一种水平轴磁悬浮风力发电机的制作方法

1.本实用新型涉及风力发电机技术领域，尤其涉及一种水平轴磁悬浮风力发电机。


背景技术：

2.轴承是风力发电机中的重要部件，其作用是支撑机械旋转体，承受风机的压力，在风机运转时，还承受来自风加载在风叶上的轴向力和扭力，因为其性能对于风机来说至关重要。现风机轴承通常使用滚珠轴承，但在主轴高速转动时，滚珠轴承受摩擦力影响发热，因接触挤压也易发生磨损，可靠性较低，而且摩擦导致机械能损失而降低发电量。与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁悬浮轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种可减小机械摩擦、降低损耗、提高可靠性和发电量的水平轴磁悬浮风力发电机。
4.本实用新型是通过以下技术方案来实现的：
5.一种水平轴磁悬浮风力发电机，包括风轮和机舱，所述机舱包括机架、轴承座、轴承、齿轮箱、发电机和机舱罩，所述轴承通过所述轴承座固定在所述机架上，所述风轮的主轴水平设置，风轮的主轴通过所述轴承安装在所述轴承座上，风轮通过其主轴与机架连接，所述主轴的一端与所述齿轮箱相连，所述齿轮箱与发电机相连，所述机舱罩罩设在所述机架的外围，以密封机舱；所述轴承为磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承，所述径向磁悬浮轴承至少有两个，分别设置在风轮的主轴靠近风轮的一端和靠近齿轮箱的一端上，所述轴向磁悬浮轴承设置在两个所述径向磁悬浮轴承的中间，用于风轮主轴的轴向限位，避免风轮主轴受风向的影响轴向窜动。通过磁悬浮轴承代替滚珠轴承将风轮主轴系统悬浮于机舱空间内部，由风带动叶片及整个转轴系统转动，通过发电机将机械能转换为电能。
6.进一步地，所述齿轮箱包括输入轴，所述输入轴与风轮主轴传动连接，齿轮箱内亦设置有径向磁悬浮轴承，所述输入轴安装在齿轮箱内的所述径向磁悬浮轴承上，以进一步减少机械损耗。
7.进一步地，所述径向磁悬浮轴承包括第一定子、第一转子和第一线圈，环状的所述第一定子固定在所述轴承座上，若干组所述第一线圈呈辐射状分布在所述第一定子上，且所述第一线圈的轴线沿第一定子的径向分布，所述第一转子设置于所述第一定子的内圈中，并与第一定子间隙配合，第一转子为永磁铁，第一线圈连接有电源，若干第一线圈在电流作用下与第一转子产生径向斥力形成磁悬浮结构，所述风轮的主轴或齿轮箱的输入轴与所述第一转子传动连接，风轮的主轴或齿轮箱的输入轴在径向磁悬浮轴承作用下在竖直四个维度上被支撑。
8.所述轴向磁悬浮轴承包括第一定子环、第二定子环和第二转子，所述第二转子固定在所述风轮的主轴上并随主轴转动，第二转子为永磁铁，所述第一定子环和第二定子环套设在风轮的主轴外，并与风轮的主轴间存在一定的间隙，且第一定子环和第二定子环分别设置在所述第二转子的两侧，第一定子环和第二定子环具有相同的结构，均包括若干第二线圈，若干所述第二线圈分别在第一定子环或第二定子环上，且第二线圈的轴线平行于第一定子环或第二定子环的轴线，第一定子环上第二线圈在有电流通过时朝向第二转子产生的磁极与第二转子环朝向第一定子环一端的磁极相同，第一定子环与第二转子产生轴向斥力，同样，第二定子环上第二线圈在有电流通过时朝向第二转子产生的磁极与第二转子环朝向第二定子环一端的磁极相同，第二定子环与第二转子产生轴向斥力，第二转子与第一定子环、第二定子环形成磁悬浮结构，第二转子在第一定子环与第二定子环形之间悬浮，致使风轮的主轴在轴向上被定位，不会产生轴向位移。第一线圈和第二线圈由机舱中的备用电源供电。
9.进一步地，还包括控制柜，所述控制柜设置在所述机舱罩内，控制柜内设置有控制器，所述控制器与径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承相连，控制器可对各个第一线圈和第二线圈的电流进行控制，因风机主轴受风力作用，受力不稳定，为使转子维持在中心平衡位置，需要调整转子在各个方向上受到的斥力，斥力的大小通过流过线圈的电流大小来进行动态调节，从而克服风机在运行时候的扰动。也可通过改变线圈电流大小改变磁场强度，实现控制转子的悬浮高度，一般悬浮高度为1cm。需要停机时，叶片变桨增大气动阻力，待到叶片停止旋转线圈逐步停止供电，转轴系统与机架接触，停机完成。
10.进一步地，还包括两组位移传感装置，两组所述位移传感装置分别设置在风轮主轴上靠近两个所述径向磁悬浮轴承处，用于感应风轮主轴的径向位移和轴向位移，位移传感装置与所述控制器相连，以方便将位移信号传送给所述控制器，便于控制器根据主轴的位移量调节径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承上各线圈的电流大小。
11.进一步地，每组所述位移传感装置均包括固定环和位移传感器，所述固定环固定在所述机架上并穿套在所述风轮主轴外且与风轮主轴之间存在间隙，若干所述位移传感器均布在所述固定环的内圈上且位于固定环与风轮主轴之间的间隙中，用于监测风轮主轴不同方位上的位移。
12.进一步地，所述位移传感器有四个，分别设置在所述固定环的上下左右四个方位上，监测风轮主轴上下左右四个维度和一个轴向维度上的位移量。
13.进一步地，还包括保护轴承装置，两组所述保护轴承装置分别设置在风轮主轴的前后两端，每组所述保护轴承装置均包括保护轴承、第三转子和保护轴承座，所述保护轴承座固定在所述机架上，所述保护轴承为滚珠轴承，保护轴承安装在所述保护轴承座上，所述第三转子与所述风轮主轴固定连接并随风轮主轴转动，第三转子设置在所述保护轴承的内圈内，并与保护轴承间隙配合，第三转子与保护轴承之间的间隙小于径向磁悬浮轴承的气隙。保护轴承用于当磁悬浮轴承断电或风轮主轴的径向位移和轴向位移过大时，起到支撑和限制风轮主轴位移的作用，避免对磁悬浮轴承的接触式压力损伤。
14.本实用新型通过采用磁悬浮轴承代替常用的滚珠轴承，使主体转轴系统悬浮，与机架不产生机械摩擦，使得整体风机的启动风速低，可以达到1.5m/s，且降低了风机机械能的损失，使更多的机械能转化为电能，提高发电效率，同时还具有运转稳定、无噪音、寿命长
等优点；设置位移传感装置，可实时监控主轴的各个方向维度上的位移量，通过对磁悬浮轴承中线圈的电流大小进行实时调控风轮主轴的位置，以降低风向风速等的变化对风轮主轴受力的影响，以保证风轮旋转轴的运行稳定性和可靠性；通过设置保护轴承，对旋转主轴、磁悬浮轴承和位移传感器等提供进一步的安全保障，提高设备的可靠性和耐久性。
附图说明
15.图1为本实用新型实施例的结构示意图。
16.图2为本实用新型实施例的侧面剖视图。
17.图3为图2的部分结构放大图。
18.图4为本实用新型实施例中径向磁悬浮轴承的结构示意图。
19.图5为本实用新型实施例中径向磁悬浮轴承和位移传感装置的安装结构图。
20.图6为本实用新型实施例中轴向磁悬浮轴承上第一定子环的结构示意图。
21.图7为本实用新型实施例中轴向磁悬浮轴承的安装结构图。
22.图8为本实用新型实施例中位移传感装置的安装结构图。
23.图9为本实用新型实施例中保护轴承装置和位移传感装置的安装结构图。
24.附图标记：1-风轮； 2-轴承座；3-磁悬浮轴承；4-齿轮箱；5-发电机；6-机架；7-机舱罩；8-控制柜；9-保护轴承；10-主轴；11-位移传感装置；111-固定环；112-位移传感器；31-径向磁悬浮轴承；32-轴向磁悬浮轴承；311-第一定子；312-第一线圈；313-第一转子；321-第一定子环；322-第二定子环；323-第二转子；324-第二线圈；41-输入轴；91-保护轴承座；92-第三转子；93-保护轴承。
具体实施方式
25.一种水平轴磁悬浮风力发电机，如图1、图2所示，包括风轮1和机舱，所述机舱包括机架6、轴承座2、轴承、齿轮箱4、发电机5和机舱罩7，所述轴承座2固定在所述机架6上，所述轴承为磁悬浮轴承3，所述风轮1的主轴10水平设置，风轮1的主轴10通过所述磁悬浮轴承3安装在所述轴承座2上，风轮1通过其主轴10与机架6连接，所述主轴10的一端与所述齿轮箱4相连，所述齿轮箱4与发电机5相连，所述机舱罩7罩设在所述机架6的外围，以密封机舱。所述磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承31和轴向磁悬浮轴承32，所述径向磁悬浮轴承31至少有两个，分别设置在风轮1的主轴10靠近风轮1的一端和靠近齿轮箱4的一端上，所述轴向磁悬浮轴承32设置在两个所述径向磁悬浮轴承31的中间，用于风轮主轴10的轴向限位，避免风轮主轴10受风向的影响轴向窜动。通过磁悬浮轴承3代替滚珠轴承将风机主轴转轴系统悬浮于机舱空间内部，由风带动叶片及整个转轴系统转动，通过发电机5将机械能转换为电能。
26.作为其中一种实施方式，如图5，所述齿轮箱4包括输入轴41，输入轴1将风轮主轴10的机械能传递给齿轮箱4中的多个齿轮系统，所述输入轴41与风轮主轴10传动连接，齿轮箱4内亦设置有径向磁悬浮轴承31，所述输入轴41安装在齿轮箱4内的所述径向磁悬浮轴承31上，以进一步减少机械损耗。
27.作为其中一种实施方式，如图4、图5，所述径向磁悬浮轴承31包括第一定子311、第一转子313和第一线圈312，环状的所述第一定子311固定在所述轴承座2上，若干组所述第
一线圈312呈辐射状分布在所述第一定子311上，且所述第一线圈312的轴线沿第一定子311的径向分布，所述第一转子313设置于所述第一定子311的内圈中，并与第一定子311间隙配合，第一转子313为永磁铁，第一线圈312连接有电源，若干第一线圈312在电流作用下与第一转子313产生径向斥力形成磁悬浮结构，所述风轮1的主轴10或齿轮箱4的输入轴41与所述第一转子313传动连接，风轮1的主轴10或齿轮箱4的输入轴41在径向磁悬浮轴承31作用下在竖直四个维度上被支撑。
28.如图6、图7，所述轴向磁悬浮轴承32包括第一定子环321、第二定子环322和第二转子323，所述第二转子323固定在所述风轮1的主轴10上并随主轴10转动，第二转子323为永磁铁，所述第一定子环321和第二定子环322套设在风轮1的主轴10外，并与风轮1的主轴10间存在一定的间隙，且第一定子环321和第二定子环322分别设置在所述第二转子323的两侧，第一定子环321和第二定子环322具有相同的结构，均包括若干第二线圈324，若干所述第二线圈324分别在第一定子环321或第二定子环322上，且第二线圈324的轴线平行于第一定子环321或第二定子环322的轴线，第一定子环321上第二线圈324在有电流通过时朝向第二转子323产生的磁极与第二转子323环朝向第一定子环321一端的磁极相同，第一定子环321与第二转子323产生轴向斥力，同样，第二定子环322上第二线圈324在有电流通过时朝向第二转子323产生的磁极与第二转子323环朝向第二定子环322一端的磁极相同，第二定子环322与第二转子323产生轴向斥力，第二转子323与第一定子环321、第二定子环322形成磁悬浮结构，第二转子323在第一定子环321与第二定子环322形之间悬浮，致使风轮1的主轴10在水平方向上被定位，不会产生水平位移。第一线圈312和第二线圈324由机舱中的备用电源供电。
29.本实用新型还可包括控制柜8和位移传感装置11，所述控制柜8设置在所述机舱罩7内。控制柜8内安装有控制器，所述控制器与径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承相连，控制器可用于对各个第一线圈312和第二线圈324的电流进行控制，因风机主轴10受风力作用，受力不稳定，为使转子维持在中心平衡位置，需要调整转子在各个方向上受到的斥力，斥力的大小通过流过线圈的电流大小来进行动态调节，从而克服风机在运行时候的扰动。也可通过改变线圈电流大小改变磁场强度，实现控制转子的悬浮高度，一般悬浮高度为1cm。所述位移传感器112用于感应风轮主轴10的位移，如转子与定子间在五个维度上的位移量，以方便控制器根据主轴10的位移量调节各线圈的电流大小。需要停机时，叶片变桨增大气动阻力，待到叶片停止旋转线圈逐步停止供电，转轴系统与机架6接触，停机完成。
30.作为其中一种实施方式，如图3，位移传感装置11可设置两组，分别设置在风轮主轴10上靠近两个所述径向磁悬浮轴承31处，用于感应风轮主轴的径向位移和轴向位移，位移传感装置11与所述控制器相连，以方便将位移信号传送给所述控制器，便于控制器根据主轴的位移量调节径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承上各线圈的电流大小。
31.本实施例中，如图8、图9，每组所述位移传感装置11均包括固定环111和位移传感器112，所述固定环111固定在所述机架6上并穿套在所述风轮主轴10外且与风轮主轴10之间存在一定间隙，若干所述位移传感器112均布在所述固定环111的内圈上且位于固定环111与风轮主轴10之间的间隙中，用于监测风轮主轴10不同方位上的位移。位移传感器112需要具备一定的测量精度，以真实反映风轮主轴各个维度上的位移量。
32.本实施例中，所述位移传感器112有四个，分别设置在所述固定环111的上下左右
四个方位上，监测风轮主轴10上下左右四个维度和一个轴向维度上的位移量。
33.为了保护磁悬浮轴承3，如图3、图9，还设置有还包括保护轴承装置9，两组所述保护轴承装置9分别设置在风轮主轴10的前后两端，每组所述保护轴承93装置均包括保护轴承93、第三转子92和保护轴承座91，所述保护轴承座91固定在所述机架6上，所述保护轴承93为滚珠轴承，保护轴承93安装在所述保护轴承座91上，所述第三转子92与所述风轮主轴10固定连接并随风轮主轴10转动，第三转子92设置在所述保护轴承93的内圈内，并与保护轴承93间隙配合，第三转子92与保护轴承93之间的间隙l1小于径向磁悬浮轴承31的气隙l2。保护轴承93用于当磁悬浮轴承断电或风轮主轴的径向位移和轴向位移过大时，起到支撑和限制风轮主轴位移的作用，避免对磁悬浮轴承的接触式压力损伤。同时，第三转子92与保护轴承93之间的间隙l1也要小于位移传感器112与风轮主轴10之间的间隙，避免风轮主轴10对位移传感器112的接触式压力损坏。
34.上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

技术特征：
1.一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，包括风轮和机舱，所述机舱包括机架、轴承座、轴承、齿轮箱、发电机和机舱罩，所述轴承通过所述轴承座固定在所述机架上，所述风轮的主轴水平设置，风轮的主轴通过所述轴承安装在所述轴承座上，风轮通过其主轴与机架连接，所述主轴的一端与所述齿轮箱相连，所述齿轮箱与发电机相连，所述机舱罩罩设在所述机架的外围，以密封机舱；所述轴承为磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承，所述径向磁悬浮轴承至少有两个，分别设置在风轮主轴靠近风轮的一端和风轮主轴靠近齿轮箱的一端上，所述轴向磁悬浮轴承设置在两个所述径向磁悬浮轴承的中间，用于风轮主轴的轴向限位。2.根据权利要求1所述的一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述齿轮箱包括输入轴，所述输入轴与风轮主轴传动连接，齿轮箱内亦设置有径向磁悬浮轴承，所述输入轴安装在齿轮箱内的所述径向磁悬浮轴承上。3.根据权利要求1或2所述的一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述径向磁悬浮轴承包括第一定子、第一转子和第一线圈，环状的所述第一定子固定在所述轴承座上，若干组所述第一线圈呈辐射状分布在所述第一定子上，且所述第一线圈的轴线沿第一定子的径向分布，所述第一转子设置于所述第一定子的内圈中，并与第一定子间隙配合，第一转子为永磁铁，第一线圈连接有电源，若干第一线圈在电流作用下与第一转子产生径向斥力形成磁悬浮结构，所述风轮主轴或齿轮箱的输入轴与所述第一转子传动连接。4.根据权利要求1或2所述的一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述轴向磁悬浮轴承包括第一定子环、第二定子环和第二转子，所述第二转子固定在所述风轮的主轴上并随风轮主轴转动，第二转子为永磁铁，所述第一定子环和第二定子环套设在风轮的主轴外，并与风轮的主轴间存在一定的间隙，且第一定子环和第二定子环分别设置在所述第二转子的两侧，第一定子环和第二定子环具有相同的结构，均包括若干第二线圈，若干所述第二线圈分布在第一定子环或第二定子环上，且第二线圈的轴线平行于第一定子环或第二定子环的轴线，第一定子环在其上的第二线圈在电流通过时与第二转子产生轴向斥力，第二定子环在其上的第二线圈在有电流通过时与第二转子产生轴向斥力，第二转子与第一定子环、第二定子环形成磁悬浮结构，第二转子在第一定子环与第二定子环形之间悬浮，使风轮的主轴在轴向上被定位。5.根据权利要求1所述的一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，还包括控制柜，所述控制柜设置在所述机舱罩内，控制柜内设置有控制器，所述控制器分别与径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承相连。6.根据权利要求5所述的一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，还包括两组位移传感装置，两组所述位移传感装置分别设置在风轮主轴上靠近两个所述径向磁悬浮轴承处，用于感应风轮主轴的径向位移和轴向位移，位移传感装置与所述控制器相连，便于控制器根据主轴的位移量调节径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承上各线圈的电流大小。7.根据权利要求6所述的一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，每组所述位移传感装置均包括固定环和位移传感器，所述固定环固定在所述机架上并穿套在所述风轮主轴外且与风轮主轴之间存在间隙，若干所述位移传感器均布在所述固定环的内圈上且位于固定环与风轮主轴之间的间隙中，用于监测风轮主轴不同方位上的位移。8.根据权利要求7所述的一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，所述位移传感器
有四个，分别设置在所述固定环的上下左右四个方位上，监测风轮主轴上下左右四个维度和一个轴向维度上的位移量。9.根据权利要求1所述的一种水平轴磁悬浮风力发电机，其特征在于，还包括保护轴承装置，两组所述保护轴承装置分别设置在风轮主轴的前后两端，每组所述保护轴承装置均包括保护轴承、第三转子和保护轴承座，所述保护轴承座固定在所述机架上，所述保护轴承为滚珠轴承，保护轴承安装在所述保护轴承座上，所述第三转子与所述风轮主轴固定连接并随风轮主轴转动，第三转子设置在所述保护轴承的内圈内，并与保护轴承间隙配合，第三转子与保护轴承之间的间隙小于径向磁悬浮轴承的气隙。

技术总结
一种水平轴磁悬浮风力发电机，包括风轮和机舱，机舱包括机架、轴承座、轴承、齿轮箱、发电机、机舱罩、位移传感装置和保护轴承装置，轴承为磁悬浮轴承，风轮的主轴通过磁悬浮轴承安装在轴承座上，主轴的一端与齿轮箱相连，齿轮箱与发电机相连，磁悬浮轴承包括径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承，径向磁悬浮轴承分别设置在风轮主轴的两端和齿轮箱的输入轴上，位移传感装置分别设置在风轮主轴上靠近两个径向磁悬浮轴承处，保护轴承装置分别设置在风轮主轴的前后两端。本实用新型使整体转轴系统悬浮，降低了风机的启动风速和机械能的损失，提高发电效率，还具有运转稳定、无噪音、寿命长等优点，同时主轴运行稳定可靠，耐久性好。耐久性好。耐久性好。


技术研发人员：周舒旎 郝玉恒
受保护的技术使用者：广东海装海上风电研究中心有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/6/17