可改变发电机转子旋转方向的平衡风力发电机的制作方法

本发明是涉及风力发电的技术领域，根据该技术发明可以在同方向、单边迹的风力条件下，迫使平衡发电机的内转子和外转子作相对旋转的技术。

背景技术：

常规风力发电机由定子和转子两大部件组成，发电机定子结构与发电机底座固定连接。发电机的底座又与塔架固定安装。发电机转子通过发电机定子两侧端盖的轴承组嵌入定子中间，转子和定子之间除了轴承组之外没有直接的摩擦接触。当风力的作用吹动发电机转子扇叶旋转时，存在于定子与转子气隙之间的磁场能量在发电机闭合电路的状态下，使定子和转子之间产生一个磁性铰链的磁场阻力。这个阻力会通过定子的结构转移到发电机底座上，然后转移到塔架，最后被大地所吸收。如果把发电机安装在移动的运输载体上，这个阻力会通过定子的结构转移到发电机底座，在由发电机底座转移到移动的运输载体上，最终通过车轮转移到燃油发动机上。迫使移动的运输载体在原有的驱动力上，又增加了磁场阻力对发动机的燃油消耗。人们通常把风力发电的这个阻力现象概述为空气阻力。根据经典力学第三运动定律作用力和反作用力的解释，作用在发电机转子叶轮上的风力要想扭动转子切割定子磁场的磁力线，此时定子磁场也会产生一股力量相等、方向相反的相互作用力，准确地讲应该是发电机磁场阻力对空气的反作用力。

电动机原理是发电机原理的逆变工况。电动机转子输出功率的大小，取决于电力能源在电动机定子中建立磁场强度的大小。因此，在风力发电技术中发电机的功率大小，取决于风力中能量的大小。通过发电机与电动机的相互认证，理论上可以抽象出风力发电机的能量转换过程，归根结底就是风力中的能量力度与发电机磁场的能量强度之间的转换过程。基本是发电机的发电功率等于发电机磁场能量的阻力功率。

世界上自第一座风力发电站建立以来，风力发电技术也经历了一百多年的发展史，始终都是建立在大地之上，以固定的风力发电方式为人类提供永续的清洁电力能源。为什么风力发电机不能安装在移动的运输载体上，发展移动式风力发电技术，直接为移动的运输载体提供所需要的电力能源呢？追根寻缘，主要是因为常规风力发电机的设计基因不足，远不能适应移动式风力发电在空气能量转换中的技术要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可改变发电机转子旋转方向的平衡风力发电机，用以解决因常规风力发电机，为什么在移动的运输载体上长期得不到应用的技术缺陷。

为了达到在移动的运输载体上建立移动式风力发电系统的目的，本技术发明方案的理论依据是：根据经典力学《大小，方向，作用点》三要素的条件，构思一个在移动的运输载体上，通过人为干预的技术手段，把空气阻力一分为二，变成发电机的一对作用力，让其分别作用在发电机的内转子涡轮叶片和外转子涡轮叶片上，只要对内转子和外转子的作用力相等，便在发电机主轴上形成一个扭矩力的平衡点，此时作用在发电机主轴上的合力等于零。磁场阻力就不会通过发电机底座传导或转移到移动中的运输载体上。而作用在发电机定子和转子上的一对平衡力，已经完成了对磁场磁力线的切割，达到了发电的目的。

本发明的平衡风力发电机是由发电机底座、支架、主轴、内转子和涡轮组、外转子和涡轮组、电枢线圈、集电环、碳刷组、永磁体、主动转向齿圈、中间导向齿轮、被动转向齿轮等组成；所述发电机主轴通过轴承组安装在发电机支架上，所述内转子安装在主轴上，所述内转子涡轮组通过轴承安装在主轴上、所述外转子通过轴承组安装在主轴上，所述外转子涡轮组安装在外转子的壳体上、所述集电环固装在内转子的轴套上与电枢线圈相连，所述碳刷组安装在中间支架上与输电导线相连，所述永磁体固装在外转子的壳体上，所述主动转向齿圈固装在内转子涡轮组的涡轮壳体上，所述中间导向齿轮通过轴承安装在发电机的中间支架上，所述被动转向齿轮固装在主轴上。

由于采用上述技术方案，本发明的技术效果有；

1、由于该发电机技术是根据平衡力原理设计的一种发电机，但是，在自然界的天体里，永远也不会同时出现相对和相等的自然风力。只能依赖人类在空气流体的空间中，人为的创造出具有一对相等能量的作用力。汽车在行驶中与静止的空气产生相对的运动关系，时时刻刻都会产生单方向空气流体。安装在汽车上的风力发电机，同时也会受到空气流体的阻力影响，根据流体力学中气体可以自由分割的物理特性，空气在触碰发电机内转子涡轮和外转子涡轮的瞬间，会根据涡轮叶片的阻力面积，自动分为两个相等的作用力，分别作用在内转子和外转子的涡轮叶片上。形成一对能量相等的切向力，推动内转子和外转子同时围绕发电机主轴作相对的旋转运动。由于发电机内转子和外转子都是通过轴承组与发电机主轴连接，相对于发电机的主轴，便产生了一个平衡力的作用点，形成平衡力的内能趋势。只要把发电机磁场能量的阻力形态平衡在发电机的主轴上，就完全可以在移动的运输载体上，回收和利用被空气阻力耗散的能源，实现风力发电与汽车电力消耗的有机结合，也不必担心增加发动机的燃油消耗。

2、虽然本技术发明具备了在移动的运输载体上，利用平衡力的内能进行发电的特点。但是，发电机必须在载体的移动中，接受风力中的能量才可以获得清洁的电力能源。因此，对于发电机的安装要求也会成为一个基本的技术问题。既要最大限度的捕捉风力中的能量，又要最大限度的降低因发电机投影面积所带来的能量消耗。为此，本技术发明，在平衡风力发电机的结构基础上，增加一套齿圈、齿轮变方向的技术装置。它可以把发电机70％左右的投影面积隐藏在运输载体的体内，在同方向的风力条件下，内转子涡轮叶片和外转子涡轮叶片，以单边同时吸收风力中能量的方式，迫使内转子和外转子作相对的旋转。有效的消除了涡轮叶片的回转阻力。

3、由于发电机的隐藏安装技术对发电机的安全性提供了有效的技术保障。而且在直观的视觉中也容易被人们接受。

4、由于内转子涡轮组和外转子涡轮组同时接受风力的作用力，加大了受力面积，提高了发电效率。

附图说明

附图1；是平衡风力发电机剖面示意图。

附图1中的标识：1、发电机主轴。2、发电机外转子涡轮组。3、发电机外转子壳体。4、发电机外转子永磁体盘。5、发电机碳刷组。6、主动变向齿圈。7、中间导向齿轮及轴承支架。8、被动齿轮。9、发电机内转子轴承组。10、发电机轴承支架。11、发电机内转子涡轮组。12、主动变向齿圈和发电机转子叶轮的连接。13、发电机轴承中间支架。14、发电机滑环。15、发电机电枢线圈。16、发电机外转子涡轮与发电机外转子壳体的连接装置。17发电机底座。18、发电机轴承支架。

附图2；是平衡风力发电机总成示意图。

附图2中的标识：1、安装吊架。2、外转子涡轮叶片。3、发电机总成。4、主动导向齿圈。5、中间导向齿轮。6、内转子涡轮叶片。7、涡轮壳。8、被动导向齿轮。9、涡轮壳。

附图3；是平衡风能发电机变向齿轮组平面图

附图3中的标识：1、齿轮圈与转子叶轮的安装孔。2、齿轮圈。3、被动齿轮。4、被动齿轮轴孔。5、中间导向齿轮轴孔。6、中间导向齿轮。

附图4；是平衡风能发电机变向齿轮组的效果示意图。

附图4中的标识：1、外转子涡轮叶片。2、内转子涡轮叶片。3、变向齿轮组。

附图5；是安装风力发电机的电动飞机示意图。

附图5中的标识：1、驱动飞机飞行的电动机。2-4、平衡风力发电机。

附图6；是隐藏安装风力发电机的示意图。

附图6中的标识：1、示意隐藏后的风力发电机。2、示意机身外壳前进的方向。3、示意隐藏安装风力发电机的透视效果。4、示意风力的方向。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：发电机外转子叶轮(2)与发电机外转子壳体(3)通过发电机外转子叶轮与外转子壳体(16)的连接装置相连，并通过轴承与发电机同轴1做滚动连接，这样可以不受发电机主轴的旋转方向限制；发电机转子叶轮(11)与主动变向齿圈(6)通过主动变向齿圈和发电机转子叶轮的连接装置(12)相连，进一步的通过连接在叶轮上的轴承9与发电机同轴1做滚动连接，不受发电机主轴的旋转方向限制；发电机中间导向齿轮(7)安装在中间支架(13)上，把发电机导向齿圈(6)传递的动能传递给被动齿轮(8)。强迫发电机主轴(1)做反方向转动；发电机同轴(1)与发电机线圈盘(15)和发电机滑环(14)紧密安装，通过发电机轴承支架(10)、(13)、(18)与叶轮做相反方向的旋转；发电机永磁体(4)与发电机线圈盘(15)在相互旋转中切割磁力线，产生的电能通过发电机碳刷(5)输送到整流调压器上。

具体实施例：尝试在电动飞机上，建立移动式风力发电系统的技术方案。

以沈阳航空航天大学附属的辽宁通用航空协同创新中心研发的，锐翔rxie电动飞机的为例。

该电动飞机的主要技术参数是；

翼展：14.5m、机长：6.6m、机高：2.5m

最大飞行速度：160km/h、巡航速度：120km/h、失速速度：72km/h

最大飞行高度：3000m、常用飞行高度：1200m

最大起飞重量：500kg、空机重量：270kg

最大载荷：230kg、有效载荷：160kg、乘员：2

续航时间：45min-1h、充电时间：1.5h-2.5h

动力来源：40kw稀土永磁同步电机，能量来源：8.8kwh锂电池

根据该电动飞机8.8kw锂电池的能量来源和续航45分钟至60分钟的数据分析，移动式风力发电技术只要满足8.8kw/h的充电需求，就可以在飞行中为该电动飞机补充电力能源延长续航的时间。

风能发电公式：w＝1/2ρav³

其中：发电功率(w)＝发电系数0.5×空气密度1.3×发电机叶轮面积m²×飞行速度(v³)

已知：最大飞行速度160km，160000m÷3600s＝44.4m/s

巡航速度120km120000m÷3600s＝33.3m/s

设；发电系数0.5，空气密度设1.3，发电机叶轮风面0.12m²，飞行速度每秒44.4米。

计算最大飞行速度发电量w＝0.5×1.3×0.12²×(44.4)³＝6827.2w＝6.82kw/h

设；发电系数0.5，空气密度设1.3，发电机叶轮风面0.12m²，飞行速度每秒33.3米。

计算巡航速度发电量w＝0.5×1.3×0.12²×(33.3)³＝2880.23w＝2.88kw/h

根据风能发电公式：w＝1/2ρav³的分析，当发电系数0.5、空气密度1.3作为常数值时，影响发电功率的因素主要取决于发电机的叶轮面积和飞机的飞行速度。由于在电动飞机上安装发电机，发电机叶轮的迎风面积也相当于一个常数值。所以，在锐翔rxie电动飞机给出的两个不同飞行速度的数据下，发电机的发电功率相差很大。根据该飞机的基本飞行数据。按120km/h巡航速度设计风力发电机，需要3台平衡风力发电机就可以满足飞机的电力需求。如果：该电动飞机以160km/h最大飞行速度长时间的飞行时，1.5台平衡风力发电机就可以满足飞机的电力需求。

根据；风力发电是风力中的能量力度与发电机磁场的能量强度之间的转换过程，风力发电就是发电机的发电功率等于发电机磁场能量的阻力功率的基本推理定义。只要移动式平衡风力发电机克服了磁场阻力的能量不被转移到电动飞机上，就相当于获得了这部分的电力能源。因此，在确定磁场阻力是风力发电机最大的阻力因素之后，对发电机其余空气阻力的影响就比较容易理解了。发电机的涡轮叶片分别安装在发电机内转子和外转子的结构上，内转子和外转子都是通过轴承组与发电机同一根中心轴相连，在直观的视觉上形成整体的联动关系。可以认为发电机涡轮叶片与滚动轴承可以视为一个阻力系数。由于轴承的滚动摩擦阻力系数很小一般在0.015-0.02之间，而垂直平面体的风阻系数为1.0。由于大部分发电机涡轮叶片的回转面积隐藏在机身里，最起码在视觉上也应该减去该部分相应的空气阻力系数。另外，根据貝兹风力发电原理(风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即p1＝p2)的基础理论学说。从推理上认为，发电机涡轮叶片的空气阻力系数加发电机重量对能量的消耗系数，综合阻力系数估算值应该不大于0.3或者更小。

根据空气阻力：pw＝fwu＝1/2cdaρur²u的计算公式，对照该电动飞机风力发电机的技术数据，计算发电机在120km/h时的综合阻力系数消耗的功率是；pw＝1/2×1.3×0.3×0.12²×33.3²×33.3＝0.864kw/h。减去电动飞机120km/h时的发电功率2.88kw/h，仍然还有2.014kw/h的电力能源。即便移动式风力发电系统认购50％的综合阻力能量消耗，那其余50％的电力能源仍然可以为电动飞机增加续航的时间。

在目前的科学技术理论背景时期，在飞行的飞机上建立移动式风力发电系统，显然有悖于能量守恒定律的《能量即不会凭空产生，也不会凭空消失》的经典论述。而且，移动式风力发电系统在世界的范围内还找不到它成功的典型技术案例。但是，本技术发明根据第三运动定律的理论推理得出，移动式风力发电系统是完全可以成立的。因此，通过该技术方案的能量转换特点，它不仅在电动飞机上得到应用，而且在纯电动汽车、混合动力汽车、城市地铁、高速列车等运输载体上，同样得到广泛的应用。至此，移动式风力发电系统为人类社会创新了一个利用清洁能源的崭新领域。

显然，本发明的上述实施例，仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。