CN101440778B - 自能式风力发电机柔性变桨机构 - Google Patents

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本发明涉及一种风力发电机的变桨机构，尤其是自能式风力发电机柔性变桨机构。发电机风轮为中空的球体，球体内固定安装同步器，叶轴通过轴承插装在风轮上，所述的同步器包括球形外壳以及通过轴承安装在外壳中的同步轴，同步轴与主轴的轴线重合，同步轴上带有同步伞齿轮，叶轴的末端穿过同步器的外壳并固定安装有叶轴伞齿轮，同步伞齿轮与叶轴伞齿轮啮合；同步轴上还通过轴承安装有蜗轮、弹簧座，弹簧座固定连接在蜗轮的一侧；与蜗轮传动配合的蜗杆通过轴承安装在风轮上。本发明的优点是：桨叶偏转的一致性好，避免桨叶不同步造成受力不均匀；可以方便地调整桨叶偏转的初始受力，从而调整风力发电机的运行参数；同步轴上安装有自发电装置，配合电子控制装置使用，便于实现自动化控制，无需要外接电源。

Description

自能式风力发电机柔性变桨机构
技术领域
本发明涉及一种风力发电机的变桨机构，尤其是自能式风力发电机柔性变桨机构。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量约2.53亿千瓦。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。风力发电机是利用风能驱动桨叶带动主轴，在定子与转子发生相对位移的时候切割磁力线，在线圈中产生电流。风力发电机面临的一个严峻考验就是要面对不稳定的风速，自然界的风瞬息万变，风速跨度非常大，对风力发电机的要求也是在尽可能大的风速范围内仍然能够正常发电。为了应对大风的影响，现有风力发电机通常采用如下三种方法：1、制动；在风速超高的时候采用制动电机主轴的方式降低转速。这种方式虽然简单可行，但对风机的损害较大，风机要承受很大的风压，容易折断桨叶，严重的还会将风机吹倒。2、侧偏；在风速超高的时候使风机的迎风面偏向一侧，降低正面承受的风压。这种方式通常用于小型风力发电机，大型风力发电机由于体积庞大，惯性大，无法适应频繁的风向变化。3、变桨；在风速超高的时候通过变桨机构使桨叶的迎风角发生变化，从而改变每只桨叶承受的风压。这种方式最适合用于大型风力发电机。现有的风力发电机变桨机构普遍存在结构复杂、故障率高、调整维修困难的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种本发明的目的是提供一种结构简单、故障率低、调整维修方便的自能式风力发电机柔性变桨机构。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明所述的自能式风力发电机柔性变桨机构包括安装有桨叶的风轮，风轮安装在主轴的前端，其特征在于：风轮为中空的球体，球体内固定安装同步器，固定连接在桨叶下端的叶轴通过轴承插装在风轮上，所述的同步器包括球形外壳以及通过轴承安装在外壳中的同步轴，同步轴与主轴的轴线重合，同步轴上带有同步伞齿轮，叶轴的末端穿过同步器的外壳并固定安装有叶轴伞齿轮，同步伞齿轮与叶轴伞齿轮啮合；同步轴上还通过轴承安装有蜗轮、弹簧座，弹簧座固定连接在蜗轮的一侧；与蜗轮传动配合的蜗杆通过轴承安装在风轮上；卷簧安装弹簧座中，卷簧的内端连接在同步轴上，外端连接在弹簧座上；蜗杆通过齿轮啮合与调节杆传动连接，调节杆通过轴承安装在风轮上，其一端伸出风轮外并安装有调节手柄。
同步轴的顶端固定连接有定子桶，定子桶的内壁固定安装有铁芯和线圈，定子桶为两端带有端盖的圆桶状结构，同步轴固定连接在一侧端盖的中心，另一侧端盖的中心通过轴承插装有转子轴，转子轴与同步轴的轴线重合，转子轴位于定子桶内的一端固定安装有永磁体，转子轴位于定子桶外的一端连接重锤。
在同步轴上固定安装有步进器，所述的步进器包括安装在同步轴上的步进轮以及于步进轮配合的定位球，步进轮上带有容纳定位球的凹部，定位球通过弹簧安装在同步器的外壳上。
采用上述技术方案以后，本发明具有如下优点：
1、桨叶同步偏转，一致性好，避免桨叶不同步造成受力不均匀；
2、可以方便地调整桨叶偏转的初始张力，从而调整风力发电机的功率输出曲线；实现可调柔性变桨，大大提高风力发电机的效率。减轻特大风力对发电机的破坏。
3、同步轴上安装有自发电装置，配合电子控制装置使用，便于实现自动化控制，无需外接电源和其他连接部件，故障率低。
4、结构简单，制造成本低。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明的功率曲线图。
具体实施方式
如附图所示，本发明所述的自能式风力发电机柔性变桨机构包括安装有桨叶1的风轮2，风轮2安装在主轴3的前端。风轮2为中空的球体，球体的后端与主轴3固定连接，前端安装迎风罩，球体的圆周面上均匀分布过个用于安装叶轴的轴孔。球体内固定安装同步器51，固定连接在桨叶3下端的叶轴4通过轴承插装在风轮2上的轴孔中。所述的同步器51包括球形外壳以及通过轴承安装在外壳中的同步轴6，同步轴6与主轴1的轴线重合，同步轴6上固定安装有同步伞齿轮7，叶轴4的末端穿过同步器51的外壳并固定安装有叶轴伞齿轮8，同步伞齿轮7与多个叶轴4上的叶轴伞齿轮8同时啮合；同步轴6上还通过轴承安装有蜗轮9和弹簧座9A，弹簧座9A固定连接在蜗轮9的一侧；与蜗轮9传动配合的蜗杆10通过轴承安装在风轮2上；卷簧5安装弹簧座9A中，卷簧5的内端连接在同步轴6上，外端连接在弹簧座9A上，这样可以通过调整蜗杆10，使蜗轮9带动弹簧座9A旋转，调整卷簧5的予张紧力。当然，风机的桨叶3应当限制在一定角度内旋转，为了限制桨叶的旋转角度，可以在叶轴4上安装凸出的定位块，也可以在风轮2上安装叶轴4的轴孔中设置限位卡槽，将叶轴4旋转的角度限制在一定范围内，具体实现手段可以有多种，这是本技术领域的公知技术，再此不再详述。
蜗杆10通过齿轮啮合与调节杆18传动连接，调节杆18通过轴承安装在风轮2上，其一端伸出风轮2外并安装有调节手柄。在蜗杆10上还设置有电子控制的执行机构，通过执行机构中的驱动电机操纵蜗杆10旋转。分别实现手动或电动调节。
在叶轴4上还通过拐臂连接有液压减振器19，该液压减振器19的结构与汽车减振器相同。其一端连接拐臂，另一端连接到风轮2的壳体上。这样可以减缓叶轴4的旋转速度，避免快速的来回振动，延长使用寿命，特别是有效避免共振发生。
同步轴6的顶端固定连接有定子桶61，定子桶61的内壁固定安装有铁芯和线圈，定子桶61为两端带有端盖的圆桶状结构，同步轴6固定连接在一侧端盖的中心，另一侧端盖的中心通过轴承插装有转子轴62，转子轴62与同步轴6的轴线重合，转子轴62位于定子桶61内的一端固定安装有永磁体，转子轴62位于定子桶61外的一端连接重锤64。当风轮2发生旋转的时候，带动定子桶61、铁芯和线圈一起转动，而转子轴62被重锤64的重力牵制不能转动，使定子桶61与转子轴62发生相对旋转，定子桶61、铁芯和线圈、转子轴62、永磁体构成一个发电装置，在线圈中可以产生感应电势，利用蓄电池储存的电能可以直接给自动控制装置和执行机构17提供能源。
在同步轴6上固定安装有步进器。所述的步进器包括安装在同步轴6上的步进轮11以及于步进轮11配合的定位球12，步进轮11上带有容纳定位球12的凹部，该凹部可以是如图2所示位于步进轮11的边缘，也可以设置在步进轮11的盘面上。定位球12通过弹簧安装在同步器51的外壳上，定位球12的前端受弹簧的压力插在步进轮11的凹部，当步进轮11旋转的时候必须克服弹簧的压力将定位球12顶起才可转动，这样即可以起到定位的作用，使叶轴4受力达到一定级差后才可以转动，防止同步轴6频繁转动。
当然，步进器的形式可以有多种，其作用是使同步轴6的旋转限定在若干档位。避免很小的风速变化引起同步轴6频繁的动作。
使用时，通过无线控制电动调整机构的执行机构17调节蜗杆10，调整好卷簧5的予张紧力，卷簧5给同步轴6施加一个扭力，这样也就是调整好了变桨动作的初始风速。当然，对调节蜗杆10的调整也可以采用手动调整的方法，通过旋转手柄调节蜗杆10。当风吹到桨叶3上的时候，侧面迎风的桨叶3将风力分成两个方向的分力，其中一个分力推动风轮2转动，另一个分力的作用是推动桨叶3绕叶轴4的轴线旋转。当风力小于设定值的时候，分力的作用不足以克服卷簧5的予张紧，桨叶3的迎风角是固定不变的。当风力大于设定值的时候，风力吹动桨叶3克服卷簧5的予张紧力发生偏转，风力越大偏转角度越大，桨叶3的迎风面越小。可以很好地起到减小风压，控制输出功率的作用。图3是风机输出功率与风速变化曲线图，该曲线图的纵轴P代表风机的输出功率，横轴S代表风速度。在风速为S1的时候风机开始有输出功率，风速为S2的时候风机的输出功率达到额定功率P1，T1代表无变桨机构风机的运行功率输出曲线，在风速超过额定功率输出需要的时候，风机的输出功率继续增大，超过额定功率，如不加以控制会造成设备损坏和事故。P2、P3、P4、P5分别代表本发明的实施例在设定卷簧5的不同予张紧度情况下的变桨开始时的功率值，T2、T3、T4、T5分别代表相应情况下的输出功率曲线。在达到设定的变桨风速的时候，桨叶3的迎风角发生变化，风机的输出功率曲线变平缓，在较大的风速变化范围内，将风机的输出功率控制在额定功率P1附近。在不同的工况要求下，可以通过设定卷簧5的不同予张紧度设定风机不同的最大输出功率，满足多种要求。

Claims (3)

1.自能式风力发电机柔性变桨机构，包括安装有桨叶(1)的风轮(2)，风轮(2)安装在主轴(3)的前端，其特征在于：风轮(2)为中空的球体，球体内固定安装同步器(51)，固定连接在桨叶(1)下端的叶轴(4)通过轴承插装在风轮(2)上，所述的同步器(51)包括球形外壳以及通过轴承安装在外壳中的同步轴(6)，同步轴(6)与主轴(3)的轴线重合，同步轴(6)上带有同步伞齿轮(7)，叶轴(4)的末端穿过同步器(51)的外壳并固定安装有叶轴伞齿轮(8)，同步伞齿轮(7)与叶轴伞齿轮(8)啮合；同步轴(6)上还通过轴承安装有蜗轮(9)、弹簧座(9A)，弹簧座(9A)固定连接在蜗轮(9)的一侧；与蜗轮(9)传动配合的蜗杆(10)通过轴承安装在风轮(2)上；卷簧(5)安装弹簧座(9A)中，卷簧(5)的内端连接在同步轴(6)上，外端连接在弹簧座(9A)上；蜗杆(10)通过齿轮啮合与调节杆传动连接，调节杆通过轴承安装在风轮(2)上，其一端伸出风轮(2)外并安装有调节手柄。
2.根据权利要求1所述的自能式风力发电机柔性变桨机构，其特征在于：同步轴(6)的顶端固定连接有定子桶(61)，定子桶(61)的内壁固定安装有铁芯和线圈，定子桶(61)为两端带有端盖的圆桶状结构，同步轴(6)固定连接在一侧端盖的中心，另一侧端盖的中心通过轴承插装有转子轴(62)，转子轴(62)与同步轴(6)的轴线重合，转子轴(62)位于定子桶(61)内的一端固定安装有永磁体，转子轴(62)位于定子桶(61)外的一端连接重锤(64)。
3.根据权利要求1或2所述的自能式风力发电机柔性变桨机构，其特征在于：在同步轴(6)上固定安装有步进器，所述的步进器包括安装在同步轴(6)上的步进轮(11)以及与步进轮(11)配合的定位球(12)，步进轮(11)上带有容纳定位球(12)的凹部，定位球(12)通过弹簧安装在同步器(51)的外壳上。
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