磁悬浮可变尾翼型风力偏航系统的制作方法

本发明涉及一种磁悬浮可变尾翼型风力偏航系统，尤其是一种应用于大中型风电设备偏航对风的装置，采用磁悬浮技术实现机舱悬浮、通过尾翼灵活调整改变偏航力矩，有效提高了偏航对风精确性，降低了偏航损耗。

背景技术：

风力发电作为一种清洁、发展前景广阔的可再生能源，一直是世界各国的能源发展战略。提升风能捕获是风电领域科研工作者的研究热点，风力发电机组中偏航系统是基于风向变化实现风机机舱偏航对风的重要环节，是水平轴风力发电机组必不可少的组成部分，可有效提升风电机组可靠性、使用寿命和发电效率。但传统中大型风力发电机组由于发电机内置于机舱内部，机舱重量偏大，采用偏航电机实现偏航对风，偏航功耗大，且诸多偏航齿轮导致齿间隙较大，严重影响偏航对风精度；发明专利200910161406.7披露一种磁悬浮偏航装置，该装置采用单点悬浮驱动技术降低了偏航损耗以及偏航故障，但存在着机舱悬浮后的倾覆力矩无法有效平抑问题，极易导致机舱侧翻，甚至系统崩溃，该专利中虽增加了滚珠等机械约束限定侧翻，但增加了摩擦损耗，同时也带来了运行安全隐患；小型风力发电机普遍采用尾翼在风力作用下被动偏航，严格无偏航损耗，但偏航过程受风速波动影响大，严重影响系统捕获功率稳定性以及对风精度。

技术实现要素：

本发明的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供一种磁悬浮可变尾翼型风力偏航系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：本发明公开了一种磁悬浮可变尾翼型风力偏航系统，采用机舱两点悬浮、尾翼力臂伸缩以及迎风角度调整，实现风机机舱无摩擦偏航对风。机舱悬浮由悬浮绕组、悬浮永磁体和水平永磁体组成，两变流器独立控制悬浮绕组与悬浮永磁体和水平永磁体协同实现稳定悬浮；所述尾翼力臂伸缩由电磁联动结构、调向耦合器、组合换向齿轮、力臂传动轴以及力臂传动齿轮组成，协同实现尾翼联轴拉伸与收缩；所述尾翼迎风角度调整由机械联动装置、步进电机和尾翼构成，步进电机经机械联动装置驱动尾翼角度调整。

所述悬浮绕组包括翼侧悬浮绕组和叶侧悬浮绕组，设置在机舱底部，分别由8个绕组串联而成，由翼侧h桥变流器和叶侧h桥变流器根据倾覆力以及下压力变化，实时进行悬浮电流调控，实现倾覆力抑制；所述悬浮永磁体共8对，包括翼侧悬浮永磁体和叶侧悬浮永磁体，内置于u形塔架底部，悬浮永磁体与悬浮绕组相斥产生悬浮升力，实现机舱悬浮；所述水平永磁体对称安装在u形塔架周围，与悬浮绕组极性相同，通过与悬浮绕组间斥力作用，抑制机舱水平推力；所述塔架为u型结构，用于机舱悬浮时侧翻保护以及正面迎风时的机舱支撑，机舱悬浮为无电机偏航提供基础。

所述电磁联动机构是力臂方向调整的控制机构，带动换向杆驱动调向耦合器与组合换向齿轮耦合，通过力臂传动轴和力臂传动齿轮，驱动尾翼联轴执行力臂伸缩，包括拉伸和收缩两继电器、调向磁铁、弹簧和换向杆；所述调向磁铁固定于弹簧顶部，通过继电器吸合改变调向磁铁运动方向，带动换向杆和调向耦合器左右滑动；所述调向耦合器由耦合内齿、耦合外齿、耦合外环、滚珠和耦合内环组成，耦合内齿成凸型结构与力臂传动轴机械联接，耦合外齿与组合换向齿轮机械耦合，耦合外环经滚珠、内外环卡槽与内环相连，保证调向耦合器内环独立转动以及内外环协同滑动；所述组合换向齿轮包括同向齿轮和换向齿轮，与发电机输出轴刚性连接，完成力臂传动轴转向调整。

所述尾翼迎风角度调整其特征机械联动装置包括角度传动轴、角度传动齿轮、角调齿轮以及角调制动器，所述角度传动轴在步进电机驱动下，带动角度传动齿轮以及角调齿轮旋转；所述角调制动器为角度传动轴制动装置，用于尾翼联轴调整时角调齿轮固定，辅助驱动尾翼联轴的力臂伸缩。

本发明所带来的有益效果是：

1)本发明借助磁悬浮可变尾翼型风力偏航系统，改变了大中型风机只能依靠偏航电机和机械耦合结构进行偏航对风的现状，实现了大中型风机无偏航电机被动偏航的要求，减小了偏航损耗，提高了对风精度。

2)本发明借助机舱悬浮，根据外界风速风向变化，实时调整变流器电流，改变两侧悬浮斥力，完成了倾覆力和下压力抑制，同时水平永磁体，有效抵消悬浮水平推力，保证机舱多维度稳定悬浮，为无偏航电机运行提供条件。

3)本发明借助尾翼力臂伸缩和尾翼迎风角度调整，既实现偏航力矩粗调又完成偏航力矩精细调整，严格限制偏航转速，提高了系统运行的安全性、可靠性以及对风精度。

附图说明

图1磁悬浮可变尾翼型风力偏航系统结构图。

图2悬浮绕组分割示意图。

图3设备装配示意图。

图4调向耦合器结构图。

图5角调齿轮结构图。

图6控制流程图。

图7力臂计算示意图。

图中1.风力桨叶，2.发电机轴，3.机舱，4.发电机，5.发电机输出轴，6.尾翼力臂伸缩，7.力臂传动齿轮，8.尾翼，9.尾翼联轴，10.迎风角度调整，11.翼侧悬浮绕组，12.翼侧水平永磁体，13.翼侧悬浮永磁体，14.u型塔架，15.叶侧悬浮永磁体，16.叶侧水平永磁体，17.叶侧悬浮绕组，18.风机轴支撑，19.输出轴支撑，20.拉伸继电器，21.调向磁铁，22.收缩继电器，23.换向齿轮，24.换向杆，25.调向耦合器，26.同向齿轮，27.力臂传动轴，28.角调齿轮l，29.角调齿轮r，30.角度传动齿轮r，31.角度传动轴，32.角调制动器，33.角度传动齿轮l，34.步进电机，35.轴支撑架，36.弹簧，37.齿轮，38.凹形槽，39.叶侧变流器，40.翼侧变流器，41.驱动模块，42.dsp控制器，43.耦合外环，44.滚珠，45.耦合内环，46.耦合内齿，47.耦合外齿，48.内外环卡槽，49.执行轴截面。

具体实施方式

变量说明：

α0：风机桨叶偏航角；

ωopt：机舱偏航限制速度；

θref：尾翼偏转角度；

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明所公布的磁悬浮可变尾翼型风力偏航系统，包括风力桨叶1、机舱悬浮(11、12、13、15、16、17)、尾翼力臂伸缩6、尾翼迎风角度调整10、发电机4以及塔架14；机舱3悬浮由悬浮绕组(11、17)、悬浮永磁体(13、15)和水平永磁体(12、16)组成；尾翼力臂伸缩6由电磁联动结构(20、21、22、24、36)、调向耦合器25、组合换向齿轮(23、26)、力臂传动轴27以及力臂传动齿轮7构成；尾翼迎风角度调整10由机械联动装置(30、31、32、33)、步进电机34和尾翼8组成。

本发明公布的磁悬浮可变尾翼型风力偏航系统精确对风控制流程图如图5所示，当风向发生变化α0≠0时，风电系统偏航启动，运行过程依次为机舱悬浮、尾翼力臂伸缩和尾翼迎风角度调整；机舱悬浮(11、12、13、15、16、17)：机舱3悬浮启动，为被动偏航提供基础；尾翼力臂伸缩6：确定力臂伸缩方向和长度，根据确定的伸缩方向和长度进行力臂伸缩控制，完成偏航力矩粗调；尾翼迎风角度调整10：力臂调整同时，进行尾翼8偏转角度计算，根据确定角度控制步进电机34，精确改变偏航力矩，实现主被动偏航，完成精确对风。

1)机舱悬浮(11、12、13、15、16、17)：传感器检测偏航角α0≠0时，叶侧变流器39和翼侧变流器40通电启动，确定相同气隙参考，根据风速风向变化，调整两变流器输入电流，与悬浮永磁体(13、15)协调作用，改变两侧悬浮斥力，抑制倾覆力以及下压力变化，实现纵向稳定悬浮，并通过水平永磁体(12、16)有效抵消水平推力，为大中型风力机被动偏航提供安全保障。

2)尾翼力臂伸缩6：机舱3悬浮稳定后，改变力臂长度，实现偏航转矩粗调，保证系统运行安全性以及对风精确性；根据风速风向变化，确定调整方向，查找风速对应力臂长度，确定力臂大致范围l，结合阶跃风变化，进一步确定力臂精确调整范围δl，根据两次力臂计算，确定最终力臂长度l′，偏航过程为保证运行安全性，对偏航转速进行限制，若偏航速度大于ωopt，力臂长度l′减小，减小偏航转速，若偏航转速小于ωopt，增大力臂l′增加偏航转速；悬浮气隙稳定且力臂伸缩和长度l′确定后，执行尾翼伸缩6操作，采用pi控制，根据长度和方向变化，控制拉伸继电器22或收缩继电器20通断，带动换向杆24驱动调向耦合器25与组合换向齿轮(23、26)耦合，通过力臂传动轴27和力臂传动齿轮7，驱动尾翼联轴9伸缩，完成力臂调整；

3)尾翼迎风角度调整10：为实现精确对风，进行尾翼8偏转角度调整；首先根据力臂调整长度l′、最佳偏航转速ωopt以及最短调整时间tmin，在安全性前提下，综合确定尾翼8偏转角度θref，正对风时，发电机4超过最大功率将造成设备损坏，根据发电机4运行状态，确定4保护侧偏角，进行尾翼8迎风角度调整，实现设备保护；机舱3悬浮稳定，完成伸缩操作后，根据所计算的偏航角度θref为参考目标，控制步进电机34转动，通过角度传动轴31以及角度传动齿轮(30、33)带动角调齿轮(28、29)动作，完成角度调整，改变尾翼8迎风面积，精确改变偏航转矩。

偏航对风结束，两悬浮绕组(11、17)断电，机舱3悬浮下落，完成风电系统偏航实现精确对风。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。