结构，即叶片9的弦线就是对称中心线。当风速为零时，在复位弹簧25的作用下，叶片9的弦线均平行于磁悬浮轨道6，电气处于离网状态。当风速大于零但小于启动风速时，位于前直线段的叶片9以叶片轴24为轴顺时针转过若干角度，位于后直线段的叶片9以叶片轴24为轴逆时针转过若干角度，但都没有达到极限位置，此时，叶片9静止或缓慢地不稳定地运动，电气处于离网状态。当风速大于启动风速并小于切出风速时，位于前、后直线段的叶片9都绕叶片轴24转到极限位置，位于前直线段的叶片9的突出块27与前限位块28接触并被其限位，位于后直线段的叶片9的突出块27与后限位块26接触并被其限位，此时电气处于并网状态。如果电功率超过额定，根据超过额定延时的时间长短，可以启动偏航机构33或使用电磁减速降低风カ机的输出功率。可见，叶片安装角的自动就位，靠的是叶片9的カ矩中心线与叶片轴24中心线的 偏置结构，在风カ产生的カ矩作用下叶片9绕叶片轴24转动，并被后限位块26和前限位块28限位而实现的。所述叶片安装角的自动就位之理论依据是，采用著名的Wilson叶片素动量理论计算分析可以得出，在不同风速中且采用变速运行方式，风カ产生的カ矩使叶片9绕叶片轴24转过的最佳安装角是不变的，即，虽然后限位块26和前限位块28按照所计算的最佳安装角固定安装在轴承8上，却可以使叶片9在所有发电运行风速下跟踪最大功率。叶片安装角的自动复位靠的是复位弹簧25的恢复力。減速刹车系统是风カ发电机安全运行所必备的系统。本发明为所述直线风カ发电机考虑了三套系统
第一套，电磁减速，即，需要减速时，控制器暂时短接发电机出ロ电路，使得绕组中产生几倍的额定电流和磁场，从而产生使动子减速的效果；
第二套，偏航机构。根据风速风向信号或控制中心指令，需要的时候，启动偏航机构使风カ机的直线段不垂直于风向；
第三套为机械刹车系统，如图19和图20，由刹车机构37、充电机构38、蓄电池30和控制器31组成机械刹车系统，机械刹车系统的各部件均安装在空心轭2的内部，如图18所示，控制器31根据蓄电池30的输出电压值启动充电机构38的电动机，伸出或缩回电刷19进行充电或停止充电，以保持蓄电池30有足够的电力供刹车机构37使用。控制器31按照控制中心的刹车指令，控制刹车机构37完成“刹车”和“挂闸”两个逆动作。刹车机构37和充电机构38具有相同的结构，即，电动机18的转子与蜗杆17固定在同一根轴上，蜗杆17驱动蜗轮15，蜗轮15与齿轮14固连，齿轮14与齿条16啮合，齿条16固连在刹车片13或电刷19上。刹车机构37和充电机构38也具有相同的工作原理，即，电动机18启动一蜗杆17驱动蜗轮15转动一齿轮14带动齿条16 —刹车片13或电刷19伸出或缩回。图18为剖视图以方便看清空心轭2的内部结构。在图18中，刹车片13和电刷19均在缩回的位置。
在图13中，磁悬浮轨道6宽大的底座上嵌入了两对低压电カ滑线29，其位置与电刷19相对应。占地面积不变发电增加6. 2倍，为了展示本发明的直线风カ发电机相对现有技术的优势，在设定可比条件(表2中前4项)后，采用著名的Wilson叶片素动量理论计算给出了两种风力发电机的发电能力，列于表2中
权利要求
1.一种直线风力发电机，其特征是它包括与地下基础固连的固定钢塔，在钢塔上设置围绕钢塔定轴转动的若干层结构相同的风力发电机单元，每层风力发电机单元均包括，偏航机构、发电单元、叶片安装角自动就位复位装置、刹车机构和充电机构，所述的每层偏航机构的结构是，在钢塔上固定有上、下偏航轨道，在上、下偏航轨道之间设置电机驱动的骨架工字钢，在骨架工字钢上、下端设置的轨道轮均分别与上、下偏航轨道相接触，骨架工字钢通过桁架与跑道型磁悬浮轨道固连；所述的发电单元包括发电机静子和磁悬浮动子，发电机静子包括绕组、硅钢片铁芯和安装压板，绕在硅钢片铁芯上的绕组通过安装压板固定在磁悬浮轨道的底座上，并与磁悬浮动子的发电永磁铁间隙配合，磁悬浮动子包括发电永磁铁、空心轭、联合板、折页和悬浮永磁铁，磁悬浮轨道在与空心轭相对的表面装有悬浮永磁铁，空心轭通过联合板置于磁悬浮轨道内，发电永磁铁置于空心轭上，折页固定在联合板和空心轭的侧壁上，磁悬浮动子与磁悬浮轨道为间隙配合；叶片安装角自动就位复位装置包括叶片轴、复位弹簧、前限位块、后限位块、突出块、轴承和叶片，叶片与叶片轴固定，突出块固定在叶片轴上；前限位块和后限位块固定在轴承上，复位弹簧的一端固定在轴承上，另一端固定在叶片轴上；刹车机构和充电机构安装在空心轭的内部。
2.根据权利要求I所述的直线风力发电机，其特征是所述的刹车机构的结构是，刹车电动机的转子与蜗杆同轴固连，蜗杆与蜗轮哨合，蜗轮与齿轮固连，齿轮与齿条哨合，齿条固连在刹车片上。
3.根据权利要求I所述的直线风力发电机，其特征是所述的充电机构的结构是，充电电动机的转子与蜗杆同轴固连，蜗杆与蜗轮哨合，蜗轮与齿轮固连，齿轮与齿条哨合，齿条固连在电刷上。
全文摘要
本发明是一种直线风力发电机，其特点是包括若干层风力发电机单元，每层风力发电机单元均包括，偏航机构、发电单元、叶片安装角自动就位复位装置、刹车机构和充电机构，偏航机构的结构是，在钢塔上固定的上、下偏航轨道之间设置电机驱动的骨架工字钢，在骨架工字钢上、下端设置的轨道轮均分别与上、下偏航轨道相接触，骨架工字钢通过桁架与跑道型磁悬浮轨道固连；发电单元包括发电机静子和磁悬浮动子；叶片安装角自动就位复位装置包括叶片轴、复位弹簧、前限位块、后限位块、突出块、轴承和叶片；刹车机构和充电机构安装在空心轭的内部。具有风能利用和转化率高，发电成本低，不增加占地，适于大面积推广应用等优点。
文档编号F03D5/04GK102865197SQ201210354060
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者张炳文, 赵星海, 申莉, 李勇, 周振起, 金建国, 曹丽华, 王虎, 姜铁骝, 胡鹏飞 申请人:东北电力大学