CN101943115A - 滑差式变桨矩及双机偏航技术及其风力发电机 - Google Patents

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滑差式变桨矩及双机偏航技术及其风力发电机，属机械—电子技术应用领域。滑差轮毂方式及发电机自偏航技术将能产生于风力机物理机制相匹配的效能，本技术的3类构造尤其是万向旋叶双轮之构造，将使效率空前(在同样的回扫面积)提高1倍以上，且结构简化，构件比例合理，可广泛应用于各种风力发电场合中。

Description

滑差式变桨矩及双机偏航技术及其风力发电机
本发明属机械一电子技术应用领域；确切的讲是依靠风力转换成动能及发电的装置。
目前已使用技术有2大缺陷：第1物理缺陷，第2风力的物理匹配缺陷：现有风车(无论是水平轴还是垂直轴以及各类涡轮方式)都存在集能器件的比例失调，面对稀薄相对慢速的气流，无论如何需要大的受风面积+良好的风帆形状的凹体状，回程极小的受风面积；这些因素在现有的(使用数百年来的)技术方式下是不可能实现的。结合无滑刷技术及常规机械行星齿轮技术；将有更大益处。
本发明的目的在于解决已有技术的不足之处，以滑差惯性变浆矩方式及双轮(发电机自偏航)构造，结合旋叶方式，尤其是水平径流方式最优！在应用成熟机电领域成果，以一种电控偏航方法，结构极大简化了，效能提高数倍。
本发明的特点：10KW以上的机组的自重问题，巧妙地将叶轮与电机转向约束呈分离状态，转向时不需再需拖带电机，同时在采用双机时会适合一种电控偏航方法，且结构简化，双轮方式将能产生于风力机物理机制相匹配的效能，本技术的3类构造尤其是万向旋叶双轮之构造，将使效率(在同样的回扫面积)提高3-5倍，且结构简化，构件比例合理，可广泛应用于各种风力发电场合中，同时本技术也给出了利用叶片自身的惯性能的变浆矩的新技术。
本发明的技术关键：
滑差式变浆矩技术；基本结构是由叶片、叶片轴、轮毂、轮毂轴、摩擦片、摩擦片压紧装置、(轮毂轴)滑道、叶片曲轴及滑块等组成(结构中也可以含有电机及齿轮等构造，用来驱动轮毂与轮毂轴之间产生相对转动，即滑差)；基本工作原理为：不需变浆矩时，摩擦片压紧装置紧压摩擦片，(结构中也可以是由电机及齿轮或离合器等构造来锁定)，当需要变浆矩时，摩擦片压紧装置失压于摩擦片，(结构中也可以是由电机及齿轮或离合器等构造来解除锁定)，由于惯性的原因，轮毂与轮毂轴之间将出现滑差(实际上当摩擦片压紧装置减弱对摩擦片的压力或动力电机解除锁死状态或动力电机主动驱动或被动进入阻尼状态或使用的电磁离合器处于“离”状态时都可进入滑差状态)；与叶片刚性固定在一起的叶片曲轴端部的滑块会在转动的(轮毂轴)滑道中滑动；曲线走向的滑道将使曲轴带动叶片相对于轮毂转动(绕叶片自转轴)；采取重新压紧摩擦片(或对动力电机在进入锁死状态或动力电机等)，可控制滑差的大小，可得到叶片的所需(自转)角度；其核心特征；输出动力的轮毂轴与轮毂之间可相对转动(即滑差)；而且该相对转动(滑差)是通过装置在轮毂轴及轮毂以及叶片上的滑块(或滑槽)(或齿轮系统)来转变成叶片相对于轮毂的转动(自转：即变浆矩)；轮毂与轮毂轴之间的(转动)力矩的传递可以使用摩擦片传递，也可以使用动力电机(在有滑差过程中也可兼作电磁阻尼器，回收部分电能；传动动力时电机处于锁死状态)结合齿轮的方式传递，或用电磁离合器(及液体离合器)传递方式。
双机(或双转子)发电机偏航技术；基本结构是由叶片轮毂组件、轮毂轴、偏航转轴、2向节、轮毂轴齿轮、偏航转轴齿轮、行星轮、整流罩、发电机(或双转子发电机)、偏航转轴轴孔、联轴套管、轮毂轴轴孔、基座等组成；基本工作原理为：当地面上的水平流动的风驱动叶片使轮毂轴转动，2向节的功能是即能使贯穿自身的轮毂轴自由转动又能支撑偏航转轴(适当改变结构，整流罩也能起到2向节的功能)转动，轮毂轴齿轮将分别驱动偏航转轴齿轮转动(偏航转轴齿轮21及16是由(多层)联轴套管刚性连接，各层偏航转轴及套管都可自由转动，偏航转轴齿轮8可绕该套管自由转动)，最终传到行星轮上带动发电机发电；偏航功能即可由方向舵实现，又可以由双电机的控载比例来实现(改变2电机的负载(电流输出)比例可产生不同方及大小的剩余力矩，使偏航转轴转动)；另外；也可以使用双转子电机，双转子电机的2个转轴共轴，相向转动，共同与1个固定的筒相互回转，线圈绕组可放置在该固定筒上，其本质特征：结构中使用了2向节(或3向节)作为轮毂轴及偏航转轴的承载部件；即可使用方向舵完成偏航，也可以用双发电机(或双转子发电机)偏航(主/副绕组适配)方式或附加偏航驱动电机也或是再在发电机上并联小的发电机(的附加阻或阻尼失衡方式)来实现偏航功能。
应用上述2技术会产生一种使用滑/双技术的风力发电机；由叶片轮毂组件、轮毂轴、整流罩(内含动力及偏航机构)、双发电机(或双转子发电机)、联轴套管、基座及塔架等组成；其基本特征；使用了滑差式变浆矩技术或双机(转子)偏航技术或2者兼用之或是2者(本文献中的滑/双技术)都未采用的；轮毂的数量可以是1个也可以是2个(放置于塔架的两侧2轮毂轴相对放置；叶轮的转动方向可以相同也可以相反)。
在上述偏航技术中；所述的电机绕组(主/副绕组适配方式)是指：发电机绕组可分为主绕组及多副绕组；主绕组承担发电机的主要功率，副绕组承担小量功率且可多组；偏航时通过接通或断开2电机(或双转子发电机的2独立发电转子绕组)的(部分)副绕组来改变2电机(或双转子发电机的2独立发电转子绕组)功率分配，也就改变了2电机轴(或双转子发电机的2独立发电转子轴)的力矩大小；使行星齿轮绕偏航转轴转动。
上述偏航技术中，所述的阻尼失衡式是指：改变2电机(或双转子发电机)的(分流或加载)阻尼情况，就改变了2电机的阻尼力矩，而是偏航转轴就产生额外的力矩输出，进行偏航转动(方向及大小可人为控制)；也可以采取附加电磁阻尼的方式，就是在2电机或双转子发电机的2轴上并联(用皮带或齿轮)阻尼器，控制并改变阻尼来实现阻尼失衡。
所述2向节是指：承载2个以上的多轴(或轴孔)(叶片轴及偏航转轴)部件，且叶片轴可自由转动；3向节的特征除多出1个叶片轴外与2向节完全相同，2个叶片轴仍垂直于偏航转轴。
下面结合一个较佳实施例对本发明作进一步所说明；
[图1]一种滑差式变浆矩轮毂组件基本结构(剖面)示意图。
[图2]一种双转子发电机的风力发电机(局剖)原理示意图。
[图3]一种双机偏航风力发电机原理示(局剖)意图。
[图4]一种单机偏航风力发电机原理示(局剖)意图。
图示说明：
(1)叶片轴
(2)轮毂轴
(3)轮毂轴(滑道鼓)
(4)刹车片位移驱动器
(5)刹车片
(6)常刹车片
(7)轮毂壳体
(8)叶片曲轴
(9)滑道滑块
(10)叶片
(11)轮毂轴齿轮
(12)轮毂轴齿轮
(13)偏航转轴齿轮
(14)偏航转轴齿轮
(15)发电机外转子
(16)发电机内转子
(17)发电机输出电线
(18)轴承
(19)塔架
(20)偏航转轴
(21)整流罩
(22)2向节
(23)轮毂轴(滑道鼓)滑道
(24)刹车片推杆
(31)叶片
(33)2向节
(32)轮毂轴
(37)、(38)轮毂轴齿轮
(39)，(311)驱动齿轮
(38)，(319)，(310)齿轮
(313)，(314)齿轮联轴管
(312)，(19)驱动齿轮
(34)整流罩
(35)方向舵
(36)偏航转轴
(316)基座
(2)叶片轴
(315)2个发电机
(316)基座
(317)输电线
(318)卡簧
(37)齿轮
(32)转轴
(34)罩
如[图1]所示：(沿轮毂轴走向的剖面图)
滑差变浆矩构的基本原理：轮毂轴(2)通过轴承与轮毂壳体(7)进行连接；常刹车片(6)提供(2)与(7)之间的摩擦力；刹车片(5)可被刹车片位移驱动器(4)通过驱动刹车片推杆(24)来移动位移，使(2)与(7)之间建立起摩擦力矩；当刹车片(5)与轮毂壳体(7)的内壁接合时，加上(6)的常摩擦力矩的之和，将使轮毂(7)与轮毂轴(2)之间无相对转动；保持一体化运动关系。
叶片轴(1)的端部刚性联接有叶片曲轴(8)，该曲轴(8)的另一端部插入滑道滑块(9)的中孔内(可自由转动)；同时滑块(9)也嵌入轮毂轴(滑道鼓)(3)表面上的轮毂轴(滑道鼓)滑道(23)内((9)可在弯曲的滑道中，并沿滑道自由滑动)，叶片(10)与轴(1)刚性联接。
如[图2]所示：
该图是一个使用且效率甚高的大型风机的设计；放有双叶轮(水平轴的取向相反，2叶轮的转动方向相反)。
叶片轴(1)联接着轮毂壳体(7)及叶片(10)。
2个轮毂轴(2)分别(刚性固定)连接轮毂轴齿轮(11)及轮毂轴齿轮(12)，偏航转轴(20)(刚性固定)联接偏航转轴齿轮(13)及也(刚性固定在)发电机内转子(16)上(使齿轮(11)的力矩通过齿轮(13)传输到(16)上)；刚性联接在一起的(20)及(16)同时也被整流罩(21)及发电机公共定子(可绕有多绕组，分别对应于内外转子，独立发电)(17)同时支撑((21)也通过轴承支撑轮箍轴(2)；2向节(22)起到支撑中枢的作用，(22)使得插入其中的2个方向的3个周(2)及(20)独立且自由的转动)。
另一个轮箍轴齿轮(12)齿合与发电机外转子(15)刚性固定在一起的(同轴)偏航转轴齿轮(14)上，使发电机外转子(15)转动。(18)为轴承，起支撑外转子(15)的作用。
(19)为塔架，电机定子(17)直接固定在其上。
如[图3]及[图4]所示：
主要是由风力驱动叶片(31)转动、通过可在2向节(33)的水平孔内自由转动的轮毂轴(32)驱动固定在其上的轮毂轴齿轮(37)、(38)、齿轮(37)驱动齿轮(39)，齿轮(38)驱动齿轮(311)，由于齿轮(311)与齿轮(319)是通过齿轮联轴管(313)及齿轮(39)与齿轮(310)是通过齿轮联轴管(313)及(314)刚性联接的，因而齿轮(310)(319)将最终驱动齿轮(312)带动2发电机转动；整流罩(34)也起到一定的2向节的作用(允许叶片轴及偏航转轴自田转动)、方向舵(35)安装在整流罩上、偏航转轴(36)分上下2段(一段插入整流罩轴孔内另一端插入基座(316)的座孔中，可套有轴承，进行自由转动)；齿轮(38)驱动齿轮(311)，由于齿轮(311)与齿轮(319)是通过齿轮联轴管(314)刚性联接的，因而齿轮(38)将最终驱动齿轮(19)；因而叶片轴(2)的转动最终使：偏航转轴齿轮(310)、(319)相向回转(适当的安排齿数比，可以使转速相等，对与行星齿轮(312)来说，相当于2个太阳轮(盘))；行星齿轮(312)可以以2个发电机(315)的轴为行星架；可带动(电机轴)转动；发电机与基座(316)固定在一起，输电线(317)将不会被缠绕，卡簧(318)卡入偏航转轴的环槽内，以限定齿轮轴向的窜动。偏航的实现过程之一；当风力使方向舵转向时；该转动将转化成齿轮(310)及(319)的转速改变，使电机产生附加转矩；因而与基座固定在一起的电机有理由不转动。
对于图3来说：与图4的不同之处在于：2个发电机(315)(315)分别通过行星齿轮(312)(312)齿合到齿轮(310)及(319)上；2发电机转轴平行于偏航转轴，转动方向相反。
偏航的产生有以下方式：
2电机方式：即可使用方向舵完成偏航，也可以(完全不用方向舵)用双电机的负载的人为改变来实现偏航功能；具体的讲是将2电机串联或并联使用，改变电机通路中的阻抗或安排2电机的电流通过的大小比例状态；就可改变2电机的转速，由于电机可固定不动，因而叶片轴将绕偏航转轴转动。
单电机配合偏航方式：(加装双刹车装置，可加载在2个通道上，如2个联轴管(313)(314)上)，这样单一刹车时或不一致刹车时，叶片轴也将绕偏航转轴转动，或附加偏航驱动电机方式：这一是最常用的方式，正大量使用中。
上述所有转动部件除需轴承以外，阻挡齿轮等转动部件不至于轴向滑动，为简单起见，图中未画出。
3向节的特征除多出1个叶片轴(可使齿轮(37)独立装上一个叶片转轴，该转轴象(32)一样，伸出罩(34)之外，独立回转)外与2向节完全相同，2个叶片轴仍垂直于偏航转轴，且叶片转轴不一定是在一条直线上。
部位(314)为(发电机组件与2向节组件之间的多层)动轴，往往除了偏航转向轴外，还有齿轮联轴管状轴部件。

Claims (6)

1.滑差式变浆矩技术；由叶片、叶片轴、轮毂、轮毂轴、摩擦片、摩擦片压紧装置、(轮毂轴)滑道、叶片曲轴及滑块等组成(结构中也可以含有电机及齿轮等构造，用来驱动轮毂与轮毂轴之间产生相对转动，即滑差)；基本工作原理为：不需变浆矩时，摩擦片压紧装置紧压摩擦片，(结构中也可以是由电机及齿轮或离合器等构造来锁定)，当需要变浆矩时，摩擦片压紧装置失压于摩擦片，(结构中也可以是由电机及齿轮或离合器等构造来解除锁定)，由于惯性的原因，轮毂与轮毂轴之间将出现滑差(实际上当摩擦片压紧装置减弱对摩擦片的压力或动力电机解除锁死状态或动力电机主动驱动或被动进入阻尼状态或使用的电磁离合器处于“离”状态时都可进入滑差状态)；与叶片刚性固定在一起的叶片曲轴端部的滑块会在转动的(轮毂轴)滑道中滑动；曲线走向的滑道将使曲轴带动叶片相对于轮毂转动(绕叶片自转轴)；采取重新压紧摩擦片(或对动力电机在进入锁死状态或动力电机等)，可控制滑差的大小，可得到叶片的所需(自转)角度；其特征就在于；输出动力的轮毂轴与轮毂之间可相对转动(即滑差)；而且该相对转动(滑差)是通过装置在轮毂轴及轮毂以及叶片上的滑块(或滑槽)(或齿轮系统)来转变成叶片相对于轮毂的转动(自转：即变浆矩)；轮毂与轮毂轴之间的(转动)力矩的传递可以使用摩擦片传递，也可以使用动力电机(在有滑差过程中也可兼作电磁阻尼器，回收部分电能；传动动力时电机处于锁死状态)结合齿轮的方式传递，或用电磁离合器(及液体离合器)传递方式。
2.双机(或双转子)发电机偏航技术；由叶片轮毂组件、轮毂轴、偏航转轴、2向节、轮毂轴齿轮、偏航转轴齿轮、行星轮、整流罩、发电机(或双转子发电机)、偏航转轴轴孔、联轴套管、轮毂轴轴孔、基座等组成；基本工作原理为：当地面上的水平流动的风驱动叶片使轮毂轴转动，2向节的功能是即能使贯穿自身的轮毂轴自由转动又能支撑偏航转轴(适当改变结构，整流罩也能起到2向节的功能)转动，轮毂轴齿轮将分别驱动偏航转轴齿轮转动(偏航转轴齿轮21及16是由(多层)联轴套管刚性连接，各层偏航转轴及套管都可自由转动，偏航转轴齿轮8可绕该套管自由转动)，最终传到行星轮上带动发电机发电；偏航功能即可由方向舵实现，又可以由双电机的控载比例来实现(改变2电机的负载(电流输出)比例可产生不同方及大小的剩余力矩，使偏航转轴转动)；另外；也可以使用双转子电机，双转子电机的2个转轴共轴，相向转动，共同与1个固定的筒相互回转，线圈绕组可放置在该固定筒上，其特征就在于：结构中使用了2向节(或3向节)作为轮毂轴及偏航转轴的承载部件；即可使用方向舵完成偏航，也可以用双发电机(或双转子发电机)偏航(主/副绕组适配)方式或附加偏航驱动电机也或是再在发电机上并联小的发电机(的附加阻或阻尼失衡方式)来实现偏航功能。
3.一种使用滑/双技术的风力发电机；由叶片轮毂组件、轮毂轴、整流罩(内含动力及偏航机构)、双发电机(或双转子发电机)、联轴套管、基座及塔架等组成；其特征就在于；使用了滑差式变浆矩技术或双机(转子)偏航技术或2者兼用之或是2者(本文献中的滑/双技术)都未采用的；轮毂的数量可以是1个也可以是2个(放置于塔架的两侧2轮毂轴相对放置；叶轮的转动方向可以相同也可以相反)。
4.如权力要求2所述技术；其特征就在于所述的电机绕组(主/副绕组适配方式)是指：发电机绕组可分为主绕组及多副绕组；主绕组承担发电机的主要功率，副绕组承担小量功率且可多组；偏航时通过接通或断开2电机(或双转子发电机的2独立发电转子绕组)的(部分)副绕组来改变2电机(或双转子发电机的2独立发电转子绕组)功率分配，也就改变了2电机轴(或双转子发电机的2独立发电转子轴)的力矩大小；使行星齿轮绕偏航转轴转动。
5.如权利要求2及所述技术，其特征就在于所述的阻尼失衡式是指：改变2电机(或双转子发电机)的(分流或加载)阻尼情况，就改变了2电机的阻尼力矩，而是偏航转轴就产生额外的力矩输出，进行偏航转动(方向及大小可人为控制)；也可以采取附加电磁阻尼的方式，就是在2电机或双转子发电机的2轴上并联(用皮带或齿轮)阻尼器，控制并改变阻尼来实现阻尼失衡。
6.如权利要求2及所述技术，其特征就在于所述2向节是指：承载2个以上的多轴(或轴孔)(叶片轴及偏航转轴)部件，且叶片轴可自由转动；3向节的特征除多出1个叶片轴外与2向节完全相同，2个叶片轴仍垂直于偏航转轴。
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