BR102020003482A2

BR102020003482A2 - Sistema de engrenagens

Info

Publication number: BR102020003482A2
Application number: BR102020003482-0A
Authority: BR
Inventors: Mikko Koponen; Jussi SAASTAMOINEN
Original assignee: Moventas Gears Oy
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2020-09-29
Also published as: KR20200105413A; DK3702647T3; CA3073890A1; EP3702647B1; ES2927327T3; CN111623087A; EP3702647A1; PT3702647T; US20200271100A1

Abstract

Um sistema de engrenagens compreende uma engrenagem planetária (105) e uma estrutura de armação (102) compreendendo seções de conexão (103, 104) para fixar a estrutura de armação a uma estrutura mecânica externa tal como um fuso-motor de uma instalação de energia eólica. A engrenagem planetária compreende um suporte planetário (109), uma roda central (107), um anel de engrenagem (108) e rodas planetárias (113) engatando com a roda central e com o anel de engrenagem. O suporte planetário compreende uma estrutura de interface mecânica (110) para conexão a um elemento rotativo externo, tal como um rotor eólico. A estrutura de armação compreende uma blindagem de cobertura frontal (114) que é uma peça única de material, fixada ao anel de engrenagem, e moldada para constituir uma cobertura de mancal para cobrir e sustentar um mancal (111) que sustenta o suporte planetário. Assim, não há necessidade de uma cobertura de mancal separada.

Description

SISTEMA DE ENGRENAGENS

Campo da Revelação

[0001] A revelação refere-se geralmente a sistemas de engrenagens. Mais particularmente, a descrição refere-se a uma estrutura de estrutura de um sistema de engrenagens que compreende uma engrenagem planetária. Além disso, a revelação refere-se a uma instalação de energia eólica compreendendo um sistema de engrenagens.

Antecedentes

[0002] Em muitos sistemas geradores de energia, pode ser vantajoso, dos pontos de vista de vários aspectos de projeto e construção, conectar um gerador a um motor principal, por exemplo, uma turbina eólica, através de um sistema de engrenagens arranjado para converter a velocidade rotacional do motor principal em uma faixa de velocidades adequada para o gerador. Por exemplo, em uma instalação de energia eólica, um sistema de engrenagens torna possível o uso de um gerador que seja significativamente menor em dimensões e em peso do que um gerador de acionamento direto de uma correspondente instalação de energia eólica sem engrenagens. Correspondentemente, em muitas aplicações de motores, pode ser vantajoso conectar um motor a um atuador através de um sistema de engrenagens arranjado para converter a velocidade rotacional do motor em uma faixa de velocidades adequada para o atuador. O sistema de engrenagens pode compreender um único estágio de engrenagem ou dois ou mais estágios de engrenagens conectados em série com o auxílio do qual é obtida uma relação de transmissão desejada. Cada estágio de engrenagem pode ser, por exemplo, uma engrenagem planetária, uma engrenagem cilíndrica, uma engrenagem cônica, ou alguma outra engrenagem.

[0003] Aspectos de projeto relacionados a um sistema de engrenagens são, entre outros, o tamanho e o peso do sistema de engrenagens e o número de componentes do sistema de engrenagens. Por exemplo, em uma aplicação de energia eólica, os aspectos de projeto do tipo mencionado acima devem ser otimizados o bastante para que uma instalação de energia eólica com um sistema de engrenagens seja competitiva com uma instalação de energia eólica sem engrenagens com um gerador acionado direto. A opção de se usar um sistema de engrenagens ou ter um projeto sem engrenagens depende de muitos aspectos diferentes, muitos dos quais são conflitantes. Um sistema de engrenagens proporciona, entretanto, muitas vantagens e assim há a necessidade de prover soluções técnicas para aliviar ou mesmo eliminar as desvantagens relacionadas ao uso de um sistema de engrenagens.

Sumário

[0004] O que se segue apresenta um sumário simplificado a fim de proporcionar uma compreensão básica de alguns aspectos de várias modalidades da invenção. O sumário não é uma visão geral extensiva da invenção. Não se pretende identificar elementos chave ou críticos da invenção nem delinear o escopo da invenção. O sumário a seguir meramente apresenta alguns conceitos da invenção em forma simplificada como um prelúdio para uma descrição mais detalhada de modalidades exemplificativas da invenção.

[0005] Neste documento, o termo "bidimensional" quando usado como um prefixo significa um conceito geométrico que não é necessariamente parte de qualquer objeto físico. O conceito geométrico pode ser, por exemplo, um ponto geométrico, uma linha geométrica reta ou curva, um plano geométrico, uma superfície geométrica não plana, um espaço geométrico, ou qualquer outra entidade geométrica que seja zero, uni, bi ou tridimensional.

[0006] De acordo com a invenção, é provido um novo sistema de engrenagens que pode ser, por exemplo, mas não necessariamente, um sistema de engrenagens de uma instalação de energia eólica.

[0007] Um sistema de engrenagens de acordo com a invenção compreende uma estrutura de armação compreendendo seções de conexão para fixar a estrutura de armação a uma estrutura mecânica externa ao sistema de engrenagens, e uma engrenagem planetária compreendendo:

- um eixo central que compreende uma roda central e sendo rotativo com relação à estrutura de armação,
- um anel de engrenagem estacionário em relação à estrutura de armação,
- um suporte planetário que compreende uma estrutura de interface mecânica para conexão a um elemento rotativo, por exemplo, um rotor eólico, externo ao sistema de engrenagens,
- primeiro e segundo mancais que sustentam o suporte planetário com relação à estrutura de armação, o primeiro mancal estando axialmente entre o anel de engrenagem e a estrutura de interface mecânica do suporte planetário, e
- rodas planetárias sustentadas rotativamente em relação ao suporte planetário e engatando com a roda central e com o anel de engrenagem.

[0008] A estrutura de armação compreende uma blindagem de cobertura frontal que é uma peça única de material, fixada ao anel de engrenagem, e moldada para constituir uma cobertura de mancal para cobrir e sustentar o primeiro mancal mencionado acima, em que a cobertura de mancal cobre o primeiro mancal de modo a não ser visível quando a estrutura de interface mecânica do suporte planetário é vista axialmente ao longo de uma direção axial do suporte planetário. A blindagem de cobertura frontal compreende ainda as seções de conexão mencionadas acima da estrutura de armação.

[0009] Como a blindagem frontal é moldada para atuar como uma cobertura de rolamento, não há necessidade de uma cobertura de rolamento separada e, portanto, o número de componentes do sistema de engrenagens, bem como o número de fases de montagem é reduzido.

[0010] De acordo com a invenção, é provida também uma nova instalação de energia eólica que compreende:

- um rotor eólico,
- um gerador para a produção de energia elétrica, e
- um sistema de engrenagens de acordo com a invenção para transferir energia mecânica do rotor eólico para o gerador.

[0011] O rotor eólico mencionado acima é conectado em um modo de transferência de torque ao suporte planetário da engrenagem planetária do sistema de engrenagens, e a estrutura de armação do sistema de engrenagens é fixada às estruturas de suporte de um fuso-motor da instalação de energia eólica.

[0012] Diversas modalidades exemplificadoras e não limitadoras da invenção são descritas em reivindicações dependentes.

[0013] As modalidades exemplificadoras e não limitadoras da invenção, tanto como construções quanto a métodos de operação, juntamente com objetivos e vantagens adicionais da mesma, serão mais bem compreendidas a partir da descrição seguinte de modalidades exemplificadoras específicas, quando lidas em conjunto com os desenhos em anexo.

[0014] Os verbos "compreender" e "incluir", são usados neste documento como limitações notórias que nem excluem nem requerem a existência de características não citadas. As características citadas nas reivindicações dependentes anexas são mutuamente combináveis de forma livre a menos que de outra forma explicitamente declarado. Além disso, deve-se entender que o uso de um ou uma, isto é, uma forma singular, por todo este documento não exclui uma pluralidade.

Breve descrição das figuras

[0015] As modalidades exemplificadoras e não limitadoras da invenção e suas vantagens são explicadas em maiores detalhes abaixo no sentido de exemplos e com referência aos desenhos anexos, nos quais:
As figuras 1a, 1b e 1c ilustram um sistema de engrenagens de acordo com uma modalidade exemplar e não limitadora, e
A figura 2 ilustra uma instalação de energia eólica de acordo com uma configuração exemplificadora e não limitadora.

Descrição de Modalidades Exemplificadoras e Não Limitadoras

[0016] Os exemplos específicos fornecidos na descrição abaixo não devem ser interpretados como limitando o escopo e/ou a aplicabilidade das reivindicações anexas. As listas e grupos de exemplos fornecidos na descrição não são exaustivos, a menos que de outra forma explicitamente declarado.

[0017] As figuras la e lb mostram um sistema de engrenagens 101 de acordo com uma modalidade exemplificadora e não limitadora. A figura lc mostra uma seção tomada ao longo das polilinhas A-A mostradas nas figuras la e lb. Uma parte da superfície de seção geométrica é paralela ao plano yz de um sistema de coordenadas 199 e outra parte da superfície de seção geométrica é paralela ao plano xz do sistema de coordenadas 199. O sistema de engrenagens 101 compreende uma estrutura de armação 102 que compreende seções de conexão 103 e 104 para fixar a estrutura de armação 102 a uma estrutura mecânica externa ao sistema de engrenagens 101. As seções de conexão 103 e 104 impedem que a estrutura de armação 102 gire com relação à estrutura mecânica externa quando as seções de conexão são afixadas à estrutura mecânica externa. A estrutura mecânica externa pode ser, por exemplo, uma estrutura de suporte em um fuso-motor de uma instalação de energia eólica. No caso exemplificativo ilustrado nas figuras 1a-1 c, o sistema de engrenagens 101 compreende uma primeira engrenagem planetária 105, uma segunda engrenagem planetária 119 e uma engrenagem cilíndrica 123. No entanto, também é possível que um sistema de engrenagens de acordo com uma configuração exemplar e não limitadora compreenda somente uma engrenagem planetária, ou apenas uma engrenagem cilíndrica em adição a uma engrenagem planetária, ou alguma outra disposição de engrenagens além de uma engrenagem planetária.

[0018] A engrenagem planetária 105 compreende um eixo central 106 que compreende uma roda central 107. O eixo central 106 é rotativo com relação à estrutura de armação 102. A engrenagem planetária 105 compreende um anel de engrenagem 108 que é estacionário em relação à estrutura de armação 102. A engrenagem planetária 105 compreende um suporte planetário 109 que compreende uma estrutura de interface mecânica 110 para se conectar a um elemento rotativo externo ao sistema de engrenagens. O elemento rotativo externo pode ser, por exemplo, uma turbina eólica. O suporte planetário 109 é sustentado de forma rotativa em relação à estrutura de armação 102 com a ajuda de primeiro e segundo mancais 111 e 112, onde o primeiro mancal 111 está axialmente, isto é, na direção axial, entre o anel de engrenagem 108 e a estrutura de interface mecânica 110 do suporte planetário 109 e o segundo mancal 112 está axialmente entre a primeira e segunda engrenagem planetária 105 e 119. Nas figuras 1a-1c, a direção axial é paralela ao eixo z do sistema de coordenadas 199. Nesse caso exemplificativo, os primeiro e segundo mancais 111 e 112 são mancais cilíndricos. O primeiro mancal 111 pode ser algum outro mancal diferente de um mancal de rolamento cilíndrico. Por exemplo, o primeiro mancal 111 pode ser um mancal de esferas ou um mancal plano. Também é possível que o primeiro mancal 111 seja um mancal de rolamento afunilado e a folga axial do mancal de rolamento afunilado seja ajustada com meios para ajustar a posição axial do suporte planetário 109, onde os meios estão localizados entre as engrenagens planetárias 105 e 119. Correspondentemente, o segundo mancal 112 pode ser algum outro mancal diferente de um mancal de rolamento cilíndrico, por exemplo, um rolamento de esferas, um mancal plano, ou um mancal de rolamento afunilado. O primeiro mancal 111 e o segundo mancal 112 podem representar diferentes tipos de mancais. Assim, a invenção não é limitada a quaisquer tipos específicos de mancal.

[0019] A engrenagem planetária 105 compreende rodas planetárias sustentadas rotativamente em relação ao suporte planetário 109 e engatando com a roda central 107 e com o anel de engrenagem 108. Na Figura lc, uma das rodas planetárias é denotada com uma referência 113. A estrutura de armação 102 compreende uma blindagem de cobertura frontal 114 que é uma peça única de material tal como, por exemplo, aço ou ferro fundido. A blindagem de cobertura frontal 114 é fixada ao anel de engrenagem 108, e a blindagem frontal de cobertura 114 é moldada para constituir uma cobertura de mancal para cobrir e sustentar o primeiro mancal 111. A cobertura de mancal cobre o primeiro mancal 111 de modo que o primeiro mancal 111 não é visível quando a estrutura de interface mecânica 110 do suporte planetário é vista axialmente ao longo da direção z positiva do sistema de coordenadas 199. Como mostrado na figura lc, o diâmetro D1 de uma porção do suporte planetário 109 que está em contato com o primeiro mancal 111 é maior do que o diâmetro D2 de uma abertura da blindagem de cobertura frontal 114 através da qual a estrutura de interface mecânica 110 do suporte planetário é disposta para se projetar. Quando a blindagem de cobertura frontal é conformada para atuar como a cobertura de rolamento, não há necessidade de uma cobertura de rolamento separada e, portanto, é reduzido o número de componentes do sistema de engrenagens, bem como o número de fases de montagem.

[0020] No sistema de engrenagem exemplar 101 ilustrado nas figuras 1a-1c, a estrutura de interface mecânica 110 do suporte planetário 109 e a seção de extremidade 115 do suporte planetário constituem uma única peça de material. A seção de extremidade sustenta as primeiras extremidades dos eixos de roda planetária da engrenagem planetária, e o suporte planetário compreende outra seção de extremidade que sustenta segundas extremidades dos eixos de roda planetárias. O arranjo onde a estrutura de interface mecânica 110 e a secção de extremidade 115 constituem uma peça única de material que proporciona uma construção compacta e mecanicamente forte.

[0021] No sistema de engrenagem exemplar 101 ilustrado nas figuras 1a-1c, o anel de engrenagem 108 da engrenagem planetária 105 constitui uma parte da estrutura de armação 102 de modo que uma superfície externa do anel de engrenagem 108 constitui uma parte de uma superfície externa do sistema de engrenagens 101. É também possível que uma estrutura de armação de um sistema de engrenagens de acordo com uma configuração exemplar e não limitante constitua um alojamento de modo que um anel de engrenagem esteja dentro do alojamento.

[0022] A figura 1c mostra uma ampliação de uma parte 118 da vista em corte do sistema de engrenagem 101. O sistema de engrenagem exemplar 101 compreende uma vedação 116 entre a superfície externa da estrutura de interface mecânica 110 e uma parede da abertura da blindagem de cobertura frontal 114 através da qual a estrutura de interface mecânica 110 é disposta para se projetar. A vedação 116 pode ser, por exemplo, uma vedação de feltro que é sustentada axialmente com uma placa de suporte 117. É também possível que a vedação 116 seja uma vedação de anel defletor.

[0023] A segunda engrenagem planetária 119 compreende um suporte planetário 120 que é conectado em um modo de transferência de torque ao eixo central 106 da primeira engrenagem planetária 105. Além disso, a segunda engrenagem planetária 119 compreende um anel de engrenagem 122, um eixo central 125 compreendendo uma roda central, e rodas planetárias sustentadas de forma rotativa em relação ao suporte planetário 120 e acoplam com o anel de engrenagem 122 e com a roda central da segunda engrenagem planetária 119.

[0024] No sistema de engrenagem exemplar 101 ilustrado nas figuras 1a-1c, a estrutura de armação 102 compreende uma porção intermediária 121 conectada ao anel de engrenagem 108 da primeira engrenagem planetária 105 e ao anel de engrenagem 122 da segunda engrenagem planetária 119. O anel de engrenagem 122 da segunda engrenagem planetária 119 constitui uma parte da estrutura de armação 102 de modo que uma superfície externa do anel de engrenagem 120 da segunda engrenagem planetária constitui uma parte da superfície externa do sistema de engrenagens 101.

[0025] A engrenagem cilíndrica 123 compreende uma primeira roda de engrenagem 124 que é conectada em um modo de transferência de torque ao eixo central 125 da segunda engrenagem planetária 119. A engrenagem cilíndrica 123 compreende uma segunda roda de engrenagem 126 que pode ser conectada a um dispositivo externo ao sistema de engrenagens 101. O dispositivo externo pode ser, por exemplo, um gerador.

[0026] A blindagem de cobertura frontal 114 compreende as seções de conexão 103 e 104 para fixar a estrutura de armação a uma estrutura mecânica externa ao sistema de engrenagens 101. Nesse caso exemplar, as seções de conexão 103 e 104 são projeções que se projetam radialmente. Também é possível que tanto a blindagem de cobertura frontal 114 quanto a porção intermediária 121 compreendam seções de conexão para fixar a estrutura de armação 102 a uma estrutura mecânica externa ao sistema de engrenagens.

[0027] A figura 2 ilustra uma instalação de energia eólica de acordo com uma configuração exemplar e não limitadora. A instalação de energia eólica compreende um rotor eólico 250, um gerador 252 para produzir energia elétrica, e um sistema de engrenagens 201 para transferir energia mecânica do rotor eólico 250 para o gerador 252. O sistema de engrenagem 201 pode ser, por exemplo, tal como o sistema de engrenagens 101 ilustrado na figura 1a-1c. O rotor eólico 250 é conectado em um modo de transferência de torque ao suporte planetário da primeira engrenagem planetária do sistema de engrenagens 201, e a estrutura de armação do sistema de engrenagens 201 é fixada às estruturas de suporte de um fuso-motor 251 da instalação de energia eólica.

[0028] Os exemplos específicos fornecidos na descrição dada acima não devem ser interpretados como limitando o escopo e/ou a aplicabilidade das reivindicações anexas. Listas e grupos de exemplos fornecidos na descrição dada acima não são exaustivos, a menos que de outra forma explicitamente declarado.

Claims

Sistema de engrenagens (101) compreendendo uma estrutura de armação (102) compreendendo seções de conexão (103, 104) para fixar a estrutura de armação a uma estrutura mecânica externa ao sistema de engrenagens, e uma primeira engrenagem planetária (105) compreendendo:
- - um eixo central (106) compreendendo uma roda central (107) e sendo rotativo com relação à estrutura de armação,
- - um anel de engrenagem (108) estacionário em relação à estrutura de armação,
- - um suporte planetário (109) compreendendo uma estrutura de interface mecânica (110) para conexão a um elemento rotativo externo ao sistema de engrenagens,
- - primeiro e segundo mancais (111, 112) sustentando o suporte planetário giratoriamente com relação à estrutura de armação, e
- - rodas planetárias (113) sustentadas rotativamente em relação ao suporte planetário e engatando com a roda central e com o anel de engrenagem,
- em que o primeiro mancal está axialmente entre o anel de engrenagem e a estrutura de interface mecânica do suporte planetário, e a estrutura de armação compreende uma blindagem de cobertura frontal (114) sendo uma peça única de material, fixada ao anel de engrenagem, e moldada para constituir uma cobertura de mancal para cobrir e sustentar o primeiro mancal (111), a cobertura de mancal cobrindo o primeiro mancal de forma a não ser visível quando a estrutura de interface mecânica do suporte planetário é vista axialmente ao longo de uma direção axial do suporte planetário, caracterizado pelo fato de que a blindagem de cobertura frontal (114) compreende as seções de conexão (103 104) da estrutura de armação.
Sistema de engrenagens, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um diâmetro (Dl) de uma porção do suporte planetário que está em contato com o primeiro mancal é maior do que um diâmetro (D2) de uma abertura da blindagem de cobertura frontal através da qual a estrutura de interface mecânica (110) do suporte planetário é disposta para se projetar.
Sistema de engrenagens, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a estrutura de interface mecânica (110) do suporte planetário e uma seção de extremidade (115) do suporte planetário constituem uma peça única de material, a seção de extremidade do suporte planetário sustentando primeiras extremidades dos eixos de rodas planetárias da engrenagem planetária e outra seção de extremidade do suporte planetário sustentando segundas extremidades dos eixos de rodas planetárias.
Sistema de engrenagens, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3, caracterizado pelo fato de que o anel de engrenagem (108) da primeira engrenagem planetária constitui uma parte da estrutura de armação, de modo que uma superfície externa do anel de engrenagem da primeira engrenagem planetária constitui uma parte de uma superfície externa do sistema de engrenagens.
Sistema de engrenagens, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que o sistema de engrenagens compreende uma vedação (116) entre uma superfície externa da estrutura de interface mecânica do suporte planetário e uma parede de uma abertura da blindagem frontal através da qual a estrutura de interface mecânica do suporte planetário é disposta para se projetar.
Sistema de engrenagens, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-5, caracterizado pelo fato de que o sistema de engrenagens compreende uma segunda engrenagem planetária (119) cujo suporte planetário (120) é conectado em um modo de transferência de torque ao eixo central (106) da primeira engrenagem planetária.
Sistema de engrenagens, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a estrutura de estrutura compreende uma porção intermediária (121) conectada ao anel de engrenagem (108) da primeira engrenagem planetária e a um anel de engrenagem (122) da segunda engrenagem planetária.
Sistema de engrenagens, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o anel de engrenagem da segunda engrenagem planetária constitui uma parte da estrutura de armação de modo que uma superfície externa do anel de engrenagem da segunda engrenagem planetária constitui uma parte de uma superfície externa do sistema de engrenagens.
Sistema de engrenagens, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6-8, caracterizado pelo fato de que o sistema de engrenagens compreende uma engrenagem cilíndrica (123) que compreende primeira e segunda roda de engrenagem (124, 126) engatando umas com as outras, a primeira roda de engrenagem (124) sendo conectada em uma forma de transferência de torque a um eixo central (125) da segunda engrenagem planetária.
Sistema de engrenagens, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-9, caracterizado pelo fato de que o primeiro mancal (111) é um dos seguintes: um mancal de rolamento cilíndrico, um mancal de esferas, um mancal plano, um mancal de rolamento afunilado.
Instalação de energia eólica compreendendo:
- - um rotor eólico (250),
- - um gerador (252) para a produção de energia elétrica, e
- - um sistema de engrenagens (201) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-10, para transferir energia mecânica do rotor eólico para o gerador,
caracterizada pelo fato de que o rotor eólico é conectado em um modo de transferência de torque ao suporte planetário da primeira engrenagem planetária do sistema de engrenagens, e a estrutura de armação do sistema de engrenagens é fixada às estruturas de suporte de um fuso-motor (251) da instalação de energia eólica.