本發(fā)明涉及一種多維度磁懸浮風(fēng)能捕獲系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用于大中型風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)艙多維度精確對風(fēng)、降低損耗的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、發(fā)展前景廣闊的可再生能源，一直是世界各國的能源發(fā)展戰(zhàn)略。提升風(fēng)能捕獲一直是風(fēng)電科研工作者的研究熱點(diǎn)，偏航系統(tǒng)是基于風(fēng)向變化實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)機(jī)艙偏航對風(fēng)的重要環(huán)節(jié)，是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必不可少的組成部分，可有效提升風(fēng)電機(jī)組可靠性、使用壽命和發(fā)電效率。

傳統(tǒng)的基于齒輪驅(qū)動的偏航裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因齒輪間隙以及轉(zhuǎn)速傳動變比等因素，偏航對風(fēng)精度低、運(yùn)行維護(hù)成本高，尤其是偏航過程中，機(jī)頭自重所產(chǎn)生的偏心力矩以及風(fēng)機(jī)載荷引起的彎曲力矩極易導(dǎo)致偏航齒輪損。發(fā)明專利200910161406.7披露一種磁懸浮偏航裝置，該裝置采用單點(diǎn)懸浮驅(qū)動技術(shù)降低了偏航故障率和維護(hù)費(fèi)用以及偏航損耗；發(fā)明專利201410143297.7采用機(jī)械耦合裝置將風(fēng)機(jī)捕獲轉(zhuǎn)矩分配給偏航轉(zhuǎn)矩，同時在懸浮繞組中引入對稱水平繞組，謹(jǐn)防機(jī)艙水平移動，降低側(cè)風(fēng)所致轉(zhuǎn)子中心偏離。上述專利有效降低了偏航損耗和偏航對風(fēng)，但都存在風(fēng)機(jī)機(jī)艙懸浮后，因機(jī)艙偏航完全脫離塔架約束所致的機(jī)艙穩(wěn)定性問題。對風(fēng)過程中僅考慮水平方向偏航角度偏差，忽視風(fēng)向俯仰角度對風(fēng)能捕獲功率的影響；當(dāng)前傳統(tǒng)小型風(fēng)機(jī)已開始探討機(jī)艙俯仰提升風(fēng)能捕獲功率，但均僅依靠風(fēng)機(jī)槳葉所產(chǎn)生的傾覆力矩被動產(chǎn)生，被動調(diào)整速度較慢同時也帶來了機(jī)艙不穩(wěn)定問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對上述技術(shù)中存在的不足，提供一種多維度磁懸浮風(fēng)能捕獲系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：多維度磁懸浮風(fēng)能捕獲系統(tǒng)包括俯仰繞組6、位置鎖定裝置以及偏航繞組4。俯仰繞組6由N_L和N_R兩對稱部分構(gòu)成，并在機(jī)艙俯仰角度存在時，兩繞組分別通入基于俯仰角度實(shí)時控制的勵磁電流，產(chǎn)生不平衡懸浮力驅(qū)動機(jī)艙俯仰；偏航繞組4由三相對稱繞組構(gòu)成，用于驅(qū)動機(jī)艙在懸浮狀態(tài)下偏航，當(dāng)風(fēng)向與機(jī)艙偏航角度不為0時，三相偏航繞組4上電，產(chǎn)生偏航力，同時位置鎖定裝置上電，導(dǎo)軌7隨機(jī)艙偏航被動旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)艙偏航；位置鎖定裝置在俯仰和偏航完成后掉電，承擔(dān)俯仰繞組6和偏航繞組4掉電后機(jī)艙穩(wěn)定對風(fēng)。

所述俯仰繞組設(shè)置在圓盤型鐵芯上，N_L和N_R分別為兩對稱半圓部分，分別由8組繞組串聯(lián)而成，N_L部分設(shè)置在風(fēng)機(jī)槳葉側(cè)，N_R設(shè)置在機(jī)艙尾部側(cè)，兩部分電流需根據(jù)側(cè)風(fēng)速以及俯仰角度實(shí)時調(diào)整，穩(wěn)定機(jī)艙和實(shí)現(xiàn)俯仰，同時降低機(jī)艙偏航所致摩擦損耗。

所述位置鎖定裝置是基于失電保護(hù)器、三個剛性伸縮桿以及機(jī)艙托盤底座導(dǎo)軌所構(gòu)成，共同組成機(jī)艙俯仰過程隨動拉伸、偏航過程的機(jī)艙穩(wěn)定牽引以及對風(fēng)結(jié)束后的俯仰支撐；包括俯仰輔助結(jié)構(gòu)和偏航引導(dǎo)兩部分，其中俯仰輔助機(jī)構(gòu)包括伸縮桿9、固定支架10、俯仰定向軸承12以及失電保護(hù)器11，伸縮桿9在失電保護(hù)器11上電時無阻拉伸，而在失電時產(chǎn)生制動力矩約束伸縮桿9的位移變化，對機(jī)艙俯仰位置進(jìn)行支撐；所述固定支架10為三個設(shè)置在塔架上的圓柱形立式支撐，約束機(jī)艙懸浮最低位置；所述俯仰 定向軸承為伸縮桿9和失電保護(hù)器11的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，約束伸縮桿9運(yùn)動方向確保機(jī)艙位置穩(wěn)定；偏航引導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括機(jī)艙托盤3、導(dǎo)軌7以及滑塊8組成，機(jī)艙托盤3為圓形機(jī)艙底盤，其上設(shè)置導(dǎo)軌7，導(dǎo)軌7上設(shè)有三個可柔性移動滑塊8，協(xié)同引導(dǎo)機(jī)艙偏航對風(fēng)，同時約束機(jī)艙旋轉(zhuǎn)范圍。

所述失電保護(hù)器11為馬鞍狀型兩側(cè)設(shè)有制動鎖存裝置，對俯仰定向軸承12制動，約束伸縮桿長度和傾斜角度，決定機(jī)艙俯仰位置。位置鎖定裝置在機(jī)艙精確對風(fēng)全過程均處于被動無阻鎖定狀態(tài)，而在對風(fēng)結(jié)束支撐機(jī)艙精確俯仰對風(fēng)。所述導(dǎo)軌7是圓形T字型并和機(jī)艙底座托盤剛性連接，滑塊8與導(dǎo)軌7配套相連，導(dǎo)軌引導(dǎo)機(jī)艙在偏航力矩和滑塊支撐下圍繞中心旋轉(zhuǎn)，約束機(jī)艙運(yùn)動軌跡，確保機(jī)艙穩(wěn)定。

本發(fā)明所帶來的有益效果是：1)本發(fā)明借助位置鎖定裝置，并在其約束與支撐下，機(jī)艙2在俯仰繞組6和偏航繞組4的協(xié)同控制下，進(jìn)行偏航、俯仰，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)槳葉多維度精確對風(fēng)，有效提升風(fēng)能捕獲效率，增強(qiáng)設(shè)備復(fù)雜工況下運(yùn)行的可靠性。2)本發(fā)明借助伸縮桿9在失電保護(hù)器11失電狀態(tài)下制動，加電時被動無阻拉伸，結(jié)合機(jī)艙位置以及風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時加電修正機(jī)艙狀態(tài)和位置，降低俯仰系統(tǒng)重復(fù)上電所致能量損耗以及控制難度，增強(qiáng)系統(tǒng)能量捕獲率。3)本發(fā)明借助塔架5、伸縮桿9、導(dǎo)軌7、滑塊8以及機(jī)艙托盤3，將機(jī)艙2和塔架5貫通為一體，藉此完成機(jī)艙懸浮和俯仰，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性，同時偏航過程中導(dǎo)軌7和滑塊8的引入，對偏航軌跡進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)約束，謹(jǐn)防機(jī)艙中心位移偏差，提升風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙系統(tǒng)穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1多維度磁懸浮風(fēng)能捕獲系統(tǒng)示意圖。

圖2機(jī)艙位置鎖定結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3失電保護(hù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4多維度磁懸浮風(fēng)能捕獲系統(tǒng)精確對風(fēng)流程圖。

圖5俯仰繞組結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

符號說明：

N_L 懸浮繞組6中靠近扇葉1部分繞組

N_R 懸浮繞組6中遠(yuǎn)離扇葉1部分繞組

α₀ 偏航角度，即風(fēng)向與機(jī)艙水平面的垂直夾角

β₀ 俯仰角度，即風(fēng)向與機(jī)艙中心軸在機(jī)艙水平面上的夾角

F_L 懸浮繞組6中靠近扇葉1部分通電產(chǎn)生的懸浮力

F_R 懸浮繞組6中遠(yuǎn)離扇葉1部分通電產(chǎn)生的懸浮力

δ_b 懸浮繞組6與偏航繞組4間氣隙平均值

δ₁ 懸浮繞組6中靠近扇葉1部分與偏航繞組4間氣隙

δ₂ 懸浮繞組6中遠(yuǎn)離扇葉1部分與偏航繞組4間氣隙

注：

⑴機(jī)艙垂直面：與風(fēng)機(jī)葉輪扇葉面和水平面垂直的平面；

⑵機(jī)艙水平面：與風(fēng)機(jī)葉輪扇葉面和機(jī)艙垂直面垂直的平面；

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

本發(fā)明所公布的多維度磁懸浮風(fēng)能捕獲系統(tǒng)(如圖1)，包括俯仰繞組6、位置鎖定裝置以及偏航繞組4；俯仰繞組由N_L和N_R兩對稱部分組成；位置鎖定裝置是由塔架5、失電保護(hù)器11、伸縮桿9、導(dǎo)軌7、滑塊8以及機(jī)艙托盤3組成；失電保護(hù)器是由電機(jī)端蓋14、磁力線圈13以及制動板15組成。

本發(fā)明公布的多維度磁懸浮風(fēng)能捕獲系統(tǒng)精確對風(fēng)控制流程圖如圖4所示。系統(tǒng)時刻根據(jù)實(shí)時監(jiān)測的風(fēng)速風(fēng)向儀16及機(jī)艙位置和歷史數(shù)據(jù)，判定風(fēng)機(jī)機(jī)艙運(yùn)行狀態(tài)，同時為有效降低能量損耗、提高風(fēng)能捕獲率，多維度磁懸浮風(fēng)能捕獲系統(tǒng)控制流程堅持機(jī)艙俯仰、機(jī)艙偏航以及機(jī)艙位置鎖定等控制流程，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙多維度精確對風(fēng)。機(jī)艙懸浮由俯仰繞組6完成，同時調(diào)控俯仰繞組6輸入電流，改變機(jī)艙俯仰角度大小，并在位置鎖定結(jié)構(gòu)左右下，被動無阻輔助俯仰；機(jī)艙偏航則在俯仰角度為零時，并作俯仰繞組4以及位置鎖定裝置引導(dǎo)下，機(jī)艙偏航完成水平精確對風(fēng)；位置鎖定環(huán)節(jié)則在偏航結(jié)束后，偏航繞組6和俯仰繞組4斷電情況下，位置鎖定裝置擔(dān)負(fù)原俯仰繞組6產(chǎn)生俯仰支撐力，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙多維度精確對風(fēng)。

機(jī)艙俯仰，當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向儀16檢測到風(fēng)向與風(fēng)機(jī)的俯仰角β₀≠0時，控制俯仰繞組6N_L和N_R繞組分別通電，通過調(diào)整勵磁電流產(chǎn)生不平衡懸浮力(F_L和F_R)，即產(chǎn)生不同的懸浮氣隙δ₁和δ₂，同時位置鎖定裝置失電保護(hù)器上電，其內(nèi)磁力線圈13產(chǎn)生強(qiáng)力磁力，吸引制動板15移動，降低俯仰定向軸承12旋轉(zhuǎn)阻力，且伸縮桿9完全在無阻狀態(tài)下拉伸長度，俯仰定向軸承12在失電保護(hù)器11內(nèi)調(diào)整伸縮桿傾斜角度，機(jī)艙俯仰被動調(diào)整，直至俯仰角β₀＝0，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙完全俯仰，完成縱軸方向上的精確對風(fēng)。

機(jī)艙偏航，機(jī)艙俯仰完成后，當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向儀16檢測到風(fēng)向與風(fēng)機(jī)的偏航角α₀≠0時，在俯仰繞組6上電狀態(tài)下三相對稱偏航繞組4通電，驅(qū)動機(jī)艙偏航，同時位置鎖定裝置失電保護(hù)器11上電，機(jī)艙托盤3在導(dǎo)軌7和滑塊8牽引下，在偏航繞組4產(chǎn)生的偏航轉(zhuǎn)矩驅(qū)動下偏航對風(fēng)，直至偏航角α₀＝0時，偏航繞組4掉電，機(jī)艙偏航結(jié)束，完成水平軸方向上的精確對風(fēng)。

機(jī)艙位置鎖定，機(jī)艙俯仰和偏航結(jié)束后，即風(fēng)向與機(jī)艙的俯仰角β₀＝0、偏航角α₀＝0，此時懸浮氣隙滿足δ₁+δ₂＝2δ_b，位置鎖定裝置鎖定機(jī)艙。具體過程如下：位置鎖定裝置失電保護(hù)器11斷電，此時磁力線圈13中無電流，制動轉(zhuǎn)板15受彈力擠壓，增強(qiáng)與俯仰定向軸承間的旋轉(zhuǎn)阻力，限制俯仰定向軸承12位置。同時俯仰繞組6和偏航繞組4斷電，使整個系統(tǒng)處于無能量損耗狀態(tài)，至此完成機(jī)艙位置鎖定。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。