CN102418774B - 紧凑式齿轮传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及紧凑式齿轮传动系统，具体而言，提供了用于一种风力涡轮机的传动系统。该风力涡轮机包括转子轮毂和一个或更多叶片。该传动系统包括连接至转子轮毂的第一级齿轮架。该第一级齿轮架包括与固定的第一级环形齿轮和旋转的第一级太阳齿轮互相作用的一个或更多第一级行星齿轮。第二级行星齿轮架包括一个或更多第二级行星齿轮。第二级行星齿轮架刚性地连接至第一级太阳齿轮。第二级行星齿轮与旋转的第二级环形齿轮和不旋转的第二级太阳齿轮相互作用。发电机包括发电机转子和发电机定子，且发电机转子固定地连接至第二级环形齿轮，使得发电机转子和第二级环形齿轮两者一同旋转。

Description

紧凑式齿轮传动系统
技术领域
在文中描述的装置总体涉及紧凑式传动系统。更具体地，该装置涉及用于风力涡轮机的紧凑式齿轮传动系统。
背景技术
近来，作为在环境安全且相对便宜的备选能源，风力涡轮机已经获得了增加的关注。风力涡轮机不排放温室气体(GHGs)，且因而不促成全球变暖。随着对风力发电增长的兴趣，已经做出了相当大的努力以开发可靠且高效的风力涡轮机。
风常被认为是太阳能的一种形式，其由太阳对大气的不一致的加热、地球表面的不规则性和地球的旋转导致。风流型由地球的地形、水体和植被改变。用语“风能”或“风力”描述了一种过程，通过该过程，风被用来转动轴且随后产生机械功率或电力。
典型地，风力涡轮机被用来将风中的动能转换成机械功率。该机械功率可被用于具体的任务(例如碾磨谷物或泵水)，或者发电机可将该机械功率(即轴的旋转)转换成电力。风力涡轮机通常包括空气动力学机构(例如，叶片)，用于将空气的移动转换成机械运动(例如，旋转)，其然后用发电机转换成电功率。来自发电机的功率输出与风速的立方成比例。当风速增倍时，风力发电机的容量增加几乎八倍。
大多数商业上可获得的风力涡轮机利用齿轮传动系统将涡轮机叶片连接至电力发电机。风转动涡轮机叶片，涡轮机叶片使低速轴转动，低速轴馈入具有更高速度的输出轴的齿轮箱。该更高速度的输出轴连接至发电机且产生电力。齿轮传动目的在于增加机械运动的速度。
用于大型(例如＞1.5MW)风力涡轮机的工业标准传动系统由分离的齿轮箱和发电机单元组成，它们单独地安装至主框架(通常也被称为底框或底板)。功率经由柔性“高速”联轴器从齿轮箱被传递至发电机。该装置迫使齿轮箱和发电机物理上彼此远离，并且要求齿轮箱的输出轴和发电机的输入轴两者需相应地由齿轮箱轴承和发电机轴承单独支承。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种用于风力涡轮机的传动系统。该风力涡轮机包括转子轮毂和一个或更多叶片。该传动系统包括连接至转子轮毂的第一级齿轮架。该第一级齿轮架包括与固定的第一级环形齿轮和旋转的第一级太阳齿轮互相作用的一个或更多第一级行星齿轮。第二级行星齿轮架包括一个或更多第二级行星齿轮。第二级行星齿轮架刚性地连接至第一级太阳齿轮。第二级行星齿轮与旋转的第二级环形齿轮和不旋转的第二级太阳齿轮相互作用。发电机包括发电机转子和发电机定子，且发电机转子固定地连接至第二级环形齿轮，使得发电机转子和第二级环形齿轮两者一同旋转。
在本发明的另一个方面，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括塔架、由塔架支承的机舱、具有一个或更多叶片和传动系统的转子轮毂。传动系统包括连接至转子轮毂的第一级齿轮架。该第一级齿轮架包括与固定的第一级环形齿轮和旋转的第一级太阳齿轮互相作用的一个或更多第一级行星齿轮。第二级行星齿轮架包括一个或更多第二级行星齿轮。第二级行星齿轮架刚性地连接至第一级太阳齿轮。第二级行星齿轮与旋转的第二级环形齿轮和不旋转的第二级太阳齿轮相互作用。发电机包括发电机转子和发电机定子，且发电机转子固定地连接至第二级环形齿轮，使得发电机转子和第二级环形齿轮两者一同旋转。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的透视性图示；
图2是可被用于图1的风力涡轮机中的传动系统的一个实施例的局部剖视的透视性图示；
图3是根据本发明的一个方面的可被用于图1的风力涡轮机的传动系统的透视性图示；以及
图4是根据本发明的一个方面的可被用于图1的风力涡轮机的传动系统的透视性图示。
零部件列表
100 风力涡轮机
110 塔架
120 机舱
130 叶片
140 轮毂
210 低速轴
215 轴承
220 轮毂凸缘安装件
230 联轴器
240 行星齿轮架
242 行星齿轮
244 行星小齿轮
246 环形齿轮
248 齿轮箱壳体
250 太阳齿轮
260 发电机
262 定子
264 发电机转子
266 轴承
300 传动系统
302 齿轮箱
304 发电机
306 齿轮架
308 轴承
310 行星齿轮
312 固定的环形齿轮
314 第一级太阳齿轮
320 第二级行星齿轮
322 第二级环形齿轮
324 第二级太阳齿轮
326 第二级行星齿轮架
328 滚子轴承
330 发电机转子
335 定子
420 壳体
430 壳体
440 壳体
450 壳体
具体实施方式
图1中图示了水平轴风力涡轮机(HAWT)100。该风力涡轮机100可包括大致管状的塔架110，其可由钢、混凝土或它们的组合制成。塔架110可通过将多个塔架节段堆叠在彼此的顶上而竖立。塔架110支承机舱120、叶片130和轮毂140的重量。塔架还可是格架(或桁架)类型，且塔架可备选地由混凝土或混凝土部段形成。机舱120典型地容纳传动系统(例如，齿轮箱、轴、联轴器、发电机等)，以及主框架(也被称为底板)和偏航驱动器。例如控制电子装置的其它项目也可被容纳在机舱120内。典型地，机舱120具有由例如玻璃纤维或石墨复合材料的轻量材料组成的外蒙皮。机舱蒙皮的主要功能是保护容纳物免于自然环境(例如，雨、冰、雪等)影响。
叶片130连接至轮毂140，且轮毂可包含桨距控制机构以控制各个叶片的桨距角。典型地，在大多数商业风力涡轮机中使用三个叶片，然而，也可使用一个、两个、四个或更多的叶片。通过转动低速轴，叶片将风的动能转换成机械能。叶片可由玻璃纤维或石墨复合材料、玻璃纤维增强塑料或木质/环氧树脂层压板或其它合适材料制成。低速轴典型地通过螺栓连接的凸缘联轴器连接至轮毂140。
发电机被用于将轴的旋转转换成电能。齿轮箱典型地被用于增加至发电机的输入轴的速度。齿轮箱具有低速轴作为其输入，而输出是更高速度的轴，其根据本发明的多个方面，可直接馈入发电机。
图2图示了一个已知的传动系统，其包括复合的行星齿轮箱和发电机。低速轴210由两个单独且轴向隔开的主轴承215支承。低速轴210经由轮毂凸缘安装件220连接至轮毂140和风力涡轮机100的叶片130。因此，低速轴210由风旋转叶片130而驱动。该低速轴210通过扭矩传递联轴器230连接至行星齿轮架240。行星齿轮架240支承行星齿轮242和行星小齿轮244，它们共享公共轴。环形齿轮246固定地附接至齿轮箱壳体248且与行星小齿轮244啮合。太阳齿轮250由行星齿轮242驱动，且太阳齿轮250的输出直接馈入发电机260。
发电机260具有定子262和转子264。转子264由转子轴承266支承，转子轴承266被包围在发电机260内。该设计的一个缺点是转子轴承266与齿轮箱隔离。如果需要接近转子轴承，则必须移去整个发电机260。在遥远位置处安装的风力涡轮机上，这会是非常耗时且劳动密集的过程。
图3图示了根据本发明的多个方面的紧凑式齿轮传动系统300的横截面视图。具有两个级的行星齿轮箱302与发电机304联接，导致具有紧凑尺寸和低重量的传动系统。齿轮箱302包括轮毂连接件和齿轮架306。转子轮毂140连接至齿轮架306。该齿轮架306还支承行星齿轮轴承308和第一级行星齿轮310。该行星齿轮轴承308可以是滚子轴承，或如在具体应用中所需的任何其它合适的轴承。行星齿轮310与固定的环形齿轮312和旋转的第一级太阳齿轮314互相作用。
第一级太阳齿轮314连接至并驱动第二级行星齿轮架326。第二级行星齿轮320围绕固定的(即不旋转的)第二级太阳齿轮324旋转。该行星齿轮320充当惰轮。第二级环形齿轮322构造成浮动装置且促进发电机304的转子330联接至环形齿轮322。第二级环形齿轮322可由一对滚子轴承328支承，且联接至发电机转子330。在一些应用中，滚子轴承328可以是圆锥滚子轴承。定子335可连接至发电机壳体。在该构造中，由于它们固定或刚性地连接在一起，第二级环形齿轮322驱动发电机转子330。
齿轮架326可联接至制动组件340。由于第二级的太阳齿轮轴325是固定的，齿轮架326可通过制动组件340停止。鼓式制动器、闸瓦制动器或钳式制动器可被用于制动组件340。相比现有已知的传动系统，该装置将减少传动系统的总尺寸且将提供更多的紧凑性。
图4图示了用于紧凑式齿轮传动系统300的壳体元件的透视图。第一级环形齿轮312形成了其自身的外壳且被连接至第一级罩盖或壳体420。第一级壳体420连接至第二级壳体430，第二级壳体430又连接至发电机壳体440。制动组件壳体450连接至发电机壳体440。
一个优选的发电机300型是PM同步发电机，但也可使用感应发电机、绕线磁场同步发电机或双馈异步发电机。已经描述了使用单个发电机的风力涡轮机，但应理解的是也可与通过对齿轮箱的修改而使用多个发电机。
尽管在文中描述了各种实施例，但从说明书应理解的是可做出在其中的元件的各种组合、变型或改进，且处在本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种用于风力涡轮机的传动系统，所述风力涡轮机(100)包括转子轮毂(140)和一个或更多叶片(130)，所述传动系统包括：
第一级齿轮架(306)，其连接至所述转子轮毂，所述第一级齿轮架包括一个或更多第一级行星齿轮(310)，所述一个或更多第一级行星齿轮与固定的第一级环形齿轮(312)和转动的第一级太阳齿轮(314)互相作用；
第二级行星齿轮架(326)，其包括一个或更多第二级行星齿轮(320)，所述第二级行星齿轮架刚性地连接至所述第一级太阳齿轮(314)，所述一个或更多第二级行星齿轮(320)与旋转的第二级环形齿轮(322)和不旋转的第二级太阳齿轮(324)相互作用；
发电机(304)，包括发电机转子(330)和发电机定子(335)，所述发电机转子(330)固定地连接至所述第二级环形齿轮(322)，使得所述发电机转子和所述第二级环形齿轮两者一同旋转。
2.根据权利要求1所述的传动系统，其特征在于，所述传动系统还包括介于所述第一级齿轮架和所述一个或更多第一级行星齿轮之间的一个或更多轴承(308)。
3.根据权利要求2所述的传动系统，其特征在于，所述一个或更多轴承(308)是滚子轴承。
4.根据权利要求1所述的传动系统，其特征在于，所述传动系统还包括构造成与所述第二级行星齿轮架(326)互相作用的制动组件(340)。
5.根据权利要求1所述的传动系统，其特征在于，所述第一级环形齿轮(312)形成用于所述传动系统的外部壳体的一部分。
6.根据权利要求5所述的传动系统，其特征在于，所述传动系统还包括连接至所述第一级环形齿轮的第一级壳体(420)。
7.根据权利要求6所述的传动系统，其特征在于，所述传动系统还包括连接至所述第一级壳体的第二级壳体(430)。
8.根据权利要求7所述的传动系统，其特征在于，所述传动系统还包括连接至所述第二级壳体的发电机壳体(440)。
9.根据权利要求8所述的传动系统，其特征在于，所述传动系统还包括连接至所述发电机壳体的制动组件壳体(450)。
10.根据权利要求1所述的传动系统，其特征在于，所述传动系统还包括支承所述第二级环形齿轮的一个或更多滚子轴承(328)。
11.根据权利要求10所述的传动系统，其特征在于，所述一个或更多滚子轴承是圆锥滚子轴承。
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