CN101487447A - 一种风力发电机的偏航驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机的偏航驱动装置，它涉及风力发电设备技术领域，它解决了现有风力发电机偏航驱动装置的驱动机构复杂和可靠性低，以及偏航制动装置制动的可靠性降低、偏航驱动的阻力大和造价高的缺陷，它的直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴上安装的主动齿轮与偏航齿盘直接啮合；偏航制动装置的锁紧部件直接安装在直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴上；所述的直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达的变频电机与双向定量泵连接，双向定量泵通过液压锁与低速大扭矩液压马达连接，补油阀连接在双向定量泵与低速大扭矩液压马达之间的两条油路上；本发明具有可靠性好、结构简单、成本低廉和偏航速度可以无级调节等优点。

Description

一种风力发电机的偏航驱动装置

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，具体涉及一种风力发电机驱动装置。

背景技术

风能是太阳能的转化形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然能源，是21世纪最有发展前途的绿色能源，是当前人类社会经济可持续发展的最主要的新动力源之一。

目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它包括风轮1、传动系统2、发电机3、偏航驱动装置4、控制系统5和塔架6，如图1所示。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般为2～3个叶片)装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须安装偏航驱动装置，偏航驱动装置也称为对风装置，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。它根据风向传感器测得的风向信号，由控制系统控制偏航驱动装置，带动与塔架上偏航齿盘啮合的主动小齿轮转动，使风轮始终对风。

商用大中型风力发电机一般采用电动或液压的偏航驱动装置来调整风轮并使其对准风向。如图2和图3所示，偏航驱动装置一般包括感应风向的风向标、偏航计数器11、摩擦盘12、偏航马达15，偏航减速器10，偏航齿盘13、偏航制动装置14。其中偏航马达15为异步电机或液压马达，其工作原理如下：风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航马达15发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，偏航马达15经同轴联接的偏航减速器10减速后，带动主动小齿轮转动，由于主动小齿轮与偏航齿盘13啮合，从而将偏航力矩作用在偏航齿盘13上，驱动机舱转动，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。偏航装置上配备偏航制动器14，当偏航装置转动的时候，偏航制动器14处于松开状态，当偏航装置停止转动时，制动装置处于制动状态，将机舱固定在相应的位置上。

传统的液压马达驱动的偏航系统的驱动装置是通过固定在机舱内的液压马达经同轴联接的偏航减速器10减速后，带动主动小齿轮转动，由于主动小齿轮与偏航齿盘13啮合，从而将偏航扭矩传递到固定在塔架上的偏航齿盘13上，驱动机舱转动，实现调整叶轮角度与风向保持一致的。因为偏航扭矩比较大，通常单个主动小齿轮的强度不能满足要求，因此在传统的偏航系统中通常选用两到三个主动小齿轮同时与偏航齿盘13啮合，这就需要两到三套液压马达和偏航减速器与之配套，偏航电机的转速是固定的，要保证低的偏航速度就需要大的减速比，偏航齿盘13的尺寸确定，则小齿轮的尺寸参数也就相应确定，此时小齿轮的刚度往往不能满足要求，如果偏航力矩都作用在单个小齿轮上，容易造成齿轮的齿折断，因此传统的偏航驱动通常都设有两到三套偏航减速器，通过几个减速器共同分担偏航扭矩。如图4和图5所示，这样必然增加成本和安装难度，而且执行元件增多，系统的可靠性也会降低。

现有偏航驱动装置的偏航制动装置14多采用常闭式钳盘式制动器，采用弹簧夹紧，液压拖动松闸来实现阻尼偏航和失效安全。该制动器的缺点主要有：1、制动环必须保持干净。由于严酷的自然环境以及液压油、润滑油等难以实现完全避免泄漏，将导致摩擦系数大幅度下降，降低了制动的可靠性。2、制动环可能发生变形，造成不需要制动时的额外摩擦，增加了偏航驱动的阻力。3、由于液压系统同时为偏航驱动装置和偏航制动器提供动力，液压系统相对复杂，电液阀数目较多，造价高且可靠性降低。4、从液压泵站出来的管路较长，数目多，部分管路破裂就会导致整个偏航系统无法正常工作。

发明内容

本发明针对现有风力发电机偏航驱动装置的驱动机构复杂和可靠性低，以及偏航制动装置制动的可靠性降低、偏航驱动的阻力大和造价高的缺陷，而提出了一种风力发电机的偏航驱动装置。

风力发电机的偏航驱动装置包括风向标、直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达、偏航齿盘和偏航制动装置；风向标将风向的变化用电信号发送到控制系统的处理器里，经过比较后处理器给直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达发出顺时针或逆时针的偏航命令，直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴上安装的主动齿轮与偏航齿盘直接啮合；偏航制动装置的锁紧部件直接安装在直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴上，直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达包括闭式油罐、变频电机、双向定量泵、补油阀、液压锁和低速大扭矩液压马达；变频电机的动力输出轴与双向定量泵动力输入轴连接，双向定量泵通过液压锁与低速大扭矩液压马达连接，双向定量泵与低速大扭矩液压马达之间的两条油路组成闭式回路，补油阀的两个进出油口分别连接在双向定量泵与低速大扭矩液压马达之间的两条油路上，补油阀的第三进出油口连接闭式油罐的进出油口；低速大扭矩液压马达输出轴为直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴。

本发明采用的技术方案是：用直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达代替偏航马达，去掉偏航马达与偏航齿盘之间的偏航减速器，通过直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达轴上安装的主动齿轮与偏航齿盘直接啮合来传递扭矩，驱动机舱转动，带动风轮偏航对风。此种偏航驱动装置可以单独安装，也可以冗余配置，当一路出现故障后失压时，其他偏航驱动装置仍可正常工作，保证风力发电机的正常工作。

该驱动装置液压系统采用集成化设计，将电机和整个液压油罐直接背在低速大扭矩液压马达上，去掉所有电磁换向阀。该驱动装置还去掉了液压马达与偏航齿盘之间的减速器，通过低速大扭矩液压马达轴上安装的主动齿轮与偏航齿盘直接啮合，减小了降速比，这样主动齿轮可以做的大些，其强度得到增强，使得在大、中型风力发电机中也只需一套偏航驱动装置即可实现偏航动作。另外本发明中，偏航制动装置安装在直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达上，通过对直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达轴的抱紧和松开实现偏航制动和偏航阻尼。

本发明的有益效果是：相对于传统的风力发电机偏航驱动装置，本发明具有可靠性好、结构简单、成本低廉和偏航速度可以无级调节等优点。本发明的具体优点主要表现在以下几个方面：偏航驱动装置中去除了容易损坏的减速器和电磁换向阀，直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达采用闭式系统，油液不易污染，减少了发生故障的几率，使得系统结构简化，可靠性增加。可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本。直驱式电液伺服大扭矩液压马达通过调整变频电机转速控制偏航系统的速度，这样在不同的气候条件下可以采用不同的偏航速度，在保证风力发电机安全的同时提高了发电效率。液压马达在偏航驱动到位后停止转动，此时变频电机停止运转，双向液压锁也可以起到锁定液压马达位置的作用，此时，即使偏航制动器发生故障，液压锁也能起到锁定偏航角的作用。这就为偏航制动提供了双保险。本发明采用集成化设计，将电机和整个液压油罐直接背在低速大扭矩液压马达上，去除液压泵站和长的液压管路，占地小，安装容易，同时也避免了因管路破裂导致偏航系统的失灵事故。本发明中，偏航制动器安装在低速大扭矩液压马达上，通过对液压马达轴的抱紧和松开实现偏航制动和偏航阻尼，这就去除了传统偏航齿盘中的制动盘，简化偏航齿盘的制造工艺，降低成本。偏航制动器是机械锁紧液压打开的，因此在液压系统失压时，可以可靠抱紧马达轴，锁定偏航角不变，满足失电安全的原则。本发明使得偏航系统机械传动部件减少，降低了风力发电机组的噪音和机械损失，提高了整机效率。

附图说明

图1是风力发电机的结构示意图；图2是现有外齿驱动形式偏航驱动装置的结构示意图；图3是现有内齿驱动形式偏航驱动装置的结构示意图；图4是外齿圈形式偏航齿盘结构示意图；图5是内齿圈形式偏航齿盘结构示意图；图6是本发明风力发电机的偏航驱动装置中的直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达和偏航制动装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图6说明本实施方式，风力发电机的偏航驱动装置由风向标、直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达、偏航齿盘13和偏航制动装置组成；风向标将风向的变化用电信号发送到控制系统的处理器里，经过比较后处理器给直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达发出顺时针或逆时针的偏航命令，直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴上安装的主动齿轮与偏航齿盘13直接啮合；偏航制动装置的锁紧部件直接安装在直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴上，直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达由闭式油罐20、变频电机21、联轴器22、双向定量泵23、补油阀24、双向液压锁25和低速大扭矩液压马达26组成；变频电机21的动力输出轴通过联轴器22与双向定量泵23动力输入轴连接，双向定量泵23通过双向液压锁25与低速大扭矩液压马达26连接，双向定量泵23与低速大扭矩液压马达26之间的两条油路组成闭式回路，低速大扭矩液压马达26接收控制系统的控制信号后顺时针或逆时针按一定的转速旋转，带动双向定量泵23转动，向低速大扭矩液压马达26输出压力油，推动液压马达运动，从而控制偏航的方向、速度和偏航角度；补油阀24的两个进出油口分别连接在双向定量泵23与低速大扭矩液压马达26之间的两条油路上，补油阀24的第三进出油口连接闭式油罐20的进出油口；低速大扭矩液压马达26输出轴为直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴。

具体实施方式二：结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于偏航制动装置由比例溢流阀31、液压源32和偏航制动器33组成；比例溢流阀31的进油口和液压源32的出油口连接在偏航制动器33的控制油口上，比例溢流阀31的出油口和液压源32的进油口分别连接在两个油箱上；偏航制动器33为机械锁紧的离合器；偏航制动器33的锁紧部件直接安装在低速大扭矩液压马达26轴上，通过对低速大扭矩液压马达26轴的抱紧和松开实现偏航制动和偏航阻尼。偏航制动器33有独立于偏航驱动马达的液压源，这样可以保证制动器能独立于偏航系统单独作用。控制器根据风速、风向及偏航速度计算所需阻尼力矩的大小，然后调节比例溢流阀31的溢流压力，实现对作用在偏航制动器33上的液压力的调整，进而调整偏航阻尼。偏航制动器33是机械锁紧液压打开的，因此在液压系统失压时，可以可靠抱紧马达轴，锁定偏航角不变，满足失电安全的原则。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于补油阀24由两个液控单向阀组成，两个液控单向阀分别为第一液控单向阀和第二液控单向阀；第一液控单向阀的一个油口和控制油口分别与双向定量泵23与低速大扭矩液压马达26之间的两条油路连接，第二液控单向阀的一个油口与第一液控单向阀的的控制油口所连接的油路相连，第二液控单向阀的控制油口与第一液控单向阀的的一个油口所连接的油路相连，第一液控单向阀的另一个油口和第二液控单向阀的另一个油口同时与闭式油罐20的进出油口连接，第二液控单向阀的一个油口和控制油口与第一液控单向阀的的一个油口和控制油口连接方式相同、连接油路相反，第一液控单向阀的另一个油口和第二液控单向阀的另一个油口同时与闭式油罐20的进出油口连接。补油阀24作用是闭式回路中油液不足时从闭式油罐20中向闭式回路中补充油液；其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于双向液压锁25由两个液控单向阀组成，两个液控单向阀分别为第三液控单向阀和第四液控单向阀；第三液控单向阀的一个油口与低速大扭矩液压马达26的一个油口连接，第三液控单向阀的另一个油口与双向定量泵23的一个油口连接；第四液控单向阀的一个油口与低速大扭矩液压马达26的另一个油口连接，第四液控单向阀的另一个油口与双向定量泵23的另一个油口连接；第三液控单向阀的控制油口与双向定量泵23与低速大扭矩液压马达26之间的连接第四液控单向阀的油路连接；第四液控单向阀的控制油口与双向定量泵23与低速大扭矩液压马达26之间的连接第三液控单向阀的油路连接；双向液压锁25功用是当偏航系统达到指定偏航角时，变频电机停止运转，双向液压锁能保持液压马达的位置，这是对偏航制动的双保险；其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (6)

1、一种风力发电机的偏航驱动装置，它风力发电机的偏航驱动装置包括风向标、偏航齿盘(13)和偏航制动装置，其特征在于它还包括直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达；风向标将风向的变化用电信号发送到控制系统的处理器里，经过比较后处理器给直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达发出顺时针或逆时针的偏航命令，直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴上安装的主动齿轮与偏航齿盘(13)直接啮合；偏航制动装置的锁紧部件直接安装在直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴上，直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达包括闭式油罐(20)、变频电机(21)、双向定量泵(23)、补油阀(24)、双向液压锁(25)和低速大扭矩液压马达(26)；变频电机(21)的动力输出轴与双向定量泵(23)动力输入轴连接，双向定量泵(23)通过双向液压锁(25)与低速大扭矩液压马达(26)连接，双向定量泵(23)与低速大扭矩液压马达(26)之间的两条油路组成闭式回路，补油阀(24)的两个进出油口分别连接在双向定量泵(23)与低速大扭矩液压马达(26)之间的两条油路上，补油阀(24)的第三进出油口连接闭式油罐(20)的进出油口；低速大扭矩液压马达(26)输出轴为直驱式电液伺服低速大扭矩液压马达输出轴。

2、根据权利要求1所述的一种风力发电机的偏航驱动装置，其特征在于偏航制动装置由比例溢流阀(31)、液压源(32)和偏航制动器(33)组成；比例溢流阀(31)的进油口和液压源(32)的出油口连接在偏航制动器(33)的控制油口上，比例溢流阀(31)的出油口和液压源(32)的进油口分别连接在两个油箱上。

3、根据权利要求2所述的一种风力发电机的偏航驱动装置，其特征在于偏航制动器(33)为机械锁紧的离合器。

4、根据权利要求1、2或3所述的一种风力发电机的偏航驱动装置，其特征在于还包括联轴器(22)，变频电机(21)动力输出轴通过联轴器(22)与双向定量泵(23)动力输入轴连接。

5、根据权利要求1、2或3所述的一种风力发电机的偏航驱动装置，其特征在于补油阀(24)由两个液控单向阀组成，两个液控单向阀分别为第一液控单向阀和第二液控单向阀；第一液控单向阀的一个油口和控制油口分别与双向定量泵(23)与低速大扭矩液压马达(26)之间的两条油路连接，第二液控单向阀的一个油口与第一液控单向阀的的控制油口所连接的油路相连，第二液控单向阀的控制油口与第一液控单向阀的的一个油口所连接的油路相连，第一液控单向阀的另一个油口和第二液控单向阀的另一个油口同时与闭式油罐(20)的进出油口连接，第一液控单向阀的另一个油口和第二液控单向阀的另一个油口同时与闭式油罐(20)的进出油口连接。

6、根据权利要求1、2或3所述的一种风力发电机的偏航驱动装置，其特征在于双向液压锁(25)由两个液控单向阀组成，两个液控单向阀分别为第三液控单向阀和第四液控单向阀；第三液控单向阀的一个油口与低速大扭矩液压马达(26)的一个油口连接，第三液控单向阀的另一个油口与双向定量泵(23)的一个油口连接；第四液控单向阀的一个油口与低速大扭矩液压马达(26)的另一个油口连接，第四液控单向阀的另一个油口与双向定量泵(23)的另一个油口连接；第三液控单向阀的控制油口与双向定量泵(23)与低速大扭矩液压马达(26)之间的连接第四液控单向阀的油路连接；第四液控单向阀的控制油口与双向定量泵(23)与低速大扭矩液压马达(26)之间的连接第三液控单向阀的油路连接。

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