本發(fā)明涉及磁流變風(fēng)力發(fā)電機，具體涉及一種基于電磁鐵離合器的磁流變風(fēng)力發(fā)電機的原理及其設(shè)計方法，屬于風(fēng)力發(fā)電機。

背景技術(shù)：

1、磁流變液是一種特殊的流體，其流變性質(zhì)可以通過外加磁場進行可控調(diào)節(jié)。它由微米級的磁性顆粒懸浮在膠體溶液或油基液體中組成。這些磁性顆粒在沒有外加磁場時會以無規(guī)則的方式分散在基礎(chǔ)液體中，表現(xiàn)出類似于牛頓液體的流動性。當外加磁場作用于磁流變液時，這種智能材料可以在毫秒級時間內(nèi)從液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)，實現(xiàn)可逆的相變過程。磁流變液具有快速響應(yīng)和可控性等特點。由于其特性，基于磁流變液設(shè)計的制動器具有簡單的結(jié)構(gòu)，減少摩擦磨損，并能實現(xiàn)過載保護。相比傳統(tǒng)制動器，磁流變制動器能夠提供可調(diào)制的制動力。通過調(diào)整磁場的強度，可以靈活地控制制動器的輸出，以適應(yīng)不同的工作需求。

2、風(fēng)力發(fā)電機是一種能夠?qū)L(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備。在其運行過程中，受到外部風(fēng)速的廣泛影響。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速呈現(xiàn)線性關(guān)系。當風(fēng)速達到400m/s時，渦輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可能超過20000r/min，這可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵部件，如軸承和轉(zhuǎn)子，在短時間內(nèi)經(jīng)受巨大的磨損，極易發(fā)生失效。與此同時，發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下，容易導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機電子線路中的電子元件被擊穿或燒壞。因此，在實際應(yīng)用中，必須對風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行有效控制，以確保其不超過規(guī)定數(shù)值。這種保護措施有助于保護風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)定運行并延長其使用壽命。

3、目前有三種主要方法用于控制風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速：一是根據(jù)氣動力學(xué)理論設(shè)計合理的內(nèi)流場，以減小渦輪的驅(qū)動力矩；二是通過機械摩擦或裝置來限制渦輪轉(zhuǎn)速的增加；三是提高轉(zhuǎn)子的阻力矩。第一種方法涉及設(shè)計復(fù)雜的流道，因此實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)速控制相對困難；第二種方法需要較大的轉(zhuǎn)速控制裝置；至于第三種方法，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子阻力的調(diào)節(jié)可能需要更復(fù)雜的設(shè)計和控制系統(tǒng)，增加了制造和維護的成本。

4、經(jīng)過研究分析，設(shè)計一種新型的基于電磁鐵離合器的磁流變風(fēng)力發(fā)電機，在低風(fēng)速、較高風(fēng)速下，使其通過磁流變制動器對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速精確高效控制。更高風(fēng)速的惡劣環(huán)境下，通過電磁鐵離合器將渦輪驅(qū)動軸與發(fā)電從動軸分離，實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機的主動過載保護。

5、通過專利檢索，存在有以下已知的技術(shù)方案：申請?zhí)枺篶n201711095418.5，申請日：2017.11.09，公開公告日：2018.02.23，本發(fā)明公開一種新型風(fēng)力發(fā)電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法,所述驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)置在連接風(fēng)力渦輪機主軸與發(fā)電機主軸的轉(zhuǎn)軸外側(cè),包括一隔磁箱體及設(shè)置在隔磁箱體內(nèi)的第一永磁體、第二永磁體和第一電磁體、第二電磁體,第一電磁體和第二電磁體,第一永磁體設(shè)置在轉(zhuǎn)軸的外側(cè),與轉(zhuǎn)軸外壁固連且可同步轉(zhuǎn)動；第二永磁體與第一永磁體磁場方向相反；第一電磁體和第二電磁體通電后,第一電磁體的磁性與第一永磁體的磁場方向相反,而第二電磁體的磁性與第一永磁體的磁場方向相同；通過檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)速及外界風(fēng)速,對第二永磁體、第一電磁體和第二電磁體分別作出相應(yīng)的控制,實現(xiàn)發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下工作,不管是微風(fēng)還是在臺風(fēng)、暴風(fēng)等條件下,均可實現(xiàn)發(fā)電機的正常工作,有效提高風(fēng)能的利用率、降低度電成本,具有廣泛的推廣意義和市場價值。

6、上述專利解決了風(fēng)力發(fā)電機高風(fēng)速下控制發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下的技術(shù)問題，通過無刷電機定子驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理，使用電磁鐵作為定子對作為轉(zhuǎn)子的發(fā)電機主軸進行轉(zhuǎn)速控制，暫時不能實現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的精確控制。由于其控制過程中，需要對電磁鐵通大電流且需要持續(xù)，成本較高。

7、通過專利檢索，存在以下已知的技術(shù)方案：申請?zhí)枺篶n202110541888.x，申請日：2021.05.18，公開公告日：2022-07-15，本發(fā)明公開了一種磁流變級聯(lián)式發(fā)電機,屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。主要由一級發(fā)電機、二級發(fā)電機、磁流變離合器三部分組成。渦輪在風(fēng)力作用下轉(zhuǎn)動,帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,一級發(fā)電機產(chǎn)生電能輸出,對線圈施加控制電流,磁流變離合器開始工作,對旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生阻尼力矩,內(nèi)筒同時受傳遞力矩開始旋轉(zhuǎn),二級發(fā)電機產(chǎn)生電能輸出。本發(fā)明專利能夠在相同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生更高的電能輸出,提高風(fēng)力渦輪發(fā)電機能量轉(zhuǎn)化效率；并且通過磁流變液產(chǎn)生可控的阻尼力矩,對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行精確控制。

8、上述專利解決了風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速過高致使發(fā)電機零件磨損失效及電路損壞的問題以及轉(zhuǎn)速控制后風(fēng)力發(fā)電機電能輸出較低的問題。巧妙地利用磁流變液特殊的材料性能，設(shè)計一種磁流變離合器，在控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速的同時實現(xiàn)了發(fā)電機的多級輸出。并且實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的精確控制。由于對轉(zhuǎn)速的控制全然依賴于磁流變液，缺少對更高轉(zhuǎn)速下的保護措施，高風(fēng)速下仍可能發(fā)生主軸與軸承的損壞。

9、通過以上的檢索發(fā)現(xiàn)，以上技術(shù)方案沒有影響本發(fā)明的新穎性，并且以上專利文件的相互組合沒有破壞本發(fā)明的創(chuàng)造性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明公開的一種基于電磁鐵離合器的磁流變風(fēng)力發(fā)電機，要解決的技術(shù)問題為：風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速過高致使發(fā)電機零件磨損失效及電路損壞的問題。利用電磁鐵，設(shè)計一種電磁鐵離合器，結(jié)合磁流變液特殊的材料性能，在控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速的同時實現(xiàn)了在超高風(fēng)速下對發(fā)電機所在軸和轉(zhuǎn)子的保護。同時整體結(jié)構(gòu)上該風(fēng)力發(fā)電機具有以下優(yōu)點：(1)小型發(fā)電機；(2)抗過載能力強；(3)轉(zhuǎn)速精確控制；(4)響應(yīng)速度快；(5)能量轉(zhuǎn)化效率高；(6)工作原理簡單易理解(7)結(jié)構(gòu)可靠，可工作環(huán)境多；(8)制造工藝成熟。

2、本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明公開的的一種基于電磁鐵離合器的磁流變風(fēng)力發(fā)電機，其中包括電磁鐵離合器，一個發(fā)電機組，及磁流變制動器。勵磁線圈通過控制電流產(chǎn)生磁場，由于磁流變液自身的特性，當磁場通過制動器中的磁流變液間隙，使得磁流變液發(fā)生相應(yīng)得流變效應(yīng)。在流變效應(yīng)下，磁流變液發(fā)生固化，其對從動軸得阻尼力矩提高，從而可以降低浸沒在磁流變液中得軸體的轉(zhuǎn)速。當從動軸低于額定轉(zhuǎn)速時，通過通入電磁鐵離合器控制電流使兩級電磁鐵間產(chǎn)生吸引力，驅(qū)動軸與從動軸的齒輪嚙合，使得從動軸隨驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動。當風(fēng)速過高，從動軸轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時，超過了磁流變液減速的極限，通過通入電磁鐵離合器控制電流使得兩級電磁鐵間產(chǎn)生斥力，使得驅(qū)動軸與從動軸齒輪主動分離，而當從動軸轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，通過通入電磁鐵離合器控制電流使得兩級電磁鐵間產(chǎn)生吸引力，重新使得驅(qū)動軸與從動軸齒輪嚙合，從動軸重新跟隨驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)對發(fā)電機所在從動軸過載情況的保護。

4、有益效果：

5、1、本發(fā)明公開的一種磁流變風(fēng)力發(fā)電機材料主要為鐵和鋁，來源豐富、存量巨大、生產(chǎn)成本低廉，同時其中使用的相關(guān)結(jié)構(gòu)主體制造工藝成熟，是一個經(jīng)濟可行的方案。

6、2、發(fā)明公開的一種磁流變風(fēng)力發(fā)電機，不同于傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)。巧妙運用了磁流變離合器，實現(xiàn)了對風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的精確控制，控制精度高，響應(yīng)速度快。

7、3、本發(fā)明公開的一種磁流變風(fēng)力發(fā)電機采用電磁鐵離合器，在轉(zhuǎn)速控制的同時，實現(xiàn)了在高風(fēng)速，惡劣工作環(huán)境下對發(fā)電機所在從動軸的保護，對于惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)性更強。

8、4、磁流變流體在磁場作用下發(fā)生流變效應(yīng)，響應(yīng)速度迅速，是毫秒級。

9、5、本發(fā)明公開的一種磁流變風(fēng)力發(fā)電機，不同于傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)。發(fā)明體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單易于拆卸安裝的同時，各部分相互緊湊，加工難度低，較適合微型化。