本發明涉及風能發電技術領域，具體地說，涉及一種垂直式風能發電機組。

背景技術：

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為2.74×10⁹MW，其中可利用的風能為2×10⁷MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦。風能是沒有公害的能源之一，而且它取之不盡，用之不竭。對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區、山區和高原地帶，因地制宜地利用風能發電，非常適合，大有可為。

把風的動能轉變成機械動能，再把機械動能轉化為電力動能，這就是風能發電。風能發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。風能發電正在世界上形成一股熱潮，因為風能發電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。

風能發電所需要的裝置，稱作風能發電機組。盡管風能發電機組多種多樣，但歸納起來可分為兩類：一、水平軸風能發電機組，其風輪的旋轉軸與風向平行；二、垂直軸風能發電機組，風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流方向。垂直軸風能發電機在風向改變的時候無需對風，在這點上相對于水平軸風能發電機是一大優勢，它不僅使結構設計簡化，而且也減少了風輪對風時的陀螺力。

現有的垂直式風能發電機組由風輪葉片、發電機、上下支撐座和支架組成，該風輪葉片的風能驅動受力低、風阻大且驅動力小，導致了發電機組的發電效能低，在低風速下無法起動或起動困難。并且，風輪葉片不能完全懸浮，在旋轉的過程中會與旋轉軸存在摩擦，影響了風輪葉片的使用壽命，使發電機組的故障率頻發。而且，現有的垂直式風能發電機組沒有工作狀態顯示裝置，造成用戶無法第一時間得知發電機組的工作狀態及故障狀態，從而無法第一時間對發電機組進行維護。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提供一種適宜低風速下起動運行、驅動力大、發電效能高、故障率低、壽命長的垂直式風能發電機組。

為了實現本發明的主要目的，本發明提供的垂直式風能發電機組，包括主軸和固定柱，其中，主軸可旋轉地位于固定柱的上方，垂直式風能發電機組還包括風葉、發電機裝置和兩個磁懸浮裝置，風葉套在主軸上，發電機裝置位于風葉下方并套在主軸上，兩個磁懸浮裝置相向設置并且分別套在主軸的兩端，風葉的軸線與主軸的軸線重合，風葉上設置有葉片，發電機裝置設有定子和轉子，轉子套在主軸上，定子套在轉子的外周面，每一磁懸浮裝置設有徑向磁懸浮機構和軸向磁懸浮機構，徑向磁懸浮機構包括磁塊和第一線圈組，磁塊為軟磁體且套在主軸上，第一線圈組位于磁塊的外周面，第一線圈組沿主軸的徑向布置，軸向磁懸浮機構包括磁板和第二線圈組，磁板為軟磁體且套在主軸上，磁板位于徑向磁懸浮機構在朝向主軸端面方向的側面，第二線圈組位于磁板在朝向主軸端面方向的側面，第二線圈組沿主軸的軸向布置。

由以上方案可見，垂直式風能發電機組以垂直主軸為中心，風能帶動風葉旋轉，伴隨著帶動主軸旋轉從而驅動發電機裝置的轉子旋轉，因此發電機裝置進行發電。垂直式風能發電機組的徑向磁懸浮機構的磁塊為軟磁體，從而磁塊和第一線圈組的磁極相同，在主軸上產生排斥力，通過徑向排斥力，實現了主軸的徑向穩態磁懸浮。另外，軸向磁懸浮機構的磁板為軟磁體，從而磁板和第二線圈組的磁極相同，在發電機裝置的轉子上產生軸向排斥力，用于抵消發電機裝置和風葉構成的旋轉部分的重力，實現了轉子和風葉的軸向穩態磁懸浮。并且，本發明垂直式風能發電機組在主軸的兩端設有位置相向的兩個磁懸浮裝置，使轉子和風葉在旋轉的過程中趨于平衡穩定的磁懸浮狀態，相互之間沒有摩擦，沒有阻力，而且運轉平穩，無抖動，無噪音，垂直式風能發電機組適宜低風速下起動運行，風葉的驅動力大，發電機組的發電效能高，并且垂直式風能發電機組的故障率低，壽命長。

更進一步的方案是，轉子在沿主軸的徑向設置有永磁體，定子在沿主軸的徑向設置有線圈，線圈與永磁體位于主軸徑向的相同水平面上。

由以上方案可見，轉子在沿主軸的徑向設置有永磁體，定子在沿主軸的徑向設置有線圈，線圈與永磁體位于主軸徑向的相同水平面上。結構簡單，驅動轉子旋轉發電的驅動力下，從而垂直式風能發電機組在低風速下可起動運行。

更進一步的方案是，轉子在沿主軸的徑向設置有線圈，定子在沿主軸的徑向設置有永磁體，線圈與永磁體位于主軸徑向的相同水平面上。

由以上方案可見，轉子在沿主軸的徑向設置有線圈，定子在沿主軸的徑向設置有永磁體，線圈與永磁體位于主軸徑向的相同水平面上。結構簡單，驅動轉子旋轉發電的驅動力下，從而垂直式風能發電機組在低風速下可起動運行。

更進一步的方案是，轉子在沿主軸的徑向設置有永磁體，定子在沿主軸的徑向設置有線圈，線圈位于永磁體的下方。

由以上方案可見，轉子在沿主軸的徑向設置有永磁體，定子在沿主軸的徑向設置有線圈，線圈位于永磁體的下方。結構簡單，驅動轉子旋轉發電的驅動力下，從而垂直式風能發電機組在低風速下可起動運行。

更進一步的方案是，葉片的數量至少兩個。

由以上方案可見，葉片的數量至少兩個，提高風能驅動葉片的受力面積，提高發電機組的發電效能。

更進一步的方案是，葉片在靠近主軸的根部的寬度大于葉片在遠離主軸的尾部的寬度。

由以上方案可見，葉片在靠近主軸的根部的寬度大于葉片在遠離主軸的尾部的寬度，降低葉片的阻力，提高發電機組的發電效能。

更進一步的方案是，葉片設有進風弧面和背風弧面，進風弧面和背風弧面的軸心分別與主軸的軸心之間的角度不相同，且進風弧面和背風弧面的半徑也不相同。

由以上方案可見，葉片設有進風弧面和背風弧面，進風弧面的軸心與主軸的軸心之間的角度不等于背風弧面的軸心與主軸的軸心之間的角度，且進風弧面的半徑和背風弧面的半徑不相同。葉片背風弧面的風阻小，而進風弧面的驅動力大，提高發電機組的發電效能。

更進一步的方案是，垂直式風能發電機組還包括狀態顯示裝置，狀態顯示裝置位于風葉上方的磁懸浮裝置的上方，狀態顯示裝置用于顯示垂直式風能發電機組的工作狀態。

由以上方案可見，狀態顯示裝置用于顯示垂直式風能發電機組的工作狀態，使用戶可第一時間得知垂直式風能發電機組的工作狀態及故障狀態，便于用戶第一時間對垂直式風能發電機組進行維護。

更進一步的方案是，垂直式風能發電機組還包括支撐架，支撐架的兩端分別與主軸的兩端連接，支撐架由多個條狀的多邊形支撐片組成，多個支撐片繞主軸的軸線均勻分布。

由以上方案可見，支撐架由多個條狀的多邊形支撐片組成，多個支撐片繞主軸的軸線均勻分布，使垂直式風能發電機組的外觀具有美感，并且有效地支撐垂直式風能發電機組上的零部件，提高垂直式風能發電機組的工作穩定性。

更進一步的方案是，垂直式風能發電機組還包括避雷裝置，避雷裝置位于主軸的頂端。

由以上方案可見，一旦發生雷擊時，避雷裝置將雷擊形成的強電流直接分流至大地，以避免垂直式風能發電機組免遭雷擊的危險，保證垂直式風能發電機組的正常使用。

附圖說明

圖1是本發明垂直式風能發電機組實施例的立體圖。

圖2是本發明垂直式風能發電機組實施例的主視圖。

圖3是本發明垂直式風能發電機組實施例中風葉的第一實施例的立體圖。

圖4是本發明垂直式風能發電機組實施例中風葉的第一實施例的俯視圖。

圖5是本發明垂直式風能發電機組實施例中風葉的第二實施例的立體圖。

圖6是本發明垂直式風能發電機組實施例中風葉的第三實施例的立體圖。

圖7是本發明垂直式風能發電機組實施例中風葉的第四實施例的立體圖。

圖8是本發明垂直式風能發電機組實施例中風葉的第五實施例的立體圖。

圖9是本發明垂直式風能發電機組實施例中發電機裝置的第一實施例的立體圖。

圖10是本發明垂直式風能發電機組實施例中發電機裝置的第二實施例的立體圖。

圖11是本發明垂直式風能發電機組實施例中發電機裝置的第三實施例的第一視角立體圖。

圖12是本發明垂直式風能發電機組實施例中發電機裝置的第三實施例的第二視角立體圖。

圖13是本發明垂直式風能發電機組實施例中發電機裝置的第三實施例的局部立體圖。

圖14是本發明垂直式風能發電機組實施例中磁懸浮裝置的第一實施例的局部立體圖。

圖15是本發明垂直式風能發電機組實施例中磁懸浮裝置的第二實施例的局部立體圖。

以下結合實施例及其附圖對本發明作進一步說明。

具體實施方式

垂直式風能發電機組第一實施例：

參見圖1和圖2，垂直式風能發電機組1包括主軸9、固定柱8、風葉7、發電機裝置6、兩個磁懸浮裝置5、狀態顯示裝置3、支撐架4和避雷裝置2，其中主軸9可旋轉地位于固定柱8的上方，固定柱8可用于把垂直式風能發電機組1安裝在工作區域上。支撐架4的兩端分別與主軸9的兩端連接，支撐架4由多個條狀的多邊形支撐片41組成，多個支撐片41繞主軸9的軸線均勻分布。本實施例支撐片41的數量為三個，因此相鄰兩個支撐片41之間在主軸9徑向的角度為120°。

避雷裝置2位于主軸9的頂端，避雷裝置2與整臺垂直式風能發電機組1連接，并在地面下做成接地極，用于避免垂直式風能發電機組1遭受雷擊的危險，保證垂直式風能發電機組1的正常使用。風葉7套在主軸9上，發電機裝置6位于風葉7下方并套在主軸9上，兩個磁懸浮裝置5相向設置并且分別套在主軸9的兩端，風葉7的軸線與主軸9的軸線重合。狀態顯示裝置3位于風葉7上方的磁懸浮裝置5的上方，狀態顯示裝置3用于顯示垂直式風能發電機組1的工作狀態。例如，狀態顯示裝置3可通過LED發光管顯示，LED發光管顯示紅色光時，表示垂直式風能發電機組1處于故障的工作狀態；LED發光管顯示綠色光時，表示垂直式風能發電機組1處于正常的工作狀態；LED發光管顯示白色光時，表示垂直式風能發電機組1處于未工作狀態。從而用戶可第一時間得知垂直式風能發電機組1的工作狀態及故障狀態，便于用戶第一時間對垂直式風能發電機組1進行維護。

參見圖3至圖8，風葉7上設置有葉片71，葉片71的數量至少兩個，優選葉片的數量為兩個、三個、四個、五個、六個中的其中一種。其中，葉片71在靠近主軸9的根部的寬度大于葉片71在遠離主軸9的尾部的寬度，并且葉片71設有進風弧面72和背風弧面73，進風弧面72的軸心與主軸9的軸心之間的角度α不等于背風弧面73的軸心與主軸9的軸心之間的角度β，且進風弧面72的半徑R2和背風弧面73的半徑R1也不相同。

參見圖9，發電機裝置6設有第一隔磁環套61、定子和轉子62，轉子62套在主軸9上，定子套在轉子62的外周面，第一隔磁環套61位于定子的外周面，第一隔磁環套61用于隔開磁場，防止磁場外泄。轉子62在沿主軸9的徑向設置有永磁體63，定子在沿主軸9的徑向設置有線圈64，線圈64與永磁體63位于主軸9徑向的相同水平面上。本實施例永磁體63和線圈64的數量均為多個，多個永磁體63和多個線圈64沿主軸9的徑向均勻布置。

參見圖14和圖15，磁懸浮裝置5包括隔磁板54、徑向磁懸浮機構和軸向磁懸浮機構，隔磁板54位于徑向磁懸浮機構和軸向磁懸浮機構之間，隔磁板54用于隔開徑向磁懸浮機構和軸向磁懸浮機構之間的不同方向的磁場。徑向磁懸浮機構包括第二隔磁環套、磁塊51和第一線圈組，磁塊51可繞其軸心旋轉，且磁塊51套在主軸9上，磁塊51的軸線與主軸9的軸線重合。第一線圈組位于磁塊51的外周面，第一線圈組沿磁塊51的徑向布置，磁塊51為軟磁體，因此磁塊51的磁性根據第一線圈組通電后的磁性決定，從而磁塊51和第一線圈組的磁極相同。第二隔磁環套位于第一線圈組的外周面，第二隔磁環套用于隔開磁場，防止磁場外泄。磁塊51上設置有多個磁片52，多個磁片52沿磁塊51的徑向均勻布置，磁片52為軟磁體，磁片52的磁性根據第一線圈組通電后的磁性決定，因此磁片52和第一線圈組的磁極相同。且第一線圈組也由多個第一電磁線圈53組成，多個第一電磁線圈53沿磁塊51的徑向均勻布置。

軸向磁懸浮機構包括磁板55和第二線圈組，磁板55位于徑向磁懸浮機構在朝向主軸9端面方向的側面，且磁板55套在主軸9上，第二線圈組位于磁板55在遠離徑向磁懸浮機構的側面，第二線圈組沿磁板55的軸向布置。磁板55為軟磁體，磁板55的磁性根據第二線圈組通電后的磁性決定，因此磁板55和第二線圈組的磁極相同。本實施例第二線圈組可由一個大徑線圈56組成，也可由多個第二電磁線圈57組成，多個第二電磁線圈57沿磁板55的軸向布置。

本發明垂直式風能發電機組1以垂直主軸9為中心，風能帶動風葉7旋轉，伴隨著帶動主軸9旋轉從而驅動發電機裝置6的轉子62旋轉，因此發電機裝置6進行發電。垂直式風能發電機組1的徑向磁懸浮機構的磁片52為軟磁體，從而磁片52和第一線圈組的磁極相同，在主軸9上產生排斥力，通過徑向排斥力，實現了主軸9的徑向穩態磁懸浮。另外，軸向磁懸浮機構的磁板55為軟磁體，從而磁板55和第二線圈組的磁極相同，在發電機裝置6的轉子62上產生軸向排斥力，用于抵消發電機裝置6和風葉7構成的旋轉部分的重力，實現了轉子62和風葉7的軸向穩態磁懸浮。并且，本發明垂直式風能發電機組1在主軸9的兩端設有位置相對的兩個磁懸浮裝置5，使轉子62和風葉7在旋轉的過程中趨于平衡穩定的磁懸浮狀態，相互之間沒有摩擦，沒有阻力，而且運轉平穩，無抖動，無噪音，垂直式風能發電機組1適宜低風速下起動運行，風葉7的驅動力大，發電機組6的發電效能高，并且垂直式風能發電機組1的故障率低，壽命長。一旦發生雷擊時，避雷裝置2將雷擊形成的強電流直接分流至大地，以避免垂直式風能發電機組1免遭雷擊的危險，保證垂直式風能發電機組1的正常使用。

垂直式風能發電機組第二實施例：

作為對本發明垂直式風能發電機組第二實施例的說明，以下僅對與垂直式風能發電機組第一實施例的不同之處進行說明。

參見圖10，轉子62在沿主軸9的徑向設置有線圈64，定子在沿主軸9的徑向設置有永磁體63，線圈64與永磁體63位于主軸9徑向的相同水平面上。本實施例永磁體63和線圈64的數量均為多個，多個永磁體63和多個線圈64沿主軸9的徑向均勻布置。

垂直式風能發電機組第三實施例：

作為對本發明垂直式風能發電機組第三實施例的說明，以下僅對與垂直式風能發電機組第一實施例的不同之處進行說明。

參見圖11至圖13，轉子62在沿主軸9的徑向設置有永磁體63，定子在沿主軸9的徑向設置有線圈64，線圈64位于永磁體63的下方。本實施例永磁體63和線圈64的數量均為多個，多個永磁體63和多個線圈64沿主軸9的徑向均勻布置。

以上實施例，只是本發明的較佳實例，并非來限制本發明實施范圍，故凡依本發明申請專利范圍的構造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均應包括于本發明專利申請范圍內。