多维度磁悬浮风能捕获系统技术领域
本发明涉及一种多维度磁悬浮风能捕获系统，尤其是一种应用于大中型风电系统
实现机舱多维度精确对风、降低损耗的风力发电系统。
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。提升风能捕获一直是风电科研工作者的研究热点，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。
传统的基于齿轮驱动的偏航装置结构复杂，因齿轮间隙以及转速传动变比等因
素，偏航对风精度低、运行维护成本高，尤其是偏航过程中，机头自重所产生的偏心力矩以
及风机载荷引起的弯曲力矩极易导致偏航齿轮损。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故障率和维护费用以及偏航损耗；
发明专利201410143297.7采用机械耦合装置将风机捕获转矩分配给偏航转矩，同时在悬浮
绕组中引入对称水平绕组，谨防机舱水平移动，降低侧风所致转子中心偏离。上述专利有效
降低了偏航损耗和偏航对风，但都存在风机机舱悬浮后，因机舱偏航完全脱离塔架约束所
致的机舱稳定性问题。对风过程中仅考虑水平方向偏航角度偏差，忽视风向俯仰角度对风
能捕获功率的影响；当前传统小型风机已开始探讨机舱俯仰提升风能捕获功率，但均仅依
靠风机桨叶所产生的倾覆力矩被动产生，被动调整速度较慢同时也带来了机舱不稳定问
题。
发明内容
本发明的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供一种多维度磁悬浮风能捕
获系统。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：多维度磁悬浮风能捕获系统包括俯
仰绕组6、位置锁定装置以及偏航绕组4。俯仰绕组6由NL和NR两对称部分构成，并在机舱俯仰
角度存在时，两绕组分别通入基于俯仰角度实时控制的励磁电流，产生不平衡悬浮力驱动
机舱俯仰；偏航绕组4由三相对称绕组构成，用于驱动机舱在悬浮状态下偏航，当风向与机
舱偏航角度不为0时，三相偏航绕组4上电，产生偏航力，同时位置锁定装置上电，导轨7随机
舱偏航被动旋转实现机舱偏航；位置锁定装置在俯仰和偏航完成后掉电，承担俯仰绕组6和
偏航绕组4掉电后机舱稳定对风。
所述俯仰绕组设置在圆盘型铁芯上，NL和NR分别为两对称半圆部分，分别由8组绕
组串联而成，NL部分设置在风机桨叶侧，NR设置在机舱尾部侧，两部分电流需根据侧风速以
及俯仰角度实时调整，稳定机舱和实现俯仰，同时降低机舱偏航所致摩擦损耗。
所述位置锁定装置是基于失电保护器、三个刚性伸缩杆以及机舱托盘底座导轨所
构成，共同组成机舱俯仰过程随动拉伸、偏航过程的机舱稳定牵引以及对风结束后的俯仰
支撑；包括俯仰辅助结构和偏航引导两部分，其中俯仰辅助机构包括伸缩杆9、固定支架10、
俯仰定向轴承12以及失电保护器11，伸缩杆9在失电保护器11上电时无阻拉伸，而在失电时
产生制动力矩约束伸缩杆9的位移变化，对机舱俯仰位置进行支撑；所述固定支架10为三个
设置在塔架上的圆柱形立式支撑，约束机舱悬浮最低位置；所述俯仰 定向轴承为伸缩杆9
和失电保护器11的联接结构，约束伸缩杆9运动方向确保机舱位置稳定；偏航引导结构包括
机舱托盘3、导轨7以及滑块8组成，机舱托盘3为圆形机舱底盘，其上设置导轨7，导轨7上设
有三个可柔性移动滑块8，协同引导机舱偏航对风，同时约束机舱旋转范围。
所述失电保护器11为马鞍状型两侧设有制动锁存装置，对俯仰定向轴承12制动，
约束伸缩杆长度和倾斜角度，决定机舱俯仰位置。位置锁定装置在机舱精确对风全过程均
处于被动无阻锁定状态，而在对风结束支撑机舱精确俯仰对风。所述导轨7是圆形T字型并
和机舱底座托盘刚性连接，滑块8与导轨7配套相连，导轨引导机舱在偏航力矩和滑块支撑
下围绕中心旋转，约束机舱运动轨迹，确保机舱稳定。
本发明所带来的有益效果是：1)本发明借助位置锁定装置，并在其约束与支撑下，
机舱2在俯仰绕组6和偏航绕组4的协同控制下，进行偏航、俯仰，实现风机桨叶多维度精确
对风，有效提升风能捕获效率，增强设备复杂工况下运行的可靠性。2)本发明借助伸缩杆9
在失电保护器11失电状态下制动，加电时被动无阻拉伸，结合机舱位置以及风速历史数据，
实时加电修正机舱状态和位置，降低俯仰系统重复上电所致能量损耗以及控制难度，增强
系统能量捕获率。3)本发明借助塔架5、伸缩杆9、导轨7、滑块8以及机舱托盘3，将机舱2和塔
架5贯通为一体，藉此完成机舱悬浮和俯仰，提升风力发电机组可靠性，同时偏航过程中导
轨7和滑块8的引入，对偏航轨迹进行机械结构约束，谨防机舱中心位移偏差，提升风电机组
机舱系统稳定性。
附图说明
图1多维度磁悬浮风能捕获系统示意图。
图2机舱位置锁定结构示意图。
图3失电保护器内部结构示意图。
图4多维度磁悬浮风能捕获系统精确对风流程图。
图5俯仰绕组结构示意图。
具体实施方式
符号说明：
NL 悬浮绕组6中靠近扇叶1部分绕组
NR 悬浮绕组6中远离扇叶1部分绕组
α0 偏航角度，即风向与机舱水平面的垂直夹角
β0 俯仰角度，即风向与机舱中心轴在机舱水平面上的夹角
FL 悬浮绕组6中靠近扇叶1部分通电产生的悬浮力
FR 悬浮绕组6中远离扇叶1部分通电产生的悬浮力
δb 悬浮绕组6与偏航绕组4间气隙平均值
δ1 悬浮绕组6中靠近扇叶1部分与偏航绕组4间气隙
δ2 悬浮绕组6中远离扇叶1部分与偏航绕组4间气隙
注：
⑴机舱垂直面：与风机叶轮扇叶面和水平面垂直的平面；
⑵机舱水平面：与风机叶轮扇叶面和机舱垂直面垂直的平面；
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明所公布的多维度磁悬浮风能捕获系统(如图1)，包括俯仰绕组6、位置锁定
装置以及偏航绕组4；俯仰绕组由NL和NR两对称部分组成；位置锁定装置是由塔架5、失电保
护器11、伸缩杆9、导轨7、滑块8以及机舱托盘3组成；失电保护器是由电机端盖14、磁力线圈
13以及制动板15组成。
本发明公布的多维度磁悬浮风能捕获系统精确对风控制流程图如图4所示。系统
时刻根据实时监测的风速风向仪16及机舱位置和历史数据，判定风机机舱运行状态，同时
为有效降低能量损耗、提高风能捕获率，多维度磁悬浮风能捕获系统控制流程坚持机舱俯
仰、机舱偏航以及机舱位置锁定等控制流程，实现机舱多维度精确对风。机舱悬浮由俯仰绕
组6完成，同时调控俯仰绕组6输入电流，改变机舱俯仰角度大小，并在位置锁定结构左右
下，被动无阻辅助俯仰；机舱偏航则在俯仰角度为零时，并作俯仰绕组4以及位置锁定装置
引导下，机舱偏航完成水平精确对风；位置锁定环节则在偏航结束后，偏航绕组6和俯仰绕
组4断电情况下，位置锁定装置担负原俯仰绕组6产生俯仰支撑力，实现机舱多维度精确对
风。
机舱俯仰，当风速风向仪16检测到风向与风机的俯仰角β0≠0时，控制俯仰绕组6NL
和NR绕组分别通电，通过调整励磁电流产生不平衡悬浮力(FL和FR)，即产生不同的悬浮气隙
δ1和δ2，同时位置锁定装置失电保护器上电，其内磁力线圈13产生强力磁力，吸引制动板15
移动，降低俯仰定向轴承12旋转阻力，且伸缩杆9完全在无阻状态下拉伸长度，俯仰定向轴
承12在失电保护器11内调整伸缩杆倾斜角度，机舱俯仰被动调整，直至俯仰角β0＝0，实现
机舱完全俯仰，完成纵轴方向上的精确对风。
机舱偏航，机舱俯仰完成后，当风速风向仪16检测到风向与风机的偏航角α0≠0
时，在俯仰绕组6上电状态下三相对称偏航绕组4通电，驱动机舱偏航，同时位置锁定装置失
电保护器11上电，机舱托盘3在导轨7和滑块8牵引下，在偏航绕组4产生的偏航转矩驱动下
偏航对风，直至偏航角α0＝0时，偏航绕组4掉电，机舱偏航结束，完成水平轴方向上的精确
对风。
机舱位置锁定，机舱俯仰和偏航结束后，即风向与机舱的俯仰角β0＝0、偏航角α0＝
0，此时悬浮气隙满足δ1+δ2＝2δb，位置锁定装置锁定机舱。具体过程如下：位置锁定装置失
电保护器11断电，此时磁力线圈13中无电流，制动转板15受弹力挤压，增强与俯仰定向轴承
间的旋转阻力，限制俯仰定向轴承12位置。同时俯仰绕组6和偏航绕组4断电，使整个系统处
于无能量损耗状态，至此完成机舱位置锁定。
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。