基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机论文和设计-李玲玲

全文摘要

本实用新型涉及一种基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，包括避雷器模块、条形弯片模块、顶部混合磁悬浮轴承模块、风机扇叶模块、双风力发电机模块、径向磁悬浮轴承模块和底部磁悬浮垂直轴承模块；顶部混合磁悬浮轴承模块固定在条形弯片模块的上端底部；风机扇叶模块安装在条形弯片模块内侧，双风力发电机模块安装在风机扇叶模块上；径向磁悬浮轴承模块固装在条形弯片模块的底部支撑部分；底部磁悬浮垂直轴承模块与条形弯片模块的底部固定在一起。本实用新型采用上下磁悬浮轴承结构，使整个发电机装置完全悬浮，启动风速小，不仅使输出功率提高，也使其机械结构简单，极大提高了风能的利用率。

主设计要求

1.一种基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：包括避雷器模块、条形弯片模块、顶部混合磁悬浮轴承模块、风机扇叶模块、双风力发电机模块、径向磁悬浮轴承模块和底部磁悬浮垂直轴承模块；所述避雷器模块固定在条形弯片模块的上端，所述顶部混合磁悬浮轴承模块固定在条形弯片模块的上端底部；所述风机扇叶模块包括上层磁悬浮轴承、下层磁悬浮轴承并安装在条形弯片模块内侧，在上层磁悬浮轴承、下层磁悬浮轴承上分别安装有上层扇叶和下层扇叶，在下层磁悬浮轴承的底部安装有底部磁悬浮轴承旋转磁体；所述双风力发电机模块包括上层发电机模块和下层发电机模块并分别安装在上层磁悬浮轴承和下层磁悬浮轴承上；所述径向磁悬浮轴承模块固装在条形弯片模块的底部支撑部分；所述底部磁悬浮垂直轴承模块与条形弯片模块的底部固定在一起；在底部磁悬浮垂直轴承模块内安装有径向磁轴承控制模块。

设计方案

2.根据权利要求1所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述避雷器模块为阀式避雷器模块。

3.根据权利要求1所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述条形弯片模块为两个且左右对称设置，该条形弯片模块包括条形弯片、电刷、中部径向稳定磁体支撑杆、径向混合磁轴承支撑块和底部弯型叶片支撑块；两个条形弯片的顶部间通过固定螺丝连接顶部混合磁悬浮轴承模块；两个中部径向稳定磁体支撑杆一端与条形弯片的中部相连，两个中部径向稳定磁体支撑杆另一端连接中部径向稳定磁体，中部径向稳定磁体支撑杆用来支撑上层电刷和中部径向稳定磁体；条形弯片的尾部延伸出径向混合磁轴承支撑块、底部弯型叶片支撑块和下层电刷并分别连接径向磁悬浮轴承模块和底部磁悬浮垂直轴承模块。

4.根据权利要求3所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述条形弯片由不锈钢材料制成；所述中部径向稳定磁体支撑杆为由铝合金构成的空心圆柱体；所述电刷为正方体状金属电刷。

5.根据权利要求1所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述顶部混合磁悬浮轴承模块包括线圈装置、永磁体装置、铁磁性材料圆柱体、电磁体装置和连接件；所述连接件为PEEK材质构成的长方体；所述铁磁性材料圆柱体的底部与上层磁悬浮轴承的顶部相对，该铁磁性材料圆柱体直径小于上层磁悬浮轴承5cm；所述电磁体装置为一底端开槽圆柱体，其顶部通过螺栓和螺母安装在连接件上，线圈装置缠绕在电磁体装置的外侧上；所述电磁体装置与铁磁性材料圆柱体间留有5cm空隙；所述电磁体装置、永磁体装置和铁磁性材料圆柱体组成混合磁轴承体。

6.根据权利要求1所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述上层扇叶和下层扇叶为方向相反的上层升力型达里厄Ф形风机扇叶和下层升力型达里厄Ф形风机扇叶，每个风机扇叶均由三片扇叶组成，每片叶片间距角度为120°；所述上层磁悬浮轴承和下层磁悬浮轴承均为轻质合金材料做成的空心轴承。

7.根据权利要求1所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述双风力发电机模块包括上层发电机模块和下层发电机模块；

所述上层发电机模块包括上层N极永磁磁体、上层电机电枢绕组、上层S极永磁磁体、上层电刷、上层换向器、上层磁环、上层绝缘材料和下层电机电枢绕组连接杆；所述上层N极永磁磁体和上层S极永磁磁体均以位置相对的形式固定在上层磁悬浮轴承内壁上，在上层磁悬浮轴承的下端两侧分别固定有上层绝缘材料，下层电机电枢绕组连接杆固定在上层换向器上；在上层绝缘材料的末端有凹槽，用于固定上层换向器；在上层磁悬浮轴承底部固定上层磁环，上层磁环的边缘距上层换向器3cm位置；上层电机电枢绕组在上层磁悬浮轴承的中部位置，且在端部与上层磁环留有空隙；上层换向器通过上层绝缘材料与上层空心轴承相连；

所述下层发电机模块包括下层电刷、下层换向器、下层磁环、下层N极永磁磁体、下层电机电枢绕组、下层S极永磁磁体、下层绝缘材料和上层电机电枢绕组连接杆；所述下层N极永磁磁体和下层S极永磁磁体均以位置相对的形式固定在下层磁悬浮轴承内壁上，在下层磁悬浮轴承的下端两侧分别固定有下层绝缘材料，上层电机电枢绕组连接杆固定在下层换向器上；在下层绝缘材料的末端有凹槽，用于固定下层换向器；在下层磁悬浮轴承顶部固定下层磁环；下层电机电枢绕组在下层磁悬浮轴承的底部位置，且在端部与下层磁环留有空隙，上层电机电枢绕组从下层电机电枢绕组的中间穿过；下层换向器通过下层绝缘材料与下层空心轴承相连。

8.根据权利要求1所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述径向磁悬浮轴承模块包括控制线圈、永磁磁体、环状铁镍合金磁体和距离传感器；所述控制线圈、永磁磁体、环状铁镍合金磁体、距离传感器左右对称放置，左侧4个控制线圈和永磁磁体相连并形成“E”形电磁装置；所述环状铁镍合金磁体嵌装在下层磁悬浮轴承上并固定；所述距离传感器采用嵌入式安装在径向混合磁悬浮装置的‘E’形中线位置，且左右对称安装。

9.根据权利要求1所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述底部磁悬浮垂直轴承模块包括整体磁悬浮支撑平台、垂直稳定永磁梯形支撑块、垂直永磁间距调节块、水平稳定永磁梯形支撑块和水平永磁间距调节块；两个垂直稳定永磁梯形支撑块分别位于整体磁悬浮支撑平台中部左右用以支撑弧形永磁磁体，两个垂直永磁间距调节块分别位于整体磁悬浮支撑平台中部左右并且分别与垂直稳定永磁梯形支撑块相连；两个水平稳定永磁梯形支撑块分别位于整体磁悬浮支撑平台底部中间左右以支撑底部N型永磁磁体；两个水平永磁间距调节块位于整体磁悬浮支撑平台底部中间左右并且分别和水平稳定永磁梯形支撑块相连以用来调节底部N型永磁磁体与磁悬浮轴承底部N型永磁磁体间距；在整体磁悬浮支撑平台内侧设有连接在一起的底部固定永磁磁体和非磁性材料，所述底部固定永磁磁体与底部磁悬浮轴承旋转磁体组成5对磁极；所述底部固定永磁磁体的垂直长度为20cm。

10.根据权利要求9所述的基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，其特征在于：所述径向磁轴承控制模块包括控制器和功率放大器，该控制器分别与功率放大器、距离传感器相连接，该距离传感器用于测量与磁悬浮轴承的距离并作为控制器的输入信号，控制器的输出信号作用于功率放大器，该功率放大器与控制线圈相连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，尤其是一种基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机。

背景技术

随着经济飞速发展，人们对电能的需求也越来越大，非再生能源枯竭问题日益凸显，能源系统正在由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。风力发电技术作为可再生能源发电的重要方向，得到了极大的发展和进步。由于传统风力发电装置存在着体积大、损耗大、对风能利用率低、成本较高等问题。因此，提高风能利用率、减小损耗的风电装置对风力发电技术有重大意义。

目前，有些风力发电机装置采用水平方向磁悬浮轴承技术，有些采用垂直方向磁悬浮轴承技术。前一种装置主要存在着生产制造成本高、维修成本高的问题，也对机舱、塔架、偏航机构提出较高的要求，并且在高速运行时将产生很大的气动噪音，此外，很多鸟类在高速水平轴风轮叶片下很难幸免由此产生环保和生态问题。后一种装置由于垂直轴风力发电机结构比水平轴风力发电机简单，易于维修，寿命长，高速运行时无噪音，且在实际环境中水平轴风轮不可能始终对着风，相比较而言垂直轴风轮则是全方位受风，所以垂直轴风力发电机是目前发电机研究和应用的大方向，但是其存在的问题是风能利用率低，并且由于机械摩擦等比较大难以自启动。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，解决了现有风力发电机存在的风能利用效率低、启动风速要求高、单发电机发电功率低等问题。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，包括避雷器模块、条形弯片模块、顶部混合磁悬浮轴承模块、风机扇叶模块、双风力发电机模块、径向磁悬浮轴承模块和底部磁悬浮垂直轴承模块；所述避雷器模块固定在条形弯片模块的上端，所述顶部混合磁悬浮轴承模块固定在条形弯片模块的上端底部；所述风机扇叶模块包括上层磁悬浮轴承、下层磁悬浮轴承并安装在条形弯片模块内侧，在上层磁悬浮轴承、下层磁悬浮轴承上分别安装有上层扇叶和下层扇叶，在下层磁悬浮轴承的底部安装有底部磁悬浮轴承旋转磁体；所述双风力发电机模块包括上层发电机模块和下层发电机模块并分别安装在上层磁悬浮轴承和下层磁悬浮轴承上；所述径向磁悬浮轴承模块固装在条形弯片模块的底部支撑部分；所述底部磁悬浮垂直轴承模块与条形弯片模块的底部固定在一起；在底部磁悬浮垂直轴承模块内安装有径向磁轴承控制模块。

进一步，所述避雷器模块为阀式避雷器模块。

进一步，所述条形弯片模块为两个且左右对称设置，该条形弯片模块包括条形弯片、电刷、中部径向稳定磁体支撑杆、径向混合磁轴承支撑块和底部弯型叶片支撑块；两个条形弯片的顶部间通过固定螺丝连接顶部混合磁悬浮轴承模块；两个中部径向稳定磁体支撑杆一端与条形弯片的中部相连，两个中部径向稳定磁体支撑杆另一端连接中部径向稳定磁体，中部径向稳定磁体支撑杆用来支撑上层电刷和中部径向稳定磁体；条形弯片的尾部延伸出径向混合磁轴承支撑块、底部弯型叶片支撑块和下层电刷并分别连接径向磁悬浮轴承模块和底部磁悬浮垂直轴承模块。

进一步，所述条形弯片由不锈钢材料制成；所述中部径向稳定磁体支撑杆为由铝合金构成的空心圆柱体；所述电刷为正方体状金属电刷。

进一步，所述顶部混合磁悬浮轴承模块包括线圈装置、永磁体装置、铁磁性材料圆柱体、电磁体装置和连接件；所述连接件为PEEK材质构成的长方体；所述铁磁性材料圆柱体的底部与上层磁悬浮轴承的顶部相对，该铁磁性材料圆柱体直径小于上层磁悬浮轴承5cm；所述电磁体装置为一底端开槽圆柱体，其顶部通过螺栓和螺母安装在连接件上，线圈装置缠绕在电磁体装置的外侧上；所述电磁体装置与铁磁性材料圆柱体间留有5cm空隙；所述电磁体装置、永磁体装置和铁磁性材料圆柱体组成混合磁轴承体。

进一步，所述上层扇叶和下层扇叶为方向相反的上层升力型达里厄Ф形风机扇叶和下层升力型达里厄Ф形风机扇叶，每个风机扇叶均由三片扇叶组成，每片叶片间距角度为120°；所述上层磁悬浮轴承和下层磁悬浮轴承均为轻质合金材料做成的空心轴承。

进一步，所述双风力发电机模块包括上层发电机模块和下层发电机模块；

所述上层发电机模块包括上层N极永磁磁体、上层电机电枢绕组、上层S极永磁磁体、上层电刷、上层换向器、上层磁环、上层绝缘材料和下层电机电枢绕组连接杆；所述上层N 极永磁磁体和上层S极永磁磁体均以位置相对的形式固定在上层磁悬浮轴承内壁上，在上层磁悬浮轴承的下端两侧分别固定有上层绝缘材料，下层电机电枢绕组连接杆固定在上层换向器上；在上层绝缘材料的末端有凹槽，用于固定上层换向器；在上层磁悬浮轴承底部固定上层磁环，上层磁环的边缘距上层换向器3cm位置；上层电机电枢绕组在上层磁悬浮轴承的中部位置，且在端部与上层磁环留有空隙；上层换向器通过上层绝缘材料与上层空心轴承相连；

进一步，所述径向磁悬浮轴承模块包括控制线圈、永磁磁体、环状铁镍合金磁体和距离传感器；所述控制线圈、永磁磁体、环状铁镍合金磁体、距离传感器左右对称放置，左侧4 个控制线圈和永磁磁体相连并形成“E”形电磁装置；所述环状铁镍合金磁体嵌装在下层磁悬浮轴承上并固定；所述距离传感器采用嵌入式安装在径向混合磁悬浮装置的‘E’形中线位置，且左右对称安装。

进一步，所述底部磁悬浮垂直轴承模块包括整体磁悬浮支撑平台、垂直稳定永磁梯形支撑块、垂直永磁间距调节块、水平稳定永磁梯形支撑块和水平永磁间距调节块；两个垂直稳定永磁梯形支撑块分别位于整体磁悬浮支撑平台中部左右用以支撑弧形永磁磁体，两个垂直永磁间距调节块分别位于整体磁悬浮支撑平台中部左右并且分别与垂直稳定永磁梯形支撑块相连；两个水平稳定永磁梯形支撑块分别位于整体磁悬浮支撑平台底部中间左右以支撑底部 N型永磁磁体；两个水平永磁间距调节块位于整体磁悬浮支撑平台底部中间左右并且分别和水平稳定永磁梯形支撑块相连以用来调节底部N型永磁磁体与磁悬浮轴承底部N型永磁磁体间距；在整体磁悬浮支撑平台内侧设有连接在一起的底部固定永磁磁体和非磁性材料，所述底部固定永磁磁体与底部磁悬浮轴承旋转磁体组成5对磁极；所述底部固定永磁磁体的垂直长度为20cm。

进一步，所述径向磁轴承控制模块包括控制器和功率放大器，该控制器分别与功率放大器、距离传感器相连接，该距离传感器用于测量与磁悬浮轴承的距离并作为控制器的输入信号，控制器的输出信号作用于功率放大器，该功率放大器与控制线圈相连接。。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型利用上下磁悬浮轴承模块和中部径向稳定磁体支撑起风机扇叶模块、双风力发电机模块，并且径向部分采用混合磁轴承，使整个发电机装置完全悬浮，没有机械摩擦和磨损，启动风速小，不仅使输出功率提高，也使其机械结构简单，解决了其工艺复杂的问题，具有可推广的应用价值。

2、本实用新型利用上下磁悬浮轴承，将两个发电机结构嵌入到空心轴承中形成相互利用的双电机结构，极大提高了风能的利用率。

3、本实用新型设计合理，其利用磁悬浮技术将轴承悬浮，消除了机械摩擦和摩擦损耗，并将磁悬浮轴承设计为中空结构，并形成双风力发电机，以此解决了现有风力发电机存在的风能利用效率低，启动风速要求高，单发电机发电功率低等问题，显著提高了对风能的利用，保证了在风力较小的时候对风力发电的要求。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构图；

图2是本实用新型的条形弯片模块结构图；

图3a是本实用新型的顶部混合磁悬浮轴承模块结构图；

图3b是图3a的A-A截面图；

图4是本实用新型的风机扇叶模块结构图；

图5a是本实用新型的双风力发电机模块的上部剖视图；

图5b是本实用新型的双风力发电机模块的下部剖视图；

图5c是本发明的电枢绕组结构图；

图6是本实用新型的径向磁悬浮轴承模块结构图；

图7是本实用新型的底部磁悬浮垂直轴承模块结构图；

图8是本实用新型的底部磁悬浮垂直轴承模块的磁极结构图；

图9是本实用新型的径向磁轴承控制模块工作原理图；

图10是本实用新型的径向磁轴承控制模块的工作流程图；

图中，1－阀式避雷器模块、2－条形弯片模块、3－顶部混合磁悬浮轴承模块、4－风机扇叶模块、5－双风力发电机模块、6－径向磁悬浮轴承模块、7－底部磁悬浮垂直轴承模块、 2-1－固定螺丝、2-2－条形弯片、2-3中部径向稳定磁体支撑杆、2-4－径向混合磁轴承支撑块、 2-5－底部弯型叶片支撑块、3-1－连接件、3-2－永磁体装置、3-3－线圈装置、3-4－铁磁性材料圆柱体、电磁体装置3-5、4-1－上层Ф形扇叶、4-2－下层Ф形扇叶、4-3－上层Ф形扇叶截面、4-4－下层Ф形扇叶截面、4-5上层磁悬浮轴承、4-6下层磁悬浮轴承、5-1－上层N极永磁磁体、5-2－上层电机电枢绕组、5-3－上层S极永磁磁体、5-4－上层电刷、5-5－上层换向器、5-6－上层磁环、5-7－下层电刷、5-8－下层换向器、5-9－下层磁环、5-10－下层N极永磁磁体、5-11－下层电机电枢绕组、5-12－下层S极永磁磁体、5-13－上层绝缘材料、5-14 －下层绝缘材料、5-15中部径向稳定磁体、5-16上层电机电枢绕组连接杆、5-17下层电机电枢绕组连接杆、6-1－控制线圈、6-2－永磁磁体、6-3－环状铁镍合金磁体、7-1－整体磁悬浮支撑平台、7-2－垂直稳定永磁梯形支撑块、7-3－垂直永磁间距调节块、7-4－水平稳定永磁梯形支撑块、7-5－水平永磁间距调节块、7-6－非磁性材料、7-7－底部固定磁极、8－底部磁悬浮轴承旋转磁体。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述。

一种基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机，如图1至图8所示，包括阀式避雷器模块1、条形弯片模块2、顶部混合磁悬浮轴承模块3、风机扇叶模块4、双风力发电机模块5、径向磁悬浮轴承模块6和底部磁悬浮垂直轴承模块7。所述底部磁悬浮垂直轴承模块 7垂直固定在需要安装的地方(例如地面或其他固定装置上)；所述底部磁悬浮垂直轴承模块 7与条形弯片模块2的底部固定在一起；所述径向磁悬浮轴承模块6固定在条形弯片模块2 的底部支撑部分。所述风机扇叶模块4安装在条形弯片模块2的内部，该风机扇叶模块4包括上层磁悬浮轴承4-5、下层磁悬浮轴承4-6、上层Ф形扇叶4-1和下层Ф形扇叶4-2，上层Ф形扇叶4-1和下层Ф形扇叶4-2分别安装在上层磁悬浮轴承4-5、下层磁悬浮轴承4-6上，在下层磁悬浮轴承的底部安装有底部磁悬浮轴承旋转磁体8(N极、S极永磁磁体)。双风力发电机模块5包括上层发电机模块和下层发电机模块并分别安装在上层磁悬浮轴承4-5、下层磁悬浮轴承4-6上。所述顶部混合磁悬浮轴承模块3固定在条形弯片模块2的上端底部。所述阀式避雷器模块1固定在条形弯片模块2的顶部。

所述阀式避雷器为常见通用型避雷器。

径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机装配过程如下：先固定底部磁悬浮垂直轴承模块7，和条形弯片模块2，然后安装顶部混合磁悬浮轴承模块3，将风机扇叶模块4和双风力发电机模块5整体安装好后放入条形弯片模块2内部，最后安装阀式避雷器模块1。整个双风力发电机模块5安装过程如下：安装上层N极永磁磁体5-1和S极永磁磁体5-3于上层磁悬浮轴承4-5，将上层电机电枢绕组5-2和上层电机电枢绕组连接杆5-16连接好后放入上层磁悬浮轴承4-5中，然后安装5-15中部径向稳定磁体之后再安装上层磁悬浮轴承4-5整体。同样的安装下层N极永磁磁体5-10和S极永磁磁体5-12于下层磁悬浮轴承4-6，将下层电机电枢绕组5-11和下层电机电枢绕组连接杆5-17连接好后放入下层磁悬浮轴承4-6中，然后安装下层磁悬浮轴承4-6整体。

如图2所示，所述条形弯片模块2左右对称，包括固定螺丝2-1、条形弯片2-2、中部径向稳定磁体支撑杆2-3、径向混合磁轴承支撑块2-4、底部弯型叶片支撑块2-5。条形弯片2-2 为一水滴形状不锈钢材料的支撑体，用于支撑阀式避雷器模块1、连接件3-1、中部径向稳定磁体支撑杆2-3、径向混合磁轴承支撑块2-4；两个条形弯片2-2顶部间通过固定螺丝2-1连接连接件3-1；中部径向稳定磁体支撑杆2-3为一铝合金构成的空心圆柱体，其一端与条形弯片2-2的中部相连，另一端连接中部径向稳定磁体5-15，中部径向稳定磁体支撑杆2-3整体用来支撑上层电刷5-4和中部径向稳定磁体5-15；条形弯片2-2的尾部延伸出径向混合磁轴承支撑块2-4和底部弯型叶片支撑块2-5和下层电刷5-7，分别连接径向磁悬浮轴承模块6和下层磁悬浮垂直轴承模块7；四个固定螺丝2-1将条形弯片2-2和连接件3-1用以固定左右两边条形弯片2-2的上部；上层电刷5-4和下层电刷5-7均为正方体状金属电刷，两个上层电刷 5-4和两个下层电刷5-7用来将上层换向器、下层换向器中的电流引出，两个中部径向稳定磁体支撑杆2-3和两个条形弯片2-2相连由此可将风力发电机产生的电能接出外部以供使用；两个径向混合磁轴承支撑块2-4和条形弯片2-2相连接以支撑径向混合磁悬浮轴承模块，底部弯型叶片支撑块2-5和条形弯片2-2底部相连用来支撑条形弯片2-2整体；条形弯片2-2整体用来支撑本实用新型顶部(包含避雷器、电磁铁装置)、中间的中部径向稳定磁体支撑杆以及底部径向混合磁轴承支撑块。

如图3a及图3b所示，所述顶部混合磁悬浮轴承模块3包括连接件3-1、线圈装置3-3、永磁体装置3-2、铁磁性材料圆柱体3-4和电磁体装置3-5。其中，连接件3-1为一种特种塑料PEEK材质构成的长方体，作为混合磁悬浮轴承的支撑装置，铁磁性材料圆柱体3-4的顶部与上层磁悬浮轴承的底部相对，铁磁性材料圆柱体3-4截面直径小于上层磁悬浮轴承半径5cm，其距离顶部为5cm；电磁体装置3-5为一底端开槽圆柱体，其顶部通过螺栓和螺母安装在连接件3-1上、线圈装置3-3缠绕在电磁体装置3-5的外侧上；永磁体装置3-2与铁磁性材料圆柱体3-4间留有空隙；铁磁性材料圆柱体3-4嵌入到电磁体装置3-5底端的开槽内；电磁体装置3-5、永磁体装置3-2、线圈装置3-3和铁磁性材料圆柱体3-4组成混合磁轴承体。从整体效果上来看，通过给线圈装置3-3通电产生电磁吸力，利用铁磁性材料圆柱体3-4使电磁吸力等于铁磁性材料圆柱体3-4和上层磁悬浮轴承的自重，进而将上层磁悬浮轴承悬浮在空中，嵌入到电磁体装置3-5的部分通过电磁吸力，达到维持径向平衡的作用。使顶部混合磁悬浮轴承模块3无机械摩擦和磨损，进而实现微风时轴承可随风机旋转。

如图4所示,所述风机扇叶模块4采用碳纤维复合材料制成，叶片采用截面翼形，包括方向相反的上层升力型达里厄Ф形风机扇叶4-1和下层升力型达里厄Ф形风机扇叶4-2,上层磁悬浮轴承4-5和下层磁悬浮轴承4-6；上层磁悬浮轴承4-5和下层磁悬浮轴承4-6均为轻质合金材料做成的空心轴承；上层Ф形扇叶4-1和下层Ф形扇叶4-2，均由三片扇叶组成，每片叶片间距角度为120°；下层Ф形扇叶4-2与上层Ф形扇叶4-1结构反向对称(如图4右半部分俯视剖面图所示)，当风吹过时，上下层风叶旋转方向相反；取上层叶轮任意高度做横截面得到上层Ф形扇叶截面4-3；取下层叶轮任意高度做横截面得到下层Ф形扇叶截面4-4；下层Ф形扇叶4-2与上层Ф形扇叶4-1均固定在上层磁悬浮轴承4-5上，上下扇叶转动分别带动上层磁悬浮轴承4-5和下层磁悬浮轴承4-6转动；从整体效果上来看，当上下层叶轮转动时，上下轴承将与叶片同时转动，为发电机提供原动力。

所述双风力发电机模块5包括上层发电机模块和下层发电机模块，如图5a所示，所述双风力发电机模块5的上层发电机模块包括上层N极永磁磁体5-1、上层电机电枢绕组5-2、上层S极永磁磁体5-3、上层电刷5-4、上层换向器5-5、上层磁环5-6、上层绝缘材料5-13、上层电机电枢绕组连接杆5-16；所述上层发电机模块各个部分的位置关系如下，上层N极永磁磁体5-1和上层S极永磁磁体5-3以位置相对的形式固定在上层空心轴承内壁，在上层磁悬浮轴承的下端两侧分别固定有上层绝缘材料5-13，主要用于绝缘。下层电机电枢绕组连接杆5-17为非金属杆，其端部固定在上层换向器5-5上，使下层磁悬浮轴承转动时，能随其一起转动，下层电机电枢绕组的导线通过下层电机电枢绕组连接杆5-17引到上层换向器5-5。在上层绝缘材料5-13的末端有凹槽，用于固定上层换向器5-5；在同一水平方向，即在上层磁悬浮轴承底部固定上层磁环5-6，上层磁环5-6其边缘距上层换向器5-510cm位置；上层电机电枢绕组5-2在上层磁悬浮轴内部的中部位置，且其端部不与上层磁环5-6接触，支撑并带动整体绕组(绕组图如5c所示)。

如图5b所示，所述双风力发电机模块5的下层发电机模块包括下层电刷5-7、下层换向器5-8、下层磁环5-9、下层N极永磁磁体5-10、下层电机电枢绕组5-11、下层S极永磁磁体5-12、下层绝缘材料5-14、上层电机电枢绕组连接杆5-17；所述双风力发电机模块5下层发电机模块各个部分的位置关系如下，下层N极永磁磁体5-10和下层S极永磁磁体5-12 均以位置相对的形式固定在下层磁悬浮轴承内壁，在下层磁悬浮轴承的下端两侧分别固定有下层绝缘材料5-14，主要用于绝缘；上层电机电枢绕组连接杆5-16为一金属杆，其端部固定在下层换向器5-8上，使上层磁悬浮轴承转动时，能随其一起转动，上层电机电枢绕组的导线通过上层电机电枢绕组连接杆5-16引到下层换向器5-8。在下层绝缘材料5-14的末端有凹槽，用于固定下层换向器5-8，在同一水平方向，即在下层磁悬浮轴承顶部固定下层磁环5-9；下层电机电枢绕组5-11在下层磁悬浮轴承的中部位置，且在端部不与下层磁环5-9 接触，上层电机电枢绕组5-2从下层电机电枢绕组5-11的中间穿过，从而防止上下层电机电枢绕组在电机旋转时相撞，并且下层电机电枢绕组5-11支撑并带动整体绕组(绕组图如5c 所示)；中部径向稳定磁体5-15为一空心圆柱体状永磁磁体，用来实现上下层空心轴承的径向稳定。

如图5c所示，为上层电机电枢绕组5-2和下层电机电枢绕组5-11结构图，电枢绕组均为中空型鼠笼式绕组。

从整体效果来看，上层电机电枢绕组5-2连接到下层换向器5-8，下层换向器5-8与下层电刷5-7在上层电机电枢绕组5-2转动时将产生的电能引出，上层换向器5-5和通过上层绝缘材料5-13与上层空心轴承3-5相连；下层换向器5-8通过下层绝缘材料5-14与下层空心轴承相连；下层N极永磁磁体5-10、下层S极永磁磁体5-12以位置相对的形式固定在下层空心轴承上，下层电机电枢绕组5-11连接到上层换向器5-5，上层换向器5-5与上层电刷 5-4在下层电机电枢绕组5-11转动时将产生的电能引出；当风吹动风机扇叶模块4时，风机叶片模块4的上层Ф形扇叶4-1转动，上层N极永磁磁体5-1、上层S极永磁磁体5-3、下层电机电枢绕组5-11跟随叶片同步转动，同时风吹动风叶模块4的下层Ф形扇叶4-2以同上层Ф形扇叶4-1相反的方向转动，并且下层N极永磁磁体5-10、下层S极永磁磁体5-12、上层电机电枢绕组5-2跟随其同步转动；从双风力发电机模块5的上层来看，上层N极永磁磁体5-1和上层S极永磁磁体5-3产生磁场并且以一定的方向转动(假设以顺时针方向转动)，而上层电机电枢绕组5-2通过下层Ф形扇叶4-2的转动带动其旋转并且以同上层磁场相反的方向转动(假设以逆时针方向旋转)，从而切割磁场，产生感应电流，若以上层磁场为参照物(即假设上层N极永磁磁体5-1、上层S极永磁磁体5-3为静止)，则上层电机电枢绕组5-2以原来2倍的速度以逆时针方向旋转切割磁场，从而以2倍的转速产生更大的电枢电流，电枢电流经过上层换向器5-5使同一磁极下电流方向不变从而经由上层电刷5-4将电流引出。同样的，上层N极永磁磁体5-1和上层S极永磁磁体的转动的同时也带动下层电机电枢绕组5-11 以一定的方向转动(假设以顺时针方向转动)，那么从双风力发电机模块5的下层来看，下层 N极永磁磁体5-10和下层S极永磁磁体5-12产生磁场并且以一定的方向转动(假设以逆时针方向转动)，从而下层电机电枢绕组5-11切割磁场产生感应的电枢电流，电枢电流经过下层换向器5-8使同一磁极下电流方向不变从而经由下层电刷5-7将电流引出，同理下层中的下层电机电枢绕组5-11也以2倍速切割磁场产生更大的感应电枢电流；从整体效果上来看，当上下风叶转动时，上下发电机将同时转动，但由于转动方向相反，能够同时实现发电以此实现双风力发电机；上层磁环5-6和下层磁环5-9分别固定在上层空心轴承和下层空心轴承上，其中上层磁环5-6和下层磁环5-9为同磁极的永磁磁体，用来实现对上层空心轴承的下端整体起辅助支撑的作用，上层绝缘材料5-13和下层绝缘材料5-14防止电流的流失；中部径向稳定磁体5-15套在上层空心轴承和下层空心轴承的外部且距离轴承有一定距离，并且中部径向稳定磁体5-15的磁极与上层磁环5-6和下层磁环5-9的磁极相同，以此实现上层空心轴承的低端径向稳定和下层空心轴承的顶端径向稳定以及保证了在风力较大发电机不受其影响。

如图6所示，所述径向磁悬浮轴承模块6包括控制线圈6-1、永磁磁体6-2、环状铁镍合金磁体6-3和距离传感器6-4。所述控制线圈6-1、永磁磁体6-2、环状铁镍合金磁体6-3、距离传感器6-4左右对称放置，左侧4个控制线圈6-1和永磁磁体6-2相连，形成“E”形电磁装置，给控制线圈6-1通电时它和永磁磁体6-2、环状铁镍合金磁体6-3一起构成径向混合磁轴承控制结构，径向混合磁轴承作为混合磁悬浮轴承的径向平衡结构，当距离传感器6-4检测到径向偏移量接近为零时，不给控制线圈通电，即不消耗电能，单靠永磁磁体的磁力就能实现径向稳定悬浮，当距离传感器6-4检测到偏离悬浮位置时，通过给控制线6-1圈中通电流，增大磁力来平衡径向混合磁悬浮轴承以应对径向偏移量的变化。环状铁镍合金磁体6-3 嵌在下层磁悬浮轴承4-6上并固定。右侧结构与左侧结构功能相同，两侧对称结构设置保证了轴承在旋转过程中不发生较大的径向偏移，以保证风力发电机的稳定运行。

如图7所示，所述底部磁悬浮垂直轴承模块7包括整体磁悬浮支撑平台7-1、垂直稳定永磁梯形支撑块7-2、垂直永磁间距调节块7-3、水平稳定永磁梯形支撑块7-4和水平永磁间距调节块7-5。两个垂直稳定永磁梯形支撑块7-2分别位于整体磁悬浮支撑平台7-1中部左右用以支撑弧形永磁磁体，两个垂直永磁间距调节块7-3分别位于整体磁悬浮支撑平台7-1中部左右并且分别与垂直稳定永磁梯形支撑块7-2相连以用来调节永磁磁体与磁悬浮轴承间距(通过调节两相同磁极间距离以改变间距)，两个水平稳定永磁梯形支撑块7-4分别位于整体磁悬浮支撑平台7-1底部中间左右以支撑底部N型永磁磁体(该磁体承受磁悬浮轴承底部N型磁极的排斥力)，两个水平永磁间距调节块7-5位于整体磁悬浮支撑平台7-1底部中间左右并且分别和水平稳定永磁梯形支撑块7-4相连以用来调节底部N型永磁磁体与磁悬浮轴承底部N 型永磁磁体间距。设置4个可调节间距的调节块的目的在于调整磁悬浮支撑平台7-1对磁悬浮轴承的支撑力度调节，设置四个梯形支撑块辅以四个调节块以满足不同场合对于支撑平台的要求。

如图8所示，在底部磁悬浮垂直轴承模块7内侧设有底部固定永磁磁体7-7(N极、S极永磁磁体)和非磁性材料7-6，上端的底部固定永磁磁体7-7和下端的非磁性材料7-6相连整体位于整体磁悬浮支撑平台7-1内侧，所述底部固定永磁磁体7-7与底部磁悬浮轴承旋转磁体8组成5对磁极，底部固定永磁磁体7-7的垂直长度为20cm。底部固定永磁磁体7-7与底部磁悬浮轴承旋转磁体8组成五对磁极能够为底部磁悬浮轴承旋转磁体8不同方向的力，以维持下层磁悬浮轴承的平衡来防止磁悬浮轴承偏向。

如图9及图10所示，在底部磁悬浮垂直轴承模块7内安装有径向磁轴承控制模块，便于操作及调整。该控制模块包括控制器(可采用8051单片机芯片)和功率放大器，控制器分别与功率放大器和距离传感器6-4相连接，功率放大器与控制线圈6-1相连接，距离传感器用于测量与磁悬浮轴承的距离。距离传感器检测的信号作为控制器的输入信号，控制器的输出信号作用于功率放大器，通过使线圈电流变化，来改变电磁吸力。所述距离传感器为嵌入式安装在径向混合磁悬浮装置的‘E’形中线位置，其装置左右对称安装；先给控制器设置固定参数(即与磁悬浮轴承一定的距离)，当检测到距离变化时，距离传感器将信号传输给控制器，控制器输出信号作用于功率放大器，控制电磁线圈的电流大小，改变电磁吸力，当检测的距离等于设定值时，停止给电磁线圈供电，磁悬浮轴承保持平衡。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

设计图

基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机论文和设计

基于径向励磁与永磁的混合磁轴承双风力发电机论文和设计-李玲玲

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