專(zhuān)利名稱(chēng)：垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)及其發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)一般涉及垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)，且更具體地涉及具有多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)。
背景技術(shù)：
世界對(duì)清潔能源的需求越來(lái)越大，并且最清潔和最豐富的來(lái)源之一是風(fēng)能。傳統(tǒng)上，一直采用水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)來(lái)利用風(fēng)能，但這些渦輪機(jī)存在一些缺點(diǎn)。例如，當(dāng)前的水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)由于齒輪和變速器大而導(dǎo)致其效率較低。通過(guò)使葉片朝向迎風(fēng)氣流不斷重新取向而消耗寄生功率。水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)不能利用湍流風(fēng)，且易于在疾風(fēng)中被損壞。垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的特征在于葉片旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向成直角。垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)已投入使用了幾十年，并且包括通過(guò)風(fēng)力推動(dòng)而移動(dòng)的阻力型設(shè)計(jì)和因葉片產(chǎn)生的升力而移動(dòng)的升力型設(shè)計(jì)。垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其無(wú)需與吹風(fēng)的方向?qū)R，從而節(jié)省了附加的電機(jī)和控制器的成本。然而，若干常見(jiàn)問(wèn)題卻阻礙了使垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)獲得廣泛的商業(yè)認(rèn)可的努力。垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的一個(gè)顯著問(wèn)題在于其由于部分旋轉(zhuǎn)期間的阻力而使其效率較低，這是葉片形狀和傳動(dòng)裝置所致。所提出的一種解決方案是利用可樞轉(zhuǎn)地安裝在支承結(jié)構(gòu)上的扁平風(fēng)扇來(lái)捕獲風(fēng)力并使該支承結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)。因?yàn)檫@些風(fēng)扇繞垂直軸運(yùn)行，所以它們?cè)诖韽V泛的風(fēng)力捕獲區(qū)域的順風(fēng)方向和較窄輪廓在進(jìn)風(fēng)之前沿其穿過(guò)以便產(chǎn)生較小阻力的逆風(fēng)方向之間樞轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著缺點(diǎn)在于扁平風(fēng)扇在設(shè)計(jì)上并非高度氣動(dòng)化，因此操作困難而且緩慢，同時(shí)這些風(fēng)扇會(huì)被離心力從其位置處拉出。在每次稍小部分的旋轉(zhuǎn)期間，這些風(fēng)扇僅間歇性地提供驅(qū)動(dòng)力。另一種解決方案是在旋轉(zhuǎn)框架上采用平板式葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)。兩相葉片在垂直軸上保持平衡，以使得其在高阻力順風(fēng)位置和低阻力逆風(fēng)位置之間樞轉(zhuǎn)約170度。這種風(fēng)力渦輪機(jī)展現(xiàn)出每轉(zhuǎn)超過(guò)180度的阻力旋轉(zhuǎn)，但在其背風(fēng)區(qū)中逆風(fēng)葉片對(duì)順風(fēng)葉片的葉片干擾降低了總效率。因此，在小于180度時(shí)發(fā)生有效的傳力。其它解決方案為試圖利用升力型設(shè)計(jì)。例如，一種解決方案公開(kāi)了一種升力型垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)，該升力型垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)包括可樞轉(zhuǎn)地安裝在旋轉(zhuǎn)底座上的垂直設(shè)置的葉片。因?yàn)槿~片捕獲風(fēng)力且移動(dòng)支架，所以它們會(huì)繞垂直軸運(yùn)行。風(fēng)向標(biāo)控制的螺距調(diào)節(jié)裝置不斷使機(jī)翼相對(duì)于風(fēng)向取向。該裝置通過(guò)葉片來(lái)檢測(cè)風(fēng)向，并由此定位螺距控制法蘭。此方法的一個(gè)缺點(diǎn)在于機(jī)翼定位僅在直接迎風(fēng)位置和直接背風(fēng)位置有效，在這兩種情況下均采用側(cè)風(fēng)升力。關(guān)于升力型垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的另一種解決方案是采用“自由飛行”機(jī)翼，其中這些機(jī)翼根據(jù)其經(jīng)受的局部動(dòng)力條件來(lái)自定位，從而產(chǎn)生平衡條件，以便使發(fā)動(dòng)機(jī)更有效。更具體地，本文獻(xiàn)公開(kāi)了一種垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有安裝在繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的底座上的轉(zhuǎn)子。一個(gè)或多個(gè)機(jī)翼安裝在轉(zhuǎn)子上，以使得其在預(yù)設(shè)的第一和第二樞轉(zhuǎn)移動(dòng)極限(例如，由止動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置)之間自由樞轉(zhuǎn)。該布置方式能夠使上述機(jī)翼在其繞垂直軸運(yùn)行時(shí)依靠風(fēng)力來(lái)對(duì)齊，從而通過(guò)在低速下結(jié)合升力和阻力特性且在接近或超過(guò)局部風(fēng)速的轉(zhuǎn)子速度下轉(zhuǎn)變?yōu)閮H升力的特性而將風(fēng)能更好地轉(zhuǎn)化為可用的旋轉(zhuǎn)能。限制風(fēng)力和電樞的動(dòng)作可確定機(jī)翼的位置。這些機(jī)翼自由旋轉(zhuǎn)大約90度的弧度，這受止動(dòng)機(jī)構(gòu)的限定。移動(dòng)跨距為從沿著安裝臂的徑向線(xiàn)(相對(duì)于垂直軸徑向?qū)R)到垂直位置(相對(duì)于垂直軸切向?qū)R)之間。 該設(shè)計(jì)可使每個(gè)機(jī)翼設(shè)置其自身的瞬時(shí)角度并調(diào)節(jié)以適應(yīng)發(fā)生在風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)外部和內(nèi)部的相對(duì)風(fēng)、風(fēng)向轉(zhuǎn)變等的條件，而無(wú)需使用外部調(diào)節(jié)裝置或外部機(jī)構(gòu)、風(fēng)向標(biāo)、離心調(diào)速器或其它控制裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)子速度、湍流度、實(shí)際的相對(duì)風(fēng)的變化以及單獨(dú)影響所述每個(gè)機(jī)翼的其它因素來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)翼以適應(yīng)局部條件。然而，該設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)在于因?yàn)檫@些機(jī)翼旋轉(zhuǎn)了僅約90度的弧度(在可能的360度范圍外)且受止動(dòng)器限制，所以限制了效率。各種垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)類(lèi)似于水平模式中存在的那些低效率的缺點(diǎn)，即支承垂直旋轉(zhuǎn)部件的軸承承受的重量較大。除了由相對(duì)部件之間的摩擦引起的能量損失外，這還會(huì)導(dǎo)致需要定期更換軸承。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)背景技術(shù)，在本發(fā)明的一方面，提供了一種多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其包括繞軸線(xiàn)限定的支座。圓盤(pán)形定子組件耦接至支座。定子組件具有第一平面?zhèn)?、與第一平面?zhèn)认鄬?duì)的第二平面?zhèn)纫约把厮鲚S線(xiàn)取向的中心孔。定子組件包括位于第一平面?zhèn)壬舷薅ㄖ辽賰蓚€(gè)操作電壓輸出級(jí)的多個(gè)線(xiàn)圈。多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)還包括繞所述軸線(xiàn)限定的且耦接至傳動(dòng)軸的圓盤(pán)形轉(zhuǎn)子組件。轉(zhuǎn)子組件包括固定至其平面表面的多個(gè)永久磁鐵。這些永久磁鐵緊密耦接至定子組件上的線(xiàn)圈。多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)還包括具有固定環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)的軸承組件。固定環(huán)耦接至支座，旋轉(zhuǎn)環(huán)耦接至轉(zhuǎn)子組件。在本發(fā)明的另一方面，多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)還包括旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件。旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件包括耦接至轉(zhuǎn)子組件的直徑的轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵。轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵相對(duì)于從傳動(dòng)軸的軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第一切向偏斜角對(duì)齊。第一切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)。旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件還包括固定至支座的固定增強(qiáng)磁鐵。固定增強(qiáng)磁鐵的同性極相對(duì)于從傳動(dòng)軸的軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第二切向偏斜角對(duì)齊。第二切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的另一方面，多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)的電壓輸出級(jí)由線(xiàn)繞組直徑和多個(gè)繞組限定。在本發(fā)明的另一方面，定子組件還包括位于第二平面?zhèn)壬舷薅ㄖ辽賰蓚€(gè)電壓輸出級(jí)的第二多個(gè)繞組。多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)還包括繞所述軸線(xiàn)限定的且耦接至傳動(dòng)軸的第二圓盤(pán)形轉(zhuǎn)子部分，其中第二圓盤(pán)形轉(zhuǎn)子部分包括固定至其平面表面的第二多個(gè)永久磁鐵。 第二多個(gè)永久磁鐵緊密耦接至定子組件上的第二多個(gè)繞組。在本發(fā)明的另一方面，提供了一種垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括繞軸線(xiàn)限定的支座、軸承組件、具有近端和相對(duì)的遠(yuǎn)端的傳動(dòng)軸，以及多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)。軸承組件包括固定環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)，其中固定環(huán)耦接至支座。傳動(dòng)軸耦接至軸承組件的旋轉(zhuǎn)環(huán)，并且多個(gè)翼板耦接至傳動(dòng)軸。多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)包括耦接至傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)子組件和耦接至支座的定子組件。 轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)永久磁鐵，并且定子組件包括限定至少兩個(gè)電壓輸出級(jí)的多個(gè)線(xiàn)圈。轉(zhuǎn)子組件上的永久磁鐵緊密耦接至定子組件上的線(xiàn)圈。在本發(fā)明的另一方面，風(fēng)力渦輪機(jī)還包括耦接至傳動(dòng)軸的翼板組件。該翼板組件包括翼板輪轂以及耦接至翼板輪轂的多個(gè)翼板安裝臂。多個(gè)翼板耦接至翼板安裝臂。在本發(fā)明的另一方面，軸承組件為磁性軸承組件，且多個(gè)翼板限定垂直載荷。垂直載荷的至少一部分被磁性軸承組件抵消。在本發(fā)明的另一方面，支座包括殼體部分和與所述軸線(xiàn)同心的支承柱。在本發(fā)明的另一方面，軸承組件的固定環(huán)耦接至支承柱，且軸承組件的旋轉(zhuǎn)環(huán)耦接至傳動(dòng)軸的近端。在本發(fā)明的另一方面，多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件耦接至傳動(dòng)軸的遠(yuǎn)端，且定子組件耦接至支座的殼體部分。在本發(fā)明的另一方面，多個(gè)翼板耦接至傳動(dòng)軸的近端。在本發(fā)明的另一方面，垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)還包括旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件。該旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件包括耦接至轉(zhuǎn)子組件的直徑的轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵。轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵相對(duì)于從傳動(dòng)軸的軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第一切向偏斜角對(duì)齊。第一切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)。旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件還包括固定至支座的固定增強(qiáng)磁鐵。固定增強(qiáng)磁鐵的同性極相對(duì)于從傳動(dòng)軸的軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第二切向偏斜角對(duì)齊。第二切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于操作多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)的方法，其包括提供繞軸線(xiàn)限定的定子組件的步驟。定子組件包括限定至少兩個(gè)操作電壓輸出級(jí)的多個(gè)線(xiàn)圈。這些線(xiàn)圈與電壓裝置電氣連通。用于操作多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)的方法還包括以下步驟提供繞所述軸線(xiàn)限定的轉(zhuǎn)子組件，將轉(zhuǎn)子組件設(shè)置在足夠靠近定子組件的位置處，以使得轉(zhuǎn)子組件繞所述軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)在線(xiàn)圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)外力來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子組件，以及當(dāng)轉(zhuǎn)子組件的旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，將連續(xù)的操作電壓輸出級(jí)加至電壓裝置。轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)永久磁鐵。在本發(fā)明的另一方面，翼板組件耦接至轉(zhuǎn)子組件。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5英里/小時(shí)時(shí)，將第一操作電壓輸出級(jí)加至電壓裝置。


為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，將參考本發(fā)明的以下詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)結(jié)合附圖來(lái)閱讀該詳細(xì)說(shuō)明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的透視圖；圖2為圖1的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的橫截面圖，該橫截面通過(guò)傳動(dòng)軸的垂直軸截??；圖3為圖1的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)的分解透視圖；圖4為圖1的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件的透視圖；圖5為圖4的旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件的一部分的平面圖6為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的透視圖；以及圖7為圖1的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的俯視圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)100 —般包括支座2，在一個(gè)實(shí)例中，該支座安裝在屋頂上。在所公開(kāi)的實(shí)施方案中，支座2包括多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)6設(shè)置在其中的殼體部分 4。支座2還可包括垂直延伸的支承柱8，用以為安裝在其上的翼板組件10提供支撐。翼板組件10包括翼板輪轂12、固定至翼板輪轂12的多個(gè)翼板安裝臂14，以及附接至翼板安裝臂14的多個(gè)翼板16。翼板輪轂12為具有上法蘭18、下法蘭20和中央加強(qiáng)環(huán)22的空心圓柱。頂蓋M保護(hù)旋轉(zhuǎn)部件不暴露在外部環(huán)境中。位于翼板輪轂12頂部的翼板安裝臂14固定在上法蘭18和上輪轂沈之間。位于翼板輪轂12底部的翼板安裝臂14 固定在下法蘭20和下輪轂觀之間。上輪轂沈和下輪轂觀均由軸承組件支承，如將在下文中所詳細(xì)描述的。翼板加強(qiáng)臂30附接至翼板16的中跨且栓接至加強(qiáng)環(huán)22，以向大型翼板16提供附加剛度。與本領(lǐng)域中已知的且用于垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)的常規(guī)機(jī)翼形狀不同，本發(fā)明中所公開(kāi)的翼板16具有非常低的寬高比。如本文中所使用的，寬高比被定義為翼展(例如，翼板的高度)的平方除以翼板平面形的面積。翼板16被設(shè)計(jì)為捕集風(fēng)力，而并不只是產(chǎn)生氣動(dòng)升力。翼板16為剛性的，并且可由例如玻璃纖維、碳纖維或鋁制造。現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖2，垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)100以橫截面示出，以更好地示出旋轉(zhuǎn)部件。為了清楚起見(jiàn)，移除了翼板16、翼板安裝臂14和翼板加強(qiáng)臂30。傳動(dòng)軸32繞垂直軸34在支承柱8中旋轉(zhuǎn)。上輪轂沈固定至傳動(dòng)軸32的頂部或近端36。這樣，由吹在翼板16上的風(fēng)引起的翼板輪轂12的旋轉(zhuǎn)便直接傳送至傳動(dòng)軸32。在所公開(kāi)的實(shí)施方案中，上輪轂沈由錐形軸承38支承。軸承38的內(nèi)座圈固定至鄰接支承柱8的頂面的上止動(dòng)環(huán)40，且其外座圈固定于上輪轂26中。類(lèi)似地，下輪轂觀由第二錐形軸承42支承。所述軸承的內(nèi)座圈固定至與支承柱 8 (該支承柱被橫截)的表面接觸的下止動(dòng)環(huán)44，且其外座圈由下輪轂觀固定。另外，下輪轂28以及翼板組件10的很大部分重量由磁性軸承組件46支承。磁性軸承組件46包括兩個(gè)半部分固定至下輪轂觀的底部且自由旋轉(zhuǎn)的上半部分46a和固定至支承柱8的下半部分46b。在所公開(kāi)的實(shí)施方案中，下半部分46b固定至磁性軸承支架48，且磁性軸承支架固定至支承柱8。在一個(gè)實(shí)例中，磁性軸承組件46由兩個(gè)45級(jí)釹磁鐵構(gòu)成。測(cè)得每個(gè)軸承半部分的外徑為6英寸，內(nèi)徑為4英寸，且厚度為0. 5英寸。磁性軸承組件46可用于卸去垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)100的旋轉(zhuǎn)部件的幾乎所有重量，從而可使該組件“懸浮”在垂直軸34中。 另外，磁性軸承組件46理論上可吸附陣風(fēng)等引起的瞬時(shí)抖振載荷。傳動(dòng)軸32的下端或遠(yuǎn)端50耦接至多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)6。發(fā)電機(jī)6還由下軸承 52支承，該發(fā)電機(jī)在一個(gè)實(shí)施方案中為常規(guī)的汽車(chē)輪轂組件。下軸承的固定部分5 安裝在支座2上，且旋轉(zhuǎn)部分52b將發(fā)電機(jī)6的旋轉(zhuǎn)部件固定至傳動(dòng)軸環(huán)M。該傳動(dòng)軸環(huán)M被緊固至傳動(dòng)軸32的遠(yuǎn)端50。轉(zhuǎn)到圖3，多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)6包括固定定子組件56和至少一個(gè)轉(zhuǎn)子組件58。 在所公開(kāi)的實(shí)施方案中，多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)6包括第二轉(zhuǎn)子組件60，其優(yōu)點(diǎn)將在下文討論。定子組件56包括剛性附接至支座2 (未示出)的圓盤(pán)形非磁性定子殼體62。多個(gè)線(xiàn)圈64間隔設(shè)置在定子殼體62的外圍周?chē)?。線(xiàn)圈64可為有芯線(xiàn)圈或無(wú)芯線(xiàn)圈。當(dāng)附近通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，線(xiàn)圈64會(huì)產(chǎn)生電流。線(xiàn)圈64分為至少兩組或兩級(jí)的操作輸出電壓。通過(guò)利用多級(jí)輸出電壓，本發(fā)明的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)6在較大的風(fēng)速范圍內(nèi)產(chǎn)生有效功率。在所公開(kāi)的實(shí)施方案中，利用了由線(xiàn)圈64a、64b、64c和64d表示的四個(gè)電壓輸出級(jí)。這四個(gè)電壓輸出級(jí)以按序重復(fù)的方式來(lái)布置，如圖3所示。每個(gè)電壓輸出級(jí)均被設(shè)計(jì)成在轉(zhuǎn)子組件58的不同旋轉(zhuǎn)速度時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生有效電壓(這將在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述)，并且在不同旋轉(zhuǎn)速度時(shí)進(jìn)一步達(dá)到其峰值效率?？赡艽嬖谟糜趯⒕€(xiàn)圈64固定到定子殼體62內(nèi)的若干構(gòu)造。在所公開(kāi)的實(shí)施方案中，在定子殼體62內(nèi)加工與線(xiàn)圈64的數(shù)量相等的多個(gè)切口?？蓪⒕€(xiàn)圈64壓力配合、用環(huán)氧樹(shù)脂粘合或以其它方式固定到這些切口內(nèi)。在給定的實(shí)例中，切口為優(yōu)選的，以便暴露定子殼體62的兩個(gè)平面表面上的線(xiàn)圈64。然而，在另一個(gè)實(shí)施方案中，其中利用了單個(gè)轉(zhuǎn)子組件58 (例如，第二轉(zhuǎn)子組件60不存在)，則更可取的是在定子殼體62內(nèi)加工槽口(而非切口)。在另一個(gè)實(shí)例中，線(xiàn)圈64可被裝入或嵌入定子殼體62內(nèi)。多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)6的轉(zhuǎn)子組件58包括圓盤(pán)形轉(zhuǎn)子殼體66，其中該殼體66的周邊的周?chē)潭ㄓ卸鄠€(gè)永久磁鐵68。轉(zhuǎn)子殼體66可由例如鋼來(lái)制造。磁鐵68的放置可使得其磁場(chǎng)通量與傳動(dòng)軸的軸線(xiàn)34平行，從而與軸向磁通發(fā)電機(jī)平行。磁鐵68被設(shè)置為緊密耦接至定子組件56上的線(xiàn)圈64，以使得來(lái)自每個(gè)磁鐵68的磁通場(chǎng)均在線(xiàn)圈64中引起電流。這樣，便可實(shí)現(xiàn)足夠的有效電流。在一個(gè)實(shí)例中，測(cè)得厚度為2英寸Xl英寸X0. 5英寸的三十六(36)個(gè)42級(jí)矩形釹磁鐵固定至轉(zhuǎn)子殼體66，這些磁鐵與線(xiàn)圈64的緊密耦接距離為約0. 0625英寸。在一個(gè)實(shí)施方案中，四級(jí)線(xiàn)圈64用于定子組件56中，其中每級(jí)中有十二(12)個(gè)線(xiàn)圈。在一個(gè)實(shí)例中，1級(jí)包括23號(hào)(gage)漆包繞組線(xiàn)的450個(gè)繞組，2級(jí)包括22號(hào)線(xiàn)的 375個(gè)繞組，3級(jí)包括21號(hào)線(xiàn)的340個(gè)繞組，并且4級(jí)包括20號(hào)線(xiàn)的290個(gè)繞組。因此，對(duì)于任何給定風(fēng)速，第一級(jí)會(huì)產(chǎn)生最高電壓，第二級(jí)會(huì)產(chǎn)生第二最高電壓，以此類(lèi)推。表I顯示了每級(jí)對(duì)于給定風(fēng)速而產(chǎn)生的理論電壓。參照表I可見(jiàn)，1級(jí)在5英里/小時(shí)(mph)時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生有效電壓輸出(定義為13伏特)。在Smph時(shí)，2級(jí)開(kāi)始產(chǎn)生有效電壓，而1級(jí)產(chǎn)生 24伏特的電壓。在14mph時(shí)，3級(jí)開(kāi)始產(chǎn)生有效電壓，而2級(jí)產(chǎn)生M伏特的電壓，且1級(jí)產(chǎn)生36伏特的電壓。最后，在1 Smph時(shí)，4級(jí)開(kāi)始產(chǎn)生有效電壓，而在相同的風(fēng)速下，3級(jí)產(chǎn)生 24伏特的電壓，2級(jí)產(chǎn)生36伏特的電壓，并且1級(jí)產(chǎn)生48伏特的電壓。表 I
權(quán)利要求
1.一種多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其包括繞軸線(xiàn)限定的支座；耦接至所述支座的圓盤(pán)形定子組件，所述定子組件具有第一平面?zhèn)?、與所述第一平面?zhèn)认鄬?duì)的第二平面?zhèn)?，以及沿所述軸線(xiàn)取向的中心孔，所述定子組件包括位于所述第一平面?zhèn)壬舷薅ㄖ辽賰蓚€(gè)操作電壓輸出級(jí)的多個(gè)線(xiàn)圈；繞所述軸線(xiàn)限定的且耦接至傳動(dòng)軸的圓盤(pán)形轉(zhuǎn)子組件，所述轉(zhuǎn)子組件包括固定至其平面表面的多個(gè)永久磁鐵，所述永久磁鐵緊密耦接至所述定子組件上的所述線(xiàn)圈；以及具有固定環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)的軸承組件，所述固定環(huán)耦接至所述支座，所述旋轉(zhuǎn)環(huán)耦接至所述轉(zhuǎn)子組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，還包括旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件，其包括耦接至所述轉(zhuǎn)子組件的直徑的轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵，所述轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵相對(duì)于從所述傳動(dòng)軸的所述軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第一切向偏斜角對(duì)齊，所述第一切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)；以及固定至所述支座的固定增強(qiáng)磁鐵，所述固定增強(qiáng)磁鐵的同性極相對(duì)于從所述傳動(dòng)軸的所述軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第二切向偏斜角對(duì)齊，所述第二切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其中所述第一和第二切向偏斜角介于 15度和20度之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其中所述電壓輸出級(jí)由線(xiàn)繞組直徑和多個(gè)繞組限定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其中所述定子組件包括至少四個(gè)操作電壓輸出級(jí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其中所述第一輸出級(jí)包括具有大約 450個(gè)繞組的23號(hào)線(xiàn)，所述第二輸出級(jí)包括具有大約375個(gè)繞組的22號(hào)線(xiàn)，所述第三輸出級(jí)包括具有大約340個(gè)繞組的21號(hào)線(xiàn)，且所述第四輸出級(jí)包括具有大約290個(gè)繞組的20號(hào)線(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其中所述定子組件包括至少十個(gè)操作電壓輸出級(jí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其中所述定子組件還包括位于所述第二平面?zhèn)壬舷薅ㄖ辽賰蓚€(gè)電壓輸出級(jí)的第二多個(gè)繞組，且所述多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)還包括繞所述軸線(xiàn)限定的且耦接至所述傳動(dòng)軸的第二圓盤(pán)形轉(zhuǎn)子部分，所述第二圓盤(pán)形轉(zhuǎn)子部分包括固定至其平面表面的第二多個(gè)永久磁鐵，所述第二多個(gè)永久磁鐵緊密耦接至所述定子組件上的所述第二多個(gè)繞組。
9.一種垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括繞軸線(xiàn)限定的支座；包括固定環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)的軸承組件，所述固定環(huán)耦接至所述支座；具有近端和相對(duì)的遠(yuǎn)端的傳動(dòng)軸，所述傳動(dòng)軸耦接至所述軸承組件的所述旋轉(zhuǎn)環(huán)；多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，其包括耦接至所述傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)子組件和耦接至所述支座的定子組件，所述轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)永久磁鐵，所述定子組件包括限定至少兩個(gè)電壓輸出級(jí)的多個(gè)線(xiàn)圈，其中所述轉(zhuǎn)子組件上的所述永久磁鐵緊密耦接至所述定子組件上的所述線(xiàn)圈；以及耦接至所述傳動(dòng)軸的多個(gè)翼板。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)，還包括旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)組件，其包括耦接至所述轉(zhuǎn)子組件的直徑的轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵，所述轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵相對(duì)于從所述傳動(dòng)軸的所述軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第一切向偏斜角對(duì)齊，所述第一切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)；以及固定至所述支座的固定增強(qiáng)磁鐵，所述固定增強(qiáng)磁鐵的同性極相對(duì)于從所述傳動(dòng)軸的所述軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第二切向偏斜角對(duì)齊，所述第二切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)，其中所述第一和第二切向偏斜角介于 15度和20度之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)，還包括耦接至所述傳動(dòng)軸的翼板組件， 所述翼板組件包括翼板輪轂，多個(gè)翼板安裝臂耦接至所述翼板輪轂，所述多個(gè)翼板耦接至所述翼板安裝臂。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述軸承組件為磁性軸承組件且所述多個(gè)翼板限定垂直載荷，所述垂直載荷的至少一部分被所述磁性軸承組件抵消。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述支座包括殼體部分和支承柱，所述支承柱與所述軸線(xiàn)同心。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述軸承組件的所述固定環(huán)耦接至所述支承柱，且所述軸承組件的旋轉(zhuǎn)環(huán)耦接至所述傳動(dòng)軸的所述近端。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述軸向磁通發(fā)電機(jī)的所述轉(zhuǎn)子組件耦接至所述傳動(dòng)軸的所述遠(yuǎn)端，且所述定子組件耦接至所述支座的所述殼體部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述多個(gè)翼板耦接至所述傳動(dòng)軸的所述近端。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述定子組件還包括限定至少兩個(gè)電壓輸出級(jí)的第二多個(gè)繞組，且所述垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)還包括繞所述軸線(xiàn)限定的且耦接至所述傳動(dòng)軸的第二轉(zhuǎn)子組件，所述第二轉(zhuǎn)子組件包括固定至其平面表面的第二多個(gè)永久磁鐵，所述第二多個(gè)永久磁鐵緊密耦接至所述定子組件上的所述第二多個(gè)繞組。
19.一種垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括繞軸線(xiàn)限定的支座；包括固定環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)的軸承組件，所述固定環(huán)耦接至所述支座；具有近端和相對(duì)的遠(yuǎn)端的傳動(dòng)軸，所述傳動(dòng)軸耦接至所述軸承組件的所述旋轉(zhuǎn)環(huán)；軸向磁通發(fā)電機(jī)，其包括耦接至所述傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)子組件和耦接至所述支座的定子組件，所述轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)永久磁鐵，所述定子組件包括多個(gè)線(xiàn)圈，其中所述轉(zhuǎn)子組件上的所述永久磁鐵緊密耦接至所述定子組件上的所述線(xiàn)圈；耦接至所述轉(zhuǎn)子組件的直徑的轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵，所述轉(zhuǎn)子增強(qiáng)磁鐵相對(duì)于從所述傳動(dòng)軸的所述軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第一切向偏斜角對(duì)齊，所述第一切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)；固定至所述支座的固定增強(qiáng)磁鐵，所述固定增強(qiáng)磁鐵的同性極相對(duì)于從所述傳動(dòng)軸的所述軸線(xiàn)延伸的徑向線(xiàn)以第二切向偏斜角對(duì)齊，所述第二切向偏斜角在1度至30度的范圍內(nèi)；以及耦接至所述傳動(dòng)軸的多個(gè)翼板。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)，其中所述軸向磁通發(fā)電機(jī)為多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)，所述定子組件上的所述多個(gè)線(xiàn)圈限定至少兩個(gè)電壓輸出級(jí)。
21.一種用于操作多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)的方法，其包括以下步驟提供繞軸線(xiàn)限定的定子組件，所述定子組件包括限定至少兩個(gè)操作電壓輸出級(jí)的多個(gè)線(xiàn)圈，所述線(xiàn)圈與電壓裝置電氣連通；提供繞所述軸線(xiàn)限定的轉(zhuǎn)子組件，所述轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)永久磁鐵；以及將所述轉(zhuǎn)子組件設(shè)置在足夠靠近所述定子組件的位置處，以使得所述轉(zhuǎn)子組件繞所述軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)在所述線(xiàn)圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)；通過(guò)外力來(lái)驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)子組件；以及當(dāng)所述轉(zhuǎn)子組件的旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，將連續(xù)的操作電壓輸出級(jí)加至所述電壓裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述電壓裝置為整流器。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括提供耦接至所述轉(zhuǎn)子組件的翼板組件的步驟，其中驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)子組件的所述外力為風(fēng)能。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述多個(gè)線(xiàn)圈限定至少四個(gè)操作電壓輸出級(jí)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)子組件限定垂直載荷，且所述方法還包括提供磁性軸承組件以抵消所述垂直載荷的至少一部分的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括以下步驟提供耦接至所述轉(zhuǎn)子組件的翼板組件，以及當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5英里/小時(shí)時(shí)，將所述第一操作電壓輸出級(jí)加至所述電壓裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種垂直式風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括繞軸線(xiàn)限定的支座、軸承組件、具有近端和相對(duì)的遠(yuǎn)端的傳動(dòng)軸，以及多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)。軸承組件包括固定環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)，其中固定環(huán)耦接至支座。傳動(dòng)軸耦接至軸承組件的旋轉(zhuǎn)環(huán)，且多個(gè)翼板耦接至傳動(dòng)軸。多級(jí)軸向磁通發(fā)電機(jī)包括耦接至傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)子組件和耦接至支座的定子組件。轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)永久磁鐵，且定子組件包括限定至少兩個(gè)電壓輸出級(jí)的多個(gè)線(xiàn)圈。轉(zhuǎn)子組件上的永久磁鐵緊密耦接至定子組件上的線(xiàn)圈。
文檔編號(hào)F03D3/06GK102483035SQ201080022976
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者德里克·格拉斯曼 申請(qǐng)人:德里克·格拉斯曼