风力发电机系统的制作方法

1.本公开涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机系统。


背景技术：

2.在传统的风力发电机系统中，发电机与风叶是分离的，且通过连轴节相连，这种方式容易出现连轴节造成的偏心和轴承过度配合问题，在风力作用下，这种不同程度偏心被发电机轴向长度的杠杆效应放大后，受风叶和转子重量作用，可能严重影响轴承寿命，导致风力发电机系统损坏。


技术实现要素：

3.本公开的一个目的在于提供一种风力发电机系统，能够利用磁悬浮来克服风叶组和转子组等回转体的重量，以降低风力发电机系统损坏的情况。
4.本公开提供了一种风力发电机系统，其中，所述系统包括：
5.基座；
6.立柱，竖直安装在所述基座上；
7.转子组，包括多个分段转子，所述多个分段转子沿所述立柱的轴向间隔设置，相邻所述分段转子之间的轴向间隙为λ1；
8.风叶组，所述风叶组包括至少一个叶片；
9.定子组，所述定子组包括多个分段定子，所述多个分段定子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述立柱上，相邻所述分段转子之间的轴向间隙为λ2；
10.储能组件，用于进行能量转换、收集储存和能量输出中至少之一的工作内容，所述定子组和转子组中的其中之一设置线圈绕组，所述储能组件与所述线圈绕组电连接；
11.其中，所述定子组和所述转子组嵌套在一起，所述分段定子与所述分段转子在所述立柱的径向上具有径向间隙δ，其中，0＜δ≤λ1，且δ≤λ2；所述分段定子与所述分段转子的至少部分在所述立柱的径向上相对且两者之间具有磁性吸引力，所述磁性吸引力的轴向分量与所述风叶组和所述转子组重量之和相平衡；所述风叶组用于承载外部风力的输入，并传递给所述转子组使得所述转子组相对所述定子组产生转动，令位于磁场内的所述线圈绕组内产生感应电流，所述感应电流流入所述储能组件。
12.在本公开的一种示例性实施例中，所述分段转子和分段定子的轴向长度相同，且轴向间隙为λ2等于轴向间隙λ1；所述轴向间隙为λ1的取值为所述径向间隙δ的取值的1倍～2倍。
13.在本公开的一种示例性实施例中，所述系统还包括：转子固定件，所述分段转子均固定在所述转子固定件上，所述转子固定件与所述立柱同轴心设置，所述转子固定件的两端均设置一对转动轴承，所述一对转动轴承之间设置所述转子组，所述转动轴承垂直放置；所述立柱的轴向两端通过所述转动轴承约束所述转子固定件。
14.在本公开的一种示例性实施例中，所述分段定子和分段转子的轴向长度相同，所
述分段定子与所述分段转子之间沿轴向错位偏移预设间距，所述预设间距大于零、小于所述轴向间隙为λ1的预设倍数，所述预设倍数小于1。
15.在本公开的一种示例性实施例中，所述系统还包括：转子固定件，所述分段转子均固定在所述转子固定件上，其中：
16.所述转子固定件为转子壳体，所述转子壳体可转动地安装在所述立柱外，并与所述立柱外壁之间形成安装空间；所述多个分段转子和多个分段定子均位于所述安装空间内，所述多个分段转子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述转子壳体的内壁上，所述多个分段定子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述立柱的外壁上，所述叶片竖直安装于所述转子外壳的外侧；或
17.所述立柱为空腔结构，所述转子固定件为转动轴，所述转动轴可转动地安装在所述立柱内，并与所述立柱内壁之间形成安装空间，所述多个分段转子和多个分段定子均位于所述安装空间内，所述多个分段转子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述转动轴的外壁上，所述多个分段定子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述立柱的内壁上，所述叶片竖直安装于所述转动轴上。
18.在本公开的一种示例性实施例中，在所述转子固定件为转子壳体的条件下：
19.所述叶片顶端和所述叶片底端分别设置有固定架，所述叶片顶端的固定架与所述转子壳体的顶端连接，所述叶片底端的固定架与所述转子壳体的底端连接，所述叶片与所述转子外壳之间具有间隙。
20.在本公开的一种示例性实施例中，所述叶片可调节地安装于所述转子固定件上，且所述风叶组还包括切风角度调节器，与所述叶片连接，其中：
21.所述切风角度调节器用于基于工作环境调节所述叶片的切风角度；和/或
22.所述风叶组包括至少一层叶片层，所述叶片层包括多个沿所述立柱的周向依次排布的所述叶片，在所述叶片层中：相邻所述叶片在所述切风角度调节器的调节下能够相接或相互错开。
23.在本公开的一种示例性实施例中，所述风叶组包括至少一层叶片层，所述叶片层包括多个沿所述立柱的周向依次排布的所述叶片。
24.在本公开的一种示例性实施例中，所述叶片层设置多层，并沿所述立柱的轴向排布；其中，任意两层所述叶片层之间风叶沿所述立柱的周向错开设置。
25.在本公开的一种示例性实施例中，所述叶片为升力型风叶，所述升力型风叶的横截面呈弯曲状；和/或
26.所述叶片的形状为φ型和h型中的一者。
27.在本公开的一种示例性实施例中，所述分段转子与所述分段定子的轴向长度相等均为l，其中，λ1＝λ2＝λ，且λ小于所述分段转子与所述分段定子的轴向长度l的5～10倍。
28.在本公开的一种示例性实施例中，在所述分段转子和所述分段定子中之一者设置所述线圈绕组，则另一者设置磁钢结构；
29.其中，所述磁钢结构包括多个沿周向间隔设置的磁段，所述线圈绕组包括环状铁芯和绕线组，所述环状铁芯朝向所述磁钢结构的环面开设有多个沿周向间隔设置的绕线槽，所述绕线槽内装载有所述绕线组；
30.相邻磁钢结构的磁段沿圆周互相错位360
°
/(pzn)，每极每相槽数q＝z/(2pm)≤1/
2，其中，z是槽数，p是磁极对数，2p是极数，m是相数，n是磁钢结构的数量。
31.在本公开的一种示例性实施例中，在所述分段转子和所述分段定子中之一者设置所述线圈绕组，则另一者设置磁钢结构，所述磁钢结构包括多个沿周向间隔设置的磁段，所述线圈绕组包括环状铁芯和绕线组，所述环状铁芯朝向所述磁钢结构的环面贴装有所述绕线组；
32.其中，每极每相槽数q＝z/(2pm)≤1/2，其中，z是虚槽数，p是磁极对数，2p是极数，m是相数，n是磁钢结构的数量。
33.本公开的技术方案中，设置有多个沿立柱的轴向间隔排布的分段定子和多个沿立柱的轴向间隔排布的分段转子，相邻分段转子之间的轴向间隙为λ1，相邻分段转子之间的轴向间隙为λ2，分段定子设置在立柱上，叶片与分段转子连接，其中，分段定子与分段转子嵌套在一起，且分段定子与分段转子之间的径向间隙δ，其中，0＜δ≤λ1，且δ≤λ2，在此条件下，分段转子与分段定子之间的磁性磁引力的轴向分量足以克服风叶组和转子组的重量之和，该轴向分量的作用被称为轴向被动磁悬浮的作用，轴向被动磁悬浮的力能指标用磁悬浮刚度：k(nm/mm)表示，由于本方案产生了轴向被动磁悬浮，因此，风叶组和转子组等回转体的重量可以忽略，所以轴承摩擦力很小，可延长轴承寿命，从而降低风力发电机系统损坏的情况，此外，由于轴承摩擦力很小，还有利于微风启动旋转发电。
34.本技术的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本技术的实践而习得。
35.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
36.通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
37.图1是本公开中一实施例所描述的风力发电机系统的截面结构示意图。
38.图2是本公开一实施例所描述的风力发电机系统的俯视示意图。
39.图3是本公开另一实施例所描述的风力发电机系统的俯视示意图。
40.图4是本公开一实施例所描述的风力发电机系统中回转体结构的结构示意图。
41.图5是本公开一实施例所描述的转子外壳与分段转子之间的关系示意图。
42.图6是本公开一实施例所描述的转动轴与分段转子之间的关系示意图。
43.图7是本公开中一实施例所描述的分段定子与分段转子的截面配合示意图。
44.图8是本公开中一实施例所描述的分段定子与分段转子的俯视配合示意图。
45.图9是本公开中一实施例中绕线组的展开结构示意图。
46.图10是本公开中一实施例中叶片层中叶片呈打开状态下的结构示意图。
47.图11是本公开中一实施例中叶片层中叶片呈闭合状态下的结构示意图。
48.附图标记说明如下：
49.10、基座；11、立柱；12、转子组；120、分段转子；120a、磁段；13、风叶组；130、叶片；14、定子组；140、分段定子；140a、环状铁心；140b、绕线组；1401、绕线槽；15、转子固定件；15a、转子外壳，15b、转动轴；150、安装部；17、转动轴承；18、固定架。
具体实施方式
50.尽管本公开可以容易地表现为不同形式的实施方式，但在附图中示出并且在本说明书中将详细说明的仅仅是其中一些具体实施方式，同时可以理解的是本说明书应视为是本公开原理的示范性说明，而并非旨在将本公开限制到在此所说明的那样。
51.由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本公开的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本公开的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。
52.在附图所示的实施方式中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用于解释本公开的各种元件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些元件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些元件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。
53.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些示例实施方式使得本公开的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
54.以下结合本说明书的附图，对本公开的较佳实施方式予以进一步地详尽阐述。
55.如图1所示，本公开实施例提供了一种风力发电机系统，此系统可包括基座10、立柱11、转子组12、风叶组13、定子组14及储能组件(图中未示出)。
56.立柱11可竖直安装在基座10上，此立柱11的轴向y垂直基座10设置。
57.转子组12可包括多个分段转子120，且多个分段转子120沿立柱11的轴向间隔设置，相邻分段转子120之间的轴向间隙为λ1，应当理解的是，转子组12整体可相对立柱11进行转动。
58.风叶组13可包括至少一个叶片130，叶片130可与分段转子120连接，此连接可为直接相连，也可间接相连，具体可通过后文提到的转子固定件15连接，这样使得风叶组13和转子组12可整体看作回转体结构，其可相对立柱11进行转动，风叶组13用于承载外部风力的输入，并传递给转子组12，使得转子组12相对立柱11进行转动相对定子组14产生转动。
59.定子组14可包括多个分段定子140，多个分段定子140沿立柱11的轴向间隔设置在立柱11上，相邻分段转子120之间的轴向间隙为λ2，换言之，定子组14整体可固定在立柱11上，且定子组14中轴向相邻的分段定子140间隔设置，应当理解的是，基座10、立柱11、分段定子140构成风力发电机系统的整个定子部件；其中，在风叶组13带动转子组12相对立柱11进行转动时，由于定子组14固定在立柱11上，因此，转子组12可理解为相对定子组14产生转动。
60.其中，定子组14和转子组12嵌套在一起，分段定子140与分段转子120在立柱11的径向x上具有径向间隙δ，其中，0＜δ≤λ1，且δ≤λ2；分段定子140与分段转子120的至少部分在立柱11的径向x上相对且两者之间具有磁性吸引力，磁性吸引力的轴向分量与风叶组13和转子组12重量之和相平衡。
61.储能组件用于进行能量转换、收集储存和能量输出中至少之一的工作内容，换言之，储能组件用于转换、收集或输出能量，其中，定子组14和转子组12中的其中之一设置线圈绕组，储能组件可与线圈绕组电连接，在风叶组13带动转子组12相对定子组14产生转动时，令位于分段定子140和分段转子120磁场内的线圈绕组内产生感应电流，感应电流流入储能组件，以实现风力发电。
62.在本实施例中，设置有多个沿立柱11的轴向间隔排布的分段定子140和多个沿立柱11的轴向间隔排布的分段转子120，相邻分段转子120之间的轴向间隙为λ1，相邻分段转子120之间的轴向间隙为λ2，分段定子140设置在立柱11上，叶片130与分段转子120连接，其中，分段定子140与分段转子120嵌套在一起，且分段定子140与分段转子120之间的径向间隙δ，其中，0＜δ≤λ1，且δ≤λ2，在此条件下，分段转子120与分段定子140之间的磁性磁引力的轴向分量足以克服风叶组13和转子组12的重量之和，该轴向分量的作用被称为轴向被动磁悬浮的作用，轴向被动磁悬浮的力能指标用磁悬浮刚度：k(nm/mm)表示，由于本方案产生了轴向被动磁悬浮，因此，风叶组13和转子组12等回转体的重量可以忽略，所以轴承摩擦力很小，可延长轴承寿命，从而降低风力发电机系统损坏的情况，此外，由于轴承摩擦力很小，还有利于微风启动旋转发电。
63.应当理解的是，转子组12中分段转子120的分段数量与定子组14中分段定子140的分段数量相等，一个分段转子120与一个分段定子140嵌套设置。
64.其中，风力发电机系统还可包括转子固定件15，转子组12中各分段转子120均固定在转子固定件15上，此转子固定件15可与立柱11同轴心设置，转子固定件15的两端设置一对转动轴承17，也就是说，转子固定件15的两端均设置有转动轴承17，两端的转动轴承17之间设置转子组12，转动轴承17垂直放置，立柱11的轴向两端通过转动轴承17约束转子固定件15，此约束可为径向约束。
65.本实施例的，风力发电机系统通过两个转动轴承17对转子固定件15进行径向约束，通过轴向被动磁悬浮实现轴向卸载重力，同时支撑转子固定件15、风叶组13和转子组12形成的回转体结构回转发电，这样设计可使得风力发电机系统的机械摩擦非常小，相比于设置联轴节的传统风力发电机系统，本方案不存在连轴节造成的轴承过度配合问题、不存在定位力矩的问题、以及具有运行噪声小的特点，从而可使风力发电机系统的运行寿命长，以及适用于微风启动和微风发电。
66.具体地，此风力发电机系统可为外转子风力发电系统，即：转子固定件15可为转子壳体15a，参考图1、图2及图4所示，此转子壳体15a可转动地安装在立柱11外，应当理解的是，此立柱11可为实心柱体结构，但不限于此，也可为空心柱体结构，转子壳体15a可与转动轴承17的外圈固定连接，立柱11与转动轴承17的内圈固定连接；本公开实施例的转子壳体15a的内壁与立柱11的外壁之间可形成安装空间，转子组12和定子组14位于此安装空间内，即：多个分段转子120和多个分段定子140均位于安装空间内，多个分段转子120沿立柱11的轴向间隔设置在转子壳体15a的内壁上，多个分段定子140沿立柱11的轴向间隔设置在立柱11的外壁上，而叶片130竖直安装于转子外壳的外侧，通过将转子壳体15a设置在立柱11外侧，这样转子壳体15a的外径较大，因此，转子壳体15a的外壁面积更大，可适当设置更多叶片130，利于实现微风发电。
67.进一步地，参考图1所示，叶片130顶端和叶片130底端分别设置有固定架18，叶片
130顶端的固定架18与转子壳体15a的顶端连接，叶片130底端的固定架18与转子壳体15a的底端连接，叶片130与转子外壳之间具有间隙，这样相比于叶片130与转子外壳之间无缝相连的方案，通过将叶片130与转子外壳之间设置间隙，可增加叶片130在风力发电过程中与风的接触面积，从而便于实现微风发电。
68.应当理解的是，转子固定件15、立柱11的结构和位置关系不限于前述外转子风力发电系统的方案，也可设计为内转子风力发电系统，即：立柱11为空腔结构，转子固定件15为转动轴15b，如图3所示，此转动轴15b可为实心结构，但不限于此，也可为空心结构，转动轴15b可转动地安装在立柱11内，例如，转动轴15b可与转动轴承17的内圈固定连接，立柱11与转动轴承17的外圈固定连接，转动轴15b可与立柱11内壁之间形成安装空间，多个分段转子120和多个分段定子140均位于安装空间内，多个分段转子120沿立柱11的轴向间隔设置在转动轴15b的外壁上，多个分段定子140沿立柱11的轴向间隔设置在立柱11的内壁上，叶片130竖直安装于转动轴15b上，例如：可通过固定架18间隔安装在立柱11的外侧。
69.其中，分段转子120和分段定子140的轴向长度可相同，即：分段转子120与分段定子140的轴向长度均为l，且相邻分段转子120的轴向间隙λ1与相邻分段定子140的轴向间隙λ2均等于轴向间隙λ，即：λ1＝λ2＝λ，且轴向间隙λ的取值为径向间隙δ的取值的1倍～2倍，即：λ＝a
×
δ，a的取值范围为1～2，此外，轴向间隙λ小于轴向长度l的5～10倍，这样设计，轴向被动磁悬浮的刚度与分段转子120和分段定子140的分段数n几乎成正比。分段后轴向被动磁悬浮的最大刚度近似为：0.95nk(nm/mm)，其中，k(nm/mm)是单段轴向被动磁悬浮的刚度，相应地，轴向被动磁悬浮的有效工作范围减小了，近似为：0.95λ。本公开风力发电机系统的轴向装配需要保证其在有效工作范围内工作。
70.示例地，如图1所示，分段定子140与分段转子120之间沿轴向错位偏移预设间距β，此预设间距β大于零、小于轴向间隙为λ1的预设倍数c，此预设倍数c小于1，也就是说，0＜β＜c
×
λ1，这样设计在分段转子120与分段定子140之间的磁性磁引力的轴向分量足以克服风叶组13和转子组12的重量之和的同时，还可保证分段转子120与分段定子140之间具有足够的相对面积，从而保证风力发电机系统的输出功率。
71.应当理解的是，可通过调节转动轴承17的位置可调节分段定子140与分段转子120之间的轴向错位偏移量，从而调节轴向被动磁悬浮的刚度，即：调整轴向被动磁悬浮的承载能力，其调整范围近似为：0.95λ，进一步地，分段定子140与分段转子120的轴向偏移量为0.5λ时，轴向被动磁悬浮可提供最大承载能力，也即，0.5λ为本公开最佳定子与转子的轴向偏移量。
72.本实施中，通过对定子组14和转子组12进行分段设计来提高轴向被动磁悬浮刚度的原理如下：
73.轴向被动磁悬浮的刚度与电磁气隙的面积的大小以及轴向偏离后产生的变化率正相关，可以简化表示为：k＝ηαbπd1l1，对于本公开外转子发电，其中，本公式的b为气隙磁密，d1为分段定子140的外径，d2为分段转子120的内径，风力发电机系统的电磁气隙(即：前述提到的径向间隙)δ＝(d2-d1)/2，l1为定子组14的轴向长度，l2为转子组12的轴向长度，参考图1所示，且l1＝l2，α为轴向被动磁悬浮的刚度的常数(与磁钢形状、齿槽结构、材料等参数有关)，η为轴向偏离后电磁气隙的面积的变化率。
74.对于外转子风力发电系统，当满足条件(d2+2δ)＝d1≈d2，(l2-δ)≈l2时，轴向偏
离后电磁气隙的面积大小的变化率η＝[πd1l1-αbπ(d1+2δ)(l2-δ)]/(πd1l1)≈1，且η小于1；而对于内转子风力发电系统，d1为分段定子140的内径；d2为分段转子120的外径；当满足条件(d2+2δ)＝d1≈d2，(l2-δ)≈l2时，轴向偏离后电磁气隙的面积大小的变化率η＝[πd1l1-αbπ(d2+2δ)(l2-δ)]/(πd1l1)≈1，且η小于1，也就是说，本公开实施例的对于外转子风力发电系统和对于内转子风力发电系统结论相同，同样适用。
[0075]
由于轴向偏离后电磁气隙的面积的变化率η表达式的分子与分母都与轴向长度l1有关，当本公开相邻分段转子120之间的轴向间隙λ1和相邻分段定子140之间的轴向间隙λ2等于或略大于电磁气隙(即：径向间隙)δ时，本公开满足轴向间隙λ1和轴向间隙λ2远远小于l1/n(即：分段后分段定子140、分段转子120的长度)，此时，轴向偏离后电磁气隙的面积的变化率η近似为1，所以，当分段的轴向间隙λ1和轴向间隙λ2等于或略大于电机电磁气隙δ时，轴向被动磁悬浮的刚度与分段转子120和分段定子140的分段数n几乎成正比，分段后轴向被动磁悬浮的最大刚度近似为：0.95nk(nm/mm)，其中，k(nm/mm)是单段轴向被动磁悬浮的刚度，相应地，轴向被动磁悬浮的有效工作范围减小了，近似为：0.95λ。本公开风力发电机系统的轴向装配需要保证其在有效工作范围内工作。
[0076]
本公开实施例中，分段定子140和分段转子120的分段数n可大于4，当分段定子140和分段转子120的分段数n大于4，轴向被动磁悬浮刚度产生的轴向恢复力足以克服小型的风力发电机系统的风叶组13和转子组12所构成的回转体结构的重量，而轴向错位偏移预设间距β小于0.5mm，本公开有了轴向被动磁悬浮，回转体结构的重量可以忽略，所以，轴承摩擦力很小，有利于微风启动旋转发电。可以看出本公开将分段定子140和分段转子120沿轴向y分成多段的方法，由于分段间隙非常小，对风力发电机系统实际有效长度影响就非常小。
[0077]
此外，本公开实施例的风力发电机系统可以采用直径变化和高度变化，制造成不同输出功率或输出容量的风力发电机系统。由于转子组12是分段的、模块化的，所以通过转子组12的分段数量来简单地改变输出功率或输出容量，方便风力发电机系统的序列化生产。
[0078]
在本公开的一些实施例中，分段转子120可设置磁钢结构，则分段定子140设置线圈绕组，也可理解为，此分段转子120为磁钢结构，线圈绕组为分段定子140，此磁钢结构可包括多个沿周向间隔设置的磁段120a，结合图1、图5至图8所示，线圈绕组可包括环状铁芯140a和绕线组140b，环状铁芯140a朝向磁钢结构的环面设置有绕线组140b，通过将分段转子120设置为磁钢结构，将分段定子140设置为线圈绕组，这样可降低绕线组140b对分段转子120转动的干扰，但不限于此，也可分段转子120设置线圈绕组，分段定子140设置磁钢结构，只要设置好绕线组140b即可。
[0079]
在立柱11垂直放置时，磁钢结构沿立柱11的轴向分段设置，因此，对于每一个轴向分段的磁钢结构本身就可以构成一个磁场用于发电转动，因此，每段磁钢结构本身其实可以是沿立柱11的周向排列的多个磁段120a组成的集合体。本实施例提到的轴向分段在于考虑沿立柱11的轴向分段设置，并不影响或干扰作为单个独立的磁钢结构轴向分段本身作为磁场提供的载体所采用的方式，也就是作为单个独立的磁钢结构轴向分段本身可以采用常规的方式来实现固定。
[0080]
举例而言，在本公开的风力发电机系统为前述提到的外转子风力发电系统时，可
将转子外壳设计为导磁薄壁钢管，而分段转子120为磁钢结构，多段磁钢结构贴在转子外壳的内壁，其中，磁钢结构的材料是：钕铁硼、铁氧体、粘接钕铁硼、塑料钕铁硼等等，特别是塑料钕铁硼，充磁后粘接在导磁薄壁钢管上即可，工艺非常简单和成本低廉。
[0081]
进一步地，导磁薄壁钢管可以是无缝钢管、卷管等，为了便于生产和安装，以及模块化生产，可将导磁薄壁钢管分段设计，每段导磁薄壁钢管的内壁贴有分成多段的磁钢结构，其中，参考图1和图4所示，导磁薄壁钢管可做成“工”字型，多段“工”型导磁薄壁钢管两端的径向延伸部位可定义为安装部150，轴向相邻段的“工”型导磁薄壁钢管可通过安装部150连接成整体，同时此安装部150还可以方便地用于安装叶片130，也就是说，通过此安装部150可把包含多段的磁钢结构的转子外壳、叶片130装配成风力发电机系统的转子部件。
[0082]
此外，环状铁芯140a可为无槽铁芯，也就是说，环状铁芯140a的环面光滑设置，无开槽设计，在此情况下，参考图1所示，可将绕线组140b贴装在环状铁芯140a朝向磁钢结构的环面上，但不限于此，环状铁芯140a也可为有槽铁芯，即：环状铁芯140a朝向磁钢结构的环面开设有多个沿周向间隔设置的绕线槽1401，此绕线槽1401内装载有绕线组140b，参考图8所示。
[0083]
在一可选实施例中，前述提到的环状铁芯140a为无槽铁心，举例而言，此无槽铁芯朝向磁钢结构的环面贴装的绕线组140b可为三相绕组，也就是说，本公开的风力发电机系统可属于定子无槽的三相风力发电机系统，由于无槽设计，因此，原理上不存在定位力矩，特别有利于微风启动旋转发电。
[0084]
其中，为了避免了绕线组140b的端部交叉重叠，并且让绕线组140b系数最大，本公开风力发电机系统可为每极每相槽数q＝z/(2pm)≤1/2的分数槽集中绕线组140b系统，其中，z是虚槽数，2p是极数，m是相数。
[0085]
举例而言，本公开实施例的风力发电机系统的槽极数如下：
[0086]
虚槽数z＝9n，极数2p＝8n或极数2p＝10n，绕线组140b系数为0.945；
[0087]
虚槽数z＝15n，极数2p＝14n或极数2p＝16n，绕线组140b系数为0.951；
[0088]
虚槽数z＝21n，极数2p＝20n或极数2p＝22n，绕线组140b系数为0.953；
[0089]
虚槽数z＝27n，极数2p＝26n或极数2p＝28n，绕线组140b系数为0.954；
[0090]
其中n＝2，3，4，5，6，7，8，9，10，......大于或等于2的自然数。
[0091]
图9是n＝2，虚槽数z＝9n＝18，2p＝8n＝16或2p＝10n＝20的风力发电机系统的绕线组140b展开图。
[0092]
其中，虚槽数z越大，为了减小环状铁芯140a的涡流损耗，环状铁芯140a的材料是：硅钢片、薄铁片、铁氧体或微晶硅、smc复合软磁材料等软磁材料。
[0093]
进一步地，前述提到的绕线组140b的三相输出线缆通过立柱11最下部侧壁的引线孔，引出至风力发电机系统的基座10外的输出接口，并连接逆变器(图中未示出)，此逆变器可以将风力发电机系统输出的三相交流电逆变成所需要的直流电压或交流电压值。
[0094]
更近一步地，为了阻尼强风，逆变器可通过阻尼电流产生强大的反向力矩，提供阻尼限速功能。
[0095]
此外，当本公开的风力发电机系统采用的环状铁芯140a为有槽铁芯时，绕线槽1401与磁钢结构相互作用必然产生齿槽定位力矩，为了减小定位力矩，本公开可采用分数槽集中绕组，此时，分段定子140和分段转子120分成n段后，即：磁钢结构和环状铁芯140a分
成n段后，可以进一步让相邻磁钢结构的磁段120a沿圆周互相错位的角度为θ，如图5所示，其中，θ＝360
°
/(pzn)，p是磁极对数，z是槽数，n为磁钢结构的数量，也即通过等效斜磁钢来平滑定位转矩，该方法可以减小定位力矩2～100倍，有利于风力发电机微风启动。
[0096]
应当理解的是，图5中黑色的磁段120a、图6中剖面线的磁段120a属于相邻两段分段转子120中一分段转子120的磁段120a，图5和图6中白色的磁段120a属于相邻两段分段转子120中另一分段转子120的磁段120a，此黑色的磁段120a与白色的磁段120a互相错位的夹角为θ。
[0097]
在另一可选实施例中，环状铁芯140a也可为有槽铁芯，即：环状铁芯140a朝向磁钢结构的环面开设有多个沿周向间隔设置的绕线槽1401，此绕线槽1401内装载有绕线组140b，本公开风力发电机系统可为每极每相槽数q＝z/(2pm)≤1/2的分数槽集中绕线组140b的系统，其中，z是槽数，2p是极数，m是相数。
[0098]
举例而言，本公开实施例的风力发电机系统的槽极数如下：
[0099]
槽数z＝9n，极数2p＝8n或极数2p＝10n，绕组系数为0.945；
[0100]
槽数z＝15n，极数2p＝14n或极数2p＝16n，绕组系数为0.951；
[0101]
槽数z＝21n，极数2p＝20n或极数2p＝22n，绕组系数为0.953；
[0102]
槽数z＝27n，极数2p＝26n或极数2p＝28n，绕组系数为0.954；
[0103]
其中，n＝2，3，4，5，6，7，8，9，10，......为自然数。
[0104]
进一步地，槽数z越大，越适合构成外径越大的风力发电机系统，风力发电机系统的功率容量也越大。本公开风力发电机系统的功率容量上限可以超过兆瓦。应当理解的是，兆瓦极的风力发电机系统的直径和长度都比较大、重量也比较大，为了提高轴向被动磁悬浮的刚度以及制造方便，自然可将分段转子120和分段定子140在轴向y上的分段数设计的较大。
[0105]
风力发电机系统可采用36槽40极分数槽集中绕组电机，此风力发电机系统电机中定子组14和转子组12构成无源轴向被动磁悬浮轴承，采用将定子组14和转子组12轴向y分成6段，即：定子组14包括6段沿轴向间隔排布的分段定子140，转子组12包括6段沿轴向间隔排布的分段转子120，每个嵌套的分段定子140和分段转子120构成的单段单元结构能产生5kg/mm的轴向y刚度，则6段单元结构总的轴向y刚度为：30kg/mm，相邻分段转子120互错0.703度，可大幅度减小定位力矩，每个单段单元结构的定位力矩小于0.017nm，每个单段单元结构的发电功率10kw。
[0106]
为了制造方便，可以沿轴向y由10个独立的单元结构，共同构成兆瓦级风力发电机系统。此时，10个单元结构构成兆瓦级风力发电机系统：总的输出功率为1000kw，总的定位力矩小于0.17nm，显然，本公开的分段方法可以大幅度减小定位力矩，总的轴向被动磁悬浮的刚度：300kg/mm。
[0107]
示例地，前述提到的分段定子140与分段转子120轴向偏移量不超过径向间隙δ。
[0108]
在一可选实施例中，各分段定子140的绕线组140b可一体连接，此绕线组140b可覆盖相邻分段定子140之间的轴向间隙，这样设计使得定子组14中绕线组140b的实际有效长度不变，因此，本公开分成多段的方法，对风力发电机系统的输出功率几乎不产生影响或影响可以忽略，对于大外径的大型风力发电机系统，即使转子组12和风叶组13自重超过数千公斤，由于轴向被动磁悬浮的刚度很大，分段转子120与分段定子140的轴向偏移量依然可
以控制在小于1.0mm以内。
[0109]
在一些实施例中，如图1所示，风叶组13可包括至少一层叶片层，此叶片层可包括多个沿立柱11的周向依次排布的叶片130，通过将每层设置多个叶片130，例如：双叶片130，三叶片130或者更多叶片130，可增大每层的切风面积，从而有利于微风启动，但不限于此，至少一叶片层也可为单叶片130。
[0110]
进一步地，参考图1和图4所示，风叶组13可设置多层叶片层，多层叶片层沿立柱11的轴向y排布，且任意两层叶片层之间风叶沿立柱11的周向错开设置，由于错开角度设置，相当于周向增加了叶片130数量，可增大周向切风面积，有利于微风启动，而且风阻并不增加，可以保持风叶组13高效性能。
[0111]
在一些实施例中，风叶组13的叶片130可调节地安装于转子固定件15上，且风叶组13还可包括切风角度调节器(图中未示出)，此切风角度调节器可以根据实际情况调整叶片130的切风角度，也就是说，叶片130的切风角度可变，以用于适应不同情况，提高了风力发电机系统的通用性。
[0112]
举例而言，切风角度调节器可基于工作环境调节叶片130的切风角度，换言之，切风角度调节器可根据当地风力资源特点来调整叶片130的切风角度，以便适应不同地区，使得风力发电机系统效率最高。
[0113]
此外，在叶片层包括多个沿立柱11的周向依次排布的叶片130时，相邻叶片130在切风角度调节器的调节下能够相接或相互错开，例如：在正常天气下，切风角度调节器可调节每层叶片层中各叶片130之间相互错开，使得相邻叶片130之间形成间隙，此时，如图10所示，叶片层处于打开状态，这样使得风力发电系统可处于工作状态，风能够正常吹动叶片130使其旋转，从而实现发电；而在暴风天或者其他不稳定地天气下，切风角度调节器可调整每层叶片层中各叶片130之间相接，以使得叶片层处于闭合状态，如图11所示，这样使得风力发电机系统处于不工作状态，风力发电机系统无法发电或发电较弱，这样避免在暴风天或者其他不稳定地天气下风力发电系统发生损坏的情况，起到保护风力发电系统的作用。
[0114]
举例而言，叶片130可为垂直叶片130，也就是说，叶片130整体在竖直方向上延伸，此竖直方向可为立柱11的轴向y。且叶片130为升力型风叶，升力型风叶的横截面呈弯曲状，如图2和图3所示，回转时可以提供向上的升力风流，它的启动力矩低，尖速比较高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。其中，叶片130的形状为：φ型和h型。
[0115]
虽然已参照几个典型实施方式描述了本公开，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本公开能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种风力发电机系统，其特征在于，所述系统包括：基座；立柱，竖直安装在所述基座上；转子组，包括多个分段转子，所述多个分段转子沿所述立柱的轴向间隔设置，相邻所述分段转子之间的轴向间隙为
λ1
；风叶组，所述风叶组包括至少一个叶片；定子组，所述定子组包括多个分段定子，所述多个分段定子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述立柱上，相邻所述分段转子之间的轴向间隙为λ2；储能组件，用于进行能量转换、收集储存和能量输出中至少之一的工作内容，所述定子组和转子组中的其中之一设置线圈绕组，所述储能组件与所述线圈绕组电连接；其中，所述定子组和所述转子组嵌套在一起，所述分段定子与所述分段转子在所述立柱的径向上具有径向间隙δ，其中，0＜δ≤
λ1，
且δ≤
λ2；
所述分段定子与所述分段转子的至少部分在所述立柱的径向上相对且两者之间具有磁性吸引力，所述磁性吸引力的轴向分量与所述风叶组和所述转子组重量之和相平衡；所述风叶组用于承载外部风力的输入，并传递给所述转子组使得所述转子组相对所述定子组产生转动，令位于磁场内的所述线圈绕组内产生感应电流，所述感应电流流入所述储能组件。2.根据权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于，所述分段转子和分段定子的轴向长度相同，且轴向间隙为λ2等于轴向间隙λ1；所述轴向间隙为
λ1
的取值为所述径向间隙δ的取值的1倍～2倍。3.根据权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于，所述系统还包括：转子固定件，所述分段转子均固定在所述转子固定件上，所述转子固定件与所述立柱同轴心设置，所述转子固定件的两端均设置一对转动轴承，所述一对转动轴承之间设置所述转子组，所述转动轴承垂直放置；所述立柱的轴向两端通过所述转动轴承约束所述转子固定件。4.根据权利要求3所述的风力发电机系统，其特征在于，所述分段定子和分段转子的轴向长度相同，所述分段定子与所述分段转子之间沿轴向错位偏移预设间距，所述预设间距大于零、小于所述轴向间隙为
λ1
的预设倍数，所述预设倍数小于1。5.根据权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于，所述系统还包括：转子固定件，所述分段转子均固定在所述转子固定件上，其中：所述转子固定件为转子壳体，所述转子壳体可转动地安装在所述立柱外，并与所述立柱外壁之间形成安装空间；所述多个分段转子和多个分段定子均位于所述安装空间内，所述多个分段转子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述转子壳体的内壁上，所述多个分段定子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述立柱的外壁上，所述叶片竖直安装于所述转子外壳的外侧；或所述立柱为空腔结构，所述转子固定件为转动轴，所述转动轴可转动地安装在所述立柱内，并与所述立柱内壁之间形成安装空间，所述多个分段转子和多个分段定子均位于所述安装空间内，所述多个分段转子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述转动轴的外壁上，所述多个分段定子沿所述立柱的轴向间隔设置在所述立柱的内壁上，所述叶片竖直安装于所述转动轴上。6.根据权利要求5所述的风力发电机系统，其特征在于，在所述转子固定件为转子壳体
的条件下：所述叶片顶端和所述叶片底端分别设置有固定架，所述叶片顶端的固定架与所述转子壳体的顶端连接，所述叶片底端的固定架与所述转子壳体的底端连接，所述叶片与所述转子外壳之间具有间隙。7.根据权利要求5所述的风力发电机系统，其特征在于，所述叶片可调节地安装于所述转子固定件上，且所述风叶组还包括切风角度调节器，与所述叶片连接，其中：所述切风角度调节器用于基于工作环境调节所述叶片的切风角度；和/或所述风叶组包括至少一层叶片层，所述叶片层包括多个沿所述立柱的周向依次排布的所述叶片，在所述叶片层中：相邻所述叶片在所述切风角度调节器的调节下能够相接或相互错开。8.根据权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于，所述风叶组包括至少一层叶片层，所述叶片层包括多个沿所述立柱的周向依次排布的所述叶片。9.根据权利要求8所述的风力发电机系统，其特征在于，所述叶片层设置多层，并沿所述立柱的轴向排布；其中，任意两层所述叶片层之间风叶沿所述立柱的周向错开设置。10.根据权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于，所述叶片为升力型风叶，所述升力型风叶的横截面呈弯曲状；和/或所述叶片的形状为φ型和h型中的一者。11.根据权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于，所述分段转子与所述分段定子的轴向长度相等均为l，其中，λ1＝λ2＝λ，且λ小于所述分段转子与所述分段定子的轴向长度l的5～10倍。12.根据权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于，在所述分段转子和所述分段定子中之一者设置所述线圈绕组，则另一者设置磁钢结构；其中，所述磁钢结构包括多个沿周向间隔设置的磁段，所述线圈绕组包括环状铁芯和绕线组，所述环状铁芯朝向所述磁钢结构的环面开设有多个沿周向间隔设置的绕线槽，所述绕线槽内装载有所述绕线组；相邻磁钢结构的磁段沿圆周互相错位360
°
/(pzn)，每极每相槽数q＝z/(2pm)≤1/2，其中，z是槽数，p是磁极对数，2p是极数，m是相数，n是磁钢结构的数量。13.根据权利要求1所述的风力发电机系统，其特征在于，在所述分段转子和所述分段定子中之一者设置所述线圈绕组，则另一者设置磁钢结构，所述磁钢结构包括多个沿周向间隔设置的磁段，所述线圈绕组包括环状铁芯和绕线组，所述环状铁芯朝向所述磁钢结构的环面贴装有所述绕线组；其中，每极每相槽数q＝z/(2pm)≤1/2，其中，z是虚槽数，p是磁极对数，2p是极数，m是相数，n是磁钢结构的数量。

技术总结
本公开提供了风力发电机系统，包括基座、立柱、转子组、风叶组、定子组、储能组件；立柱竖直安装在基座上；转子组包括多个间隔设置的分段转子，相邻分段转子之间的轴向间隙为


技术研发人员：杨若菡 叶国良 李铁才 李晴
受保护的技术使用者：洁绿源科技（深圳）有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/12