CN101743414B - 可变速比变速器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种具有无级变速的速比的可变速比变速器，其例如使诸如风力或潮汐涡轮机(10)等能以较低但连续变化的速度运转，以在没有过大瞬时转矩的情况下平稳地驱动如同步发电机等的恒速机器。优选的变速器包括具有从动输入(50)和驱动输出的初级差速器齿轮系(120)，输入速度与输出速度的速比是可变的，且所述速比受由初级差速器(120)内的速度控制齿轮传动装置(150)提供的反作用转矩支配，该变速器还包括次级差速器齿轮系(220)，该次级差速器齿轮系经由第一路线(115)与输入(50)旋转连接，并经由不同的第二路线(125)与速度控制齿轮传动装置(150)旋转连接，其中次级差速器齿轮系包括两条平行的动力路径P′和P″，一条路径包括具有在液压回路中的两个液压单元(180，500)的液压旁路，沿着旁路路径P′的液压回路传输的动力和传输动力的方向在使用中可选择地变化以改变路径P″中的速度，由此改变第二路线中的动力并改变速度控制齿轮传动装置的反作用转矩，并由此支配所述速比。变速器利用第一路线和第二路线以用于整个输入速度范围。

Description

可变速比变速器
技术领域
本发明涉及具有无级变速的速比的可变速比变速器，其例如使诸如风力或潮汐涡轮机的原动机能够以较低的但连续变化的速度运转，以在没有过大的瞬时转矩的情况下平稳地驱动诸如同步发电机的恒速机器。
背景技术
具体地，对于用于风力涡轮机的增速变速器的需要源于其与典型地为1500rpm的优选的发电机速度相比转速较低。低的涡轮机速度由以下事实导致，即：风能发电是涡轮机扫掠面积和叶片叶尖速度极限的函数。因而，功率越高，转子速度越低。实际上，功率与转子直径的平方成正比，而转子速度与叶尖直径和/或转子功率的平方根成反比；例如，与具有相同叶尖速度的400kW机器以44rpm运转相比，3000kW涡轮机将以16rpm运转。由于转子重量和转矩与转子直径的立方成正比；较大的涡轮机不但具有较大的变速器增速比，而且具有甚至更大的输入转矩，并因此具有较低的功率对重量比。例如，尽管3000kW涡轮机产生了400kW机器的7.5倍的功率，但是其转矩和重量增加到原来的20.54倍(即，7.5的1.5次幂)，而因为其速度减少了7.5倍的平方根，所以速比增加到原来的2.74倍。
由于变速箱的体积、重量和价格受其转矩和总速比的支配，所以有通过减少寄生的瞬时过载转矩来减少重量的动机，所述寄生的瞬时过载转矩通常在所有固定速比的风力涡轮机变速器中产生(并为其提供)。这些通过风速、空气密度和在涡轮机的大的扫掠面积上的单元空气动力能量中的随机变化而产生。这些变化导致涡轮机转子毂在其至变速箱的输入处的速度波动，所述速度波动每转可能会发生多次。这由于风速的稳态变化以及阵风期间发生的突然变化而进一步复杂化。由于风能与空气速度的立方直接相关，所以50％的瞬时速度增加将把空气动力学功率增加到原来的3倍。在该功率中的某些部分将由于较低效率而耗散，而某些部分将通过涡轮机中增加的速度和动能而耗散时，由此可以知道，对于固定速比变速器，将产生额外转矩以试图使发电机加速。这源于以下事实，即：发电机的惯量绕其自身轴线(指涡轮机转子的轴线时)的极矩被乘以增速比的平方。因而，需要80/1的增速比的发电机将具有绕其自身轴线惯量的6400倍的折合惯量(referred inertia)。涡轮机转子毂与其平均转速的1度角偏差将因此意味着发电机在相同的时间尺度上的80度的波动。
异步发电机可以采用功率调节以产生平稳的电力输出，但是这掩饰了问题，因为机械加速转矩将仍然需要改变其速度。这种瞬时加速转矩仅可以通过机械变速器路径中的应变能而减小，因而更加刚性的变速器将具有更高的转矩。
可变速比变速器通过按与涡轮机速度的瞬时变化相同的比率以互补的方式改变其速比而消除该问题。通过这样做，发电机转矩、速度和相位角通过允许涡轮机加速和吸收动能形式的过大的瞬时功率而保持恒定。
例如在本申请人的在先专利申请WO2004/109157中说明的现有的可变速比变速箱已经为包括风力涡轮机的应用所采用。然而，这些应用的复杂性(例如使用诸如离合器和可替代的动力路线的可消耗部件的需要)增加了它们的尺寸、重量和制造成本。本发明人已经意识到需要一种简单的可变速比变速箱，其在实施例中提供了发电机速度控制和简单的设计。
发明内容
根据一个方面，本发明涉及一种用于风力或潮汐发电机应用的可变速比变速器，其适于从原动机输入提供基本恒速的输出，所述原动机输入至少在产生所有发电的输入速度范围内改变速度，所述变速器包括具有原动机输入和驱动输出的初级差速器齿轮系，其中所述输入速度与输出速度的速比是可变的，并且其中所述速比受由所述初级差速器内的速度控制齿轮传动装置所提供的反作用转矩支配，所述变速器还包括次级差速器齿轮系，所述次级差速器齿轮系经由第一路线与所述输入进行旋转连接，并且经由不同的第二路线与所述速度控制齿轮传动装置进行旋转连接，其中所述次级差速器齿轮系包括两条平行的动力路径，一条路径包括液压旁路，所述液压旁路具有在液压回路中的两个液压单元，沿着所述旁路路径的液压回路传输的动力和所传输动力的方向在使用中能够选择地变化以改变另一条路径中的速度，由此改变所述第二路线中的动力并改变所述速度控制齿轮传动装置的反作用转矩，并由此支配所述速比，所述变速器的特征在于，所述第一路线和第二路线用于整个输入速度范围。
优选地，第一路线和第二路线是无离合器的。
在一个实施例中，当输入速度在范围内的预定值以下时，所述单元使动力在所述单元之间的一个方向上传输，并且当达到或超过所述速度时，所述动力传输方向反向。
优选地，液压单元各自都以与输入速度成比例的速度被驱动。
更优选地，每个液压单元都是具有可变冲程的容积式装置以改变体积流量或压力。
优选地，调节一个或两个单元的冲程以改变在旁路路径中传输的动力。
在一个布置中，初级和/或次级差速器齿轮系包括行星齿轮系。如果这样，则初级和次级齿轮系可以二者都是行星齿轮系，并且存在以下行星布置中的任何一个或多个：
至初级差速器的第一输入是初级差速器的行星架；
初级差速器的输出是初级差速器的齿圈；
初级差速器的速度控制齿轮是初级差速器的太阳轮；
次级差速器的两条动力路径包括次级差速器的太阳轮和行星架。
本发明涉及一种变速器系统，其包括：(a)低速固定速比的增速段；和(b)可变速比段，所述变速器系统具有输入轴，以用于从所述固定速比段接收无级可变的输入速度并且在其输出轴上提供恒定的输出速度，其中所述可变速比段包括或包含如任一项上述权利要求所述的变速器。
优选地，固定速比段包括两个串联的行星段。
本发明涉及一种经由如上所述的可变速比变速器驱动地连接至发电机的流体驱动的原动机。
本发明扩展到此处所述的任何新颖的结构特征以及此处所述的结构特征的任何新颖的组合，不论这些结构特征是否在此组合地说明。例如，本发明可以涉及一种用于风力或潮汐发电机应用的可变速比变速器，其适于从原动机输入提供基本恒速的输出，所述原动机输入至少在产生所有发电的输入速度范围内改变速度，所述变速器包括具有原动机输入和驱动输出的初级差速器齿轮系，其中输入速度与输出速度的速比是可变的，并且其中所述速比受由初级差速器内的速度控制齿轮传动装置所提供的反作用转矩支配，该变速器还包括次级差速器齿轮系，所述次级差速器齿轮系经由第一路线与所述输入进行旋转连接，并且经由不同的第二路线与速度控制齿轮传动装置进行旋转连接，其中次级差速器齿轮系包括两条平行的动力路径，一条路径包括液压旁路，所述液压旁路具有在液压回路中的两个液压单元，沿着旁路路径的液压回路传输的动力和所传输动力的方向在使用中能够选择地变化以改变另一条路径中的速度，由此改变第二路线中的动力并改变速度控制齿轮传动装置的反作用转矩，并由此支配所述速比，该变速器特征在于，第一路线和第二路线是无离合器的。
附图说明
本发明可以以多种方式执行，并且现在将参照附图说明具体的实施例，其中：
图1a是用于与图1b中所示的齿轮传动装置一起使用的增速齿轮传动装置的剖视示意图；
图1b是齿轮传动装置和发电机的组件的局部剖视示意图；
图2至4示出图1b的齿轮传动装置，示出在多种操作模式期间的动力传输；
图5是指示使用的液压单元的冲程比率与这些液压单元之一的速度之间的关系的图表；
图6是转子功率和转矩以及以上刚刚提及的液压单元的速度对转子速度的图；
图7是液压单元速度和旁路功率的图；以及
图8是变量表。
具体实施方式
参照图1a，增速齿轮传动装置示出为具有两个行星齿轮系20和30，所述两个行星齿轮系20和30串联地将风力涡轮机输入轴10的较慢旋转转化成在小齿轮40处的较快旋转。由于图1a中的齿轮传动装置较大地增加了转速，从而在输入轴10处的涡轮机速度的小变化被放大成小齿轮40的速度的大变化。可期望的是具有恒速以驱动同步发电机，并且因而小齿轮40连接到图1b中详细示出的可变速比齿轮传动装置的输入齿轮50。
参照图1b，输入齿轮50示出为通过图1a中所示的齿轮传动装置以变化的速度驱动。输入齿轮50驱动初级小齿轮100。初级小齿轮100继而连接至初级行星差速器120的行星架110并且也沿着第一动力传输路线115驱动次级小齿轮200。行星架110经由初级行星差速器120的齿圈140驱动发电机300。
在使用中，初级差速器的太阳轮150的反作用转矩可以控制发电机300的速度。在使用中，当输入较慢时，太阳轮150需要沿着与输入(行星架110)相同的方向转动以增加齿圈140的有效速度，并因此增加发电机300的有效速度，而当输入较快时，太阳轮150需要停止，或者沿着与输入相反的方向滑移以使齿圈140减速。太阳轮150上的反作用转矩可以用于控制其速度，当施加越高的转矩时太阳轮150驱动齿圈140越快，或者当施加越低的转矩时太阳轮150沿着相反的方向被驱动(滑移)。
太阳轮的反作用转矩通过次级差速器行星齿轮系220控制。次级差速器具有连接至次级小齿轮200的齿圈230。两条动力路径P′和P″通过次级差速器220的太阳轮250和行星架210限定。行星架210与两个液压单元中的一个液压单元180旋转地连接，太阳轮250与另一个单元500旋转地连接。在此情况下，太阳轮250也连接一对小齿轮260、265，所述一对小齿轮260、265从初级差速器120的太阳轮150接收转矩或向初级差速器120的太阳轮150提供转矩并且限定第二动力路线125。
通过液压旁路传输的动力和其流动的方向通过改变两个液压单元的冲程而被控制。这继而改变太阳轮150处的反作用转矩，并因而改变初级差速器的输出速度。控制器用于监控液压旁路中的输入速度和压力，以及控制各液压单元500和180中的冲程比率。
在使用中，齿轮传动装置具有多个操作模式，以下将说明。
首先，参照图2，当输入轴处在11.5r.p.m或以下时，则齿轮传送装置将按固定速比工作。液压单元180将设定成接近最大冲程但是将较慢地旋转，而液压单元500将设定成接近最小冲程但较快地旋转，使得液压单元500通过单元180驱动。这导致动力通过液压旁路并通过齿轮传动装置沿着箭头P的方向传输，并且太阳轮150在行星架110的旋转方向上提供尽可能大的转矩，以增大发电机300的速度。然而，在该输入速度处，发电机没有达到期望的1500r.p.m，并且因此使得输出速度(发电机速度)能够随着输入速度变化，并且因为发电机没有以正确的速度旋转，所以发电机没有连接至电网系统。
其次，参照图3，当输入是在约11.5r.p.m至约17.3r.p.m的范围(该范围是通常的输入速度范围)内时，采用第二操作模式。在该模式中，发电机将与电网系统同步并且向电网提供电力，并且因此必须保持其速度恒定。因此，齿轮传动装置以可变速比操作，这是因为输入轴速度将随着风速等的波动而改变。由太阳轮150提供的反作用转矩必须足以增大发电机速度，但是必须随着输入速度从约11.5r.p.m增加到约17.3r.p.m而逐渐地减小。为了实现该效果，改变通过液压旁路引导的动力的量。流过旁路的动力可以通过调节一个或两个液压单元的冲程而被控制。在该模式中，单元180的冲程保持在最大处或最大附近，而最初在最小处的单元500的冲程作为输入速度的函数响应于旁路中的压力的增大而增大。由于次级差速器的布置，流过旁路的减少的动力减少了由太阳轮150产生的反作用转矩的总量，这使发电机的输出速度随着输入速度的增加而保持恒定。随着输入速度开始接近约17.3r.p.m，单元180的冲程减小，但是单元500的冲程最大化。
当输入速度是约17.3r.p.m时，则没有动力流过旁路，这是因为单元180的冲程是零且单元500的冲程是零。在该速度下，太阳轮150所需要的反作用转矩刚好是其停止滑移所需的转矩。这是用于涡轮机的预计平均转速。
当转子速度超过17.3r.p.m但没有超过19r.p.m时采用第三操作模式。该模式在图4中示出。发电机仍然以期望的转速产生电力。太阳轮150被允许沿着与行星架110相反的方向滑移，并且因此太阳轮150被有效地驱动，以减慢发电机300的输出。为了实现该效果，单元500的冲程保持最大而单元180的冲程是相反的，使得动力流沿着相反的方向。两个单元的旋转也是相反的。次级差速器的布置使得动力沿着箭头P的方向流动。随着转子速度从约17.3r.p.m增加到约19r.p.m，单元180的冲程沿着相反方向逐渐地增加，导致更多的动力沿着旁路路径P′流动。这导致太阳轮150中的甚至更多的滑移，以进一步减慢输出。
为了不使太多的动力流过旁路，当转子速度超过19r.p.m时，使用制动器130和/或245来减慢系统。例如在维护期间或当发生部件故障时制动器也用于安全目的。
实际上，转子输入速度将恒定地变化，并且因此液压单元180和500的冲程比率将根据图5进行调节以在太阳轮150处提供必要的反作用转矩。图6示出转子功率与液压单元180的速度之间的关系。液压单元180的速度随着转子速度的增大而增大。图7示出旁路动力如何随着液压单元180的速度(并因此转子速度)增加而被控制。图8是示出变速器系统的变量以及各变量如何随着增加的转子速度而改变的表。单元180和500的相应的冲程可以足够快速地改变，以改变传动比并精确地控制输出速度。涡轮机的非常高的惯量确保不能快速地改变速度，并且因此输入转矩可以通过改变速比而被非常精确地控制
在该应用中，将液压变速器用于旁路动力的特别的优点是其与发电机相比可忽略的折合惯量。相关的是应指出，齿轮元件的总折合惯量也可为了实际目的而忽略。可以采用十字线可控安全阀以响应于可能超过单元冲程控制的反应时间的任何非常突然的速度/转矩波动。
将在整个动力产生输入状态(第二和第三动力产生模式)中使用的仅仅两个不同的动力路线115和125用于次级差速器，简化了变速器结构并减少了成本和重量。两个路线的使用意味着，不需要离合器等来例如改变动力的路径。
以上已经说明了一个具体的实施例，但是对于本领域的技术人员将容易清楚，在本权利要求书的范围内能够有多种变型、修改和可替代的方案。例如，虽然已经说明并示出了行星差速器齿轮系，但是可以采用其它的差速器布置以得到有用的效果。

Claims (13)

1.一种用于风力或潮汐发电机应用的可变速比变速器，其适于从原动机输入提供基本恒速的输出，所述原动机输入至少在产生所有发电的输入速度范围内改变速度，所述变速器包括具有原动机输入和驱动输出的初级差速器齿轮系，其中所述输入速度与输出速度的速比是可变的，并且其中所述速比受由所述初级差速器齿轮系内的用于控制速度的齿轮传动装置所提供的反作用转矩支配，所述变速器还包括次级差速器齿轮系，所述次级差速器齿轮系经由第一路线与所述输入进行旋转连接，并且经由不同的第二路线与所述用于控制速度的齿轮传动装置进行旋转连接，其中所述次级差速器齿轮系包括两条平行的动力路径，所述两条平行的动力路径中的一条路径包括液压旁路，所述液压旁路具有在液压回路中的两个液压单元，沿着所述液压旁路的液压回路传输的动力和所传输动力的方向在使用中能够选择地变化以改变所述两条平行的动力路径中的另一条路径中的速度，由此改变所述第二路线中的动力并改变所述用于控制速度的齿轮传动装置的反作用转矩，并由此支配所述速比，所述初级差速器齿轮系和次级差速器齿轮系都是行星齿轮系，所述变速器的特征在于，所述第一路线和第二路线用于整个输入速度范围。
2.根据权利要求1所述的可变速比变速器，其中，所述第一路线和第二路线是无离合器的。
3.根据权利要求1所述的可变速比变速器，其中，当所述输入速度在所述输入速度范围内的预定值以下时，所述液压单元使动力在所述液压单元之间的一个方向上传输，并且当达到或超过所述预定值时，动力传输方向反向。
4.根据权利要求2所述的可变速比变速器，其中，当所述输入速度在所述输入速度范围内的预定值以下时，所述液压单元使动力在所述液压单元之间的一个方向上传输，并且当达到或超过所述预定值时，动力传输方向反向。
5.根据以上权利要求中任一项所述的可变速比变速器，其中，所述液压单元各自都以与所述输入速度成比例的速度被驱动。
6.根据权利要求5所述的可变速比变速器，其中，每个液压单元都是具有可变冲程的容积式装置以改变体积流量或压力。
7.根据权利要求6所述的可变速比变速器，其中，调节一个或两个液压单元的冲程以改变在所述液压旁路中传输的动力。
8.根据以上权利要求1-4中任一项所述的可变速比变速器，其中，存在以下行星布置中的任何一个或多个：
至所述初级差速器齿轮系的所述原动机输入是所述初级差速器齿轮系的行星架；
所述初级差速器齿轮系的输出是所述初级差速器齿轮系的齿圈；
所述初级差速器齿轮系的用于控制速度的齿轮是所述初级差速器齿轮系的太阳轮；
所述次级差速器齿轮系的两条所述动力路径中的每条路径都包括所述次级差速器齿轮系的太阳轮和行星架。
9.根据权利要求5所述的可变速比变速器，其中，存在以下行星布置中的任何一个或多个：
至所述初级差速器齿轮系的所述原动机输入是所述初级差速器齿轮系的行星架；
所述初级差速器齿轮系的输出是所述初级差速器齿轮系的齿圈；
所述初级差速器齿轮系的用于控制速度的齿轮是所述初级差速器齿轮系的太阳轮；
所述次级差速器齿轮系的两条所述动力路径中的每条路径都包括所述次级差速器齿轮系的太阳轮和行星架。
10.根据权利要求6所述的可变速比变速器，其中，存在以下行星布置中的任何一个或多个：
至所述初级差速器齿轮系的所述原动机输入是所述初级差速器齿轮系的行星架；
所述初级差速器齿轮系的输出是所述初级差速器齿轮系的齿圈；
所述初级差速器齿轮系的用于控制速度的齿轮是所述初级差速器齿轮系的太阳轮；
所述次级差速器齿轮系的两条所述动力路径中的每条路径都包括所述次级差速器齿轮系的太阳轮和行星架。
11.根据权利要求7所述的可变速比变速器，其中，存在以下行星布置中的任何一个或多个：
至所述初级差速器齿轮系的所述原动机输入是所述初级差速器齿轮系的行星架；
所述初级差速器齿轮系的输出是所述初级差速器齿轮系的齿圈；
所述初级差速器齿轮系的用于控制速度的齿轮是所述初级差速器齿轮系的太阳轮；
所述次级差速器齿轮系的两条所述动力路径中的每条路径都包括所述次级差速器齿轮系的太阳轮和行星架。
12.一种变速器系统，包括：(a)固定速比段，其是低速固定速比的增速段；和(b)可变速比段，所述变速器系统具有输入轴，以用于从所述固定速比段接收无级可变的输入速度并且在其输出轴上提供恒定的输出速度，其中所述可变速比段包括或包含如任一项上述权利要求所述的可变速比变速器。
13.根据权利要求12所述的变速器系统，其中，所述固定速比段包括两个串联的行星齿轮系。
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