磁悬浮垂直轴风力机的优化设计

若只考虑6.2.1节升阻互补型垂直轴风力机中提到的两对矛盾通用参数中其中一对运动物体的重量与力。参照矛盾矩阵表格中的第一条发明原理8，重量补偿原理，通过一个相反的平衡力（如浮力，弹力等）来抵消有不利影响的力，联想到将磁悬浮技术引入垂直轴风力发电机设计中，磁悬浮支承具有无机械摩擦、无接触磨损、无需润滑、运行噪声小、刚度可控等优点，用于垂直轴风力机主轴结构系统，可以降低主轴静态黏滞阻力转矩，改善自启动能力，消除机械磨损损耗，提高机电转换效率。

实现磁悬浮的手段一般有电磁磁悬浮和永磁磁悬浮两种方法。如吴国庆等^[6]提出的“磁悬浮垂直涡轮风力发电机”、张广明等在专利CN102182624中提出的“一种五自由度磁悬浮水平轴直驱式风力发电机”等，都采用电磁轴承替代传统机械支撑轴承的方法来设计风力机主轴。林文奇在专利CN101943128A提出的“一种垂直轴磁悬浮风力发电机”、李国坤等^[7]提出的“全永磁磁悬浮风力发电机”、刘骁等^[8]提出的“立式全磁悬浮风力发电机”等，提出采用永磁轴承替代传统机械支撑轴承的方法来设计风力机。这些创新专利基本原理都是利用同性磁极互斥的原理，将转子“浮”起来，使风力机转动部分与静止部分无机械接触，从而消除传统垂直轴风力机主轴轴承的摩擦力。

电磁轴承应用的基本要求是必须配备位置闭环反馈控制电路及系统，由此形成的此类磁悬浮风力机的优点是磁力调节速度快、悬浮气隙恒定、抗风力扰动能力强。但其缺点是闭环反馈电控系统复杂、电路硬件投入和运行维护成本高、故障率高、且长期消耗电能、总电功耗大。永磁轴承无需外围辅助控制电路，不消耗电能，故障率低，只要永磁体形状和布局合理，基本能够保证被悬浮体的静态稳定悬浮。这些特点是永磁悬浮轴承在风力发电应用中的优势。但现有研究较少考虑永磁悬浮结构的风力机在风力扰动下悬浮主轴的恒气隙悬浮特性，各个自由度方向上的悬浮气隙受风向和风力大小的变化而变化，不能随着风向和风力大小自适应地改变相应自由度方向上的磁力大小，不能保证磁悬浮主轴悬浮气隙的恒定。继而导致悬浮主轴轴心偏心，主轴攒动和振颤，增加与发电机连接的机械传动损耗，降低发电机的寿命，提高风力发电系统整机的机械不稳定度。因此，利用永磁轴承在风力发电领域中应用的优势，研究一种能够依据风向和风力大小的变化而自适应地调整磁力方向和大小，保证在风力扰动下的全永磁悬浮主轴悬浮气隙恒定的磁悬浮垂直轴风力机传动主轴结构，具有良好的工程实用意义。

南通大学茅靖峰、吴国庆等^[9]实现了能够依据风向和风力大小的变化而自适应地调整径向悬浮磁力的方向和大小，保证在风力扰动下的悬浮主轴悬浮气隙恒定的全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴，如图6-5所示。(www.xing528.com)

图6-5　全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴

该发明的目的在于提供一种结构合理，保证在风力扰动下的悬浮主轴悬浮气隙恒定的全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴。该发明的技术解决方案是一种全永磁自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴，其特征是：①外套筒垂直静止轴、内旋转传动轴、径向二自由度全永磁悬浮轴承、轴向单自由度全永磁悬浮轴承；②还包括径向磁力全角度自调节机构；③径向磁力全角度自调节机构包括扇弧形风压感应集风板、永磁力矩单元体、风力矩传动臂、径向轴承、集风板支架、永磁力矩支架、传动臂铰链、滚轮、滑动轨道、弹簧、导风背鳝板、限位横梁；④径向轴承安装于外套筒垂直静止轴外径上，并与集风板支架和永磁力矩支架相连；⑤扇弧形风压感应集风板和集风板支架之间安装传动臂铰链；⑥风力矩传动臂一侧与扇弧形风压感应集风板相连，另一侧的末端安装滚轮；⑦永磁力矩单元体顶部与滚轮接触，底部与滑动轨道接触，背部通过弹簧与永磁力矩支架相连；⑧滑动轨道与永磁力矩支架底部相连；⑨导风背鳝板与扇弧形风压感应集风板背部相连；限位横梁与永磁力矩支架顶部相连；⑩外套筒垂直静止轴上安装径向二自由度全永磁悬浮轴承和轴向单自由度全永磁悬浮轴承，其内套入内旋转传动轴。永磁力矩单元体由永磁材料制成，其横截面为圆弧形，纵截面为梯形，沿纵截面梯形高度方向上进行充磁。所述集风板支架和永磁力矩支架左右对称地安装于径向轴承两侧。永磁体力矩单元体与外套筒静止轴之间的气隙大小，呈跟随风力的实时强弱情况而自动调节的形式。扇弧形风压感应集风板为跟随风向的变化而围绕外套筒静止轴旋转，并始终处于迎风位置的形式。所述外套筒垂直静止轴、内传动旋转轴均由导磁材料制成；所述扇弧形风压感应集风板、风力矩传动臂、径向轴承、集风板支架、永磁力矩支架、传动臂铰链、滚轮、滑动轨道、弹簧、导风背鳝板、限位横梁均由非导磁材料制成。导风背鳝板安装在扇弧形风压感应集风板背部的中线位置处，呈三棱柱形。

该发明的优点：①径向悬浮磁力的方向和大小能够实时地随风向和风力进行调整，具有自适应调节特性，保证垂直轴传动旋转主轴轴心悬浮气隙的恒定；②采用了全永磁悬浮技术和纯机械式自动控制机构，结构简单，相对于电磁悬浮方案不耗费电能，成本和故障率低，性价比高。