CN102439992A - 在经受旋转的物体之间传输数据的装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于在经受旋转的物体之间传输数据的装置。所提到的物体可以是风力涡轮机部件(例如风力涡轮机驱动轴)以及风力涡轮机的静止部件(例如机舱齿轮箱)。数据或控制信号可由此在旋转元件(例如风力涡轮机叶片)与机舱中的设备之间传输。装置包括相邻并且彼此相对设置的两个元件，并且在相对表面上设置有多个电路径。闭合的电路径不围绕着旋转轴线。至少一个环路被施加载波高频振动信号，从而生成穿过相对元件上的环路的通量。载波频率的调制允许信号在元件之间传输。

Description

在经受旋转的物体之间传输数据的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在经受相对彼此旋转的两个物体之间传输数据的装置，并且尤其涉及用于风力涡轮机的这种装置。
背景技术
风力涡轮机包括多个部件，所述部件必须旋转从而完成它们的功能。这些部件中最受关注的是转子叶片和驱动轴(以及可选的传动链)，它们从风力中提取动能并且将动能转变为发电机的运动，以便产生电力。
风力涡轮机示意性示出在现在将要参考的图1中。图1显示出包括风力涡轮机塔架2的风力涡轮机1，风力涡轮机机舱3安装在风力涡轮机塔架2上。包括至少一个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4安装在轮毂6上。轮毂6通过低速轴(未示出)连接到机舱3，该低速轴从机舱前部伸出。图1中所示的风力涡轮机可以是用于家用或者轻型用途的小型样式，或者可以是大型样式，例如适合用于在风电场大规模发电的风力涡轮机。在后一种情况下，转子直径可大到120米或者更大。
图2显示了机舱3内部的示例的示意图。由主轴承11支承的主驱动轴7从轮毂6延伸并且被接收在齿轮箱8中。副轴9从齿轮箱8延伸并且延伸到发电机10中。机舱3还可包括变流器、变压器12、以及辅助装置，例如控制装置、传感器、加热及照明单元、液压系统、冷却系统等等。
在许多现代的风力涡轮机中，转子叶片5装备有传感器，用于监测转子叶片性能。这种传感器可检测到应变、闪电、温度、空气湍流、振动、或者噪声，这里列举少数示例。更多种类的传感器正在使用。
每个传感器都必须接收控制信号和能量以进行工作，并且能够将数据传回到中央处理器或者读取装置。如果传感器容纳在风力涡轮机机舱3中的话这将是简单的，但是由于传感器在叶片中的位置这会带来挑战，所述叶片是相对于风力涡轮机和机舱进行旋转的参考系。尽管动力源和简单的控制器能够被定位在转子轮毂中并且与随着转子叶片旋转，仍然需要将数据从旋转轮毂6的参考系传输到机舱3的参考系。
将数据从旋转装置传输到非旋转装置的已知方法被用在ARCNET系统中并且基于相反电路环中的电磁感应。
ARCNET系统包括圆形旋转盘的相对设置，一个盘安装在驱动轴上，以及另一个盘安装在齿轮箱外壳中的静止元件上。在ARCNET中，每个盘都支承单个圆形电路环，所述电路环围绕着一个盘上的中心圆形开口同轴地设置。信号传输系统产生DC信号脉冲从而在两个环中产生通量并且将信息从一个盘传输到另一个盘。通过ARCNET，可以达到2Mb/s到10Mb/s之间的数据速率。对于必须从叶片上传感器传输的数据而言，这个能力能够被很快被超出。
发明人由此得出需要一种改进的系统和方法，用于在轮毂和机舱之间传输数据。
发明内容
根据发明一个方面的优选实施例，信号装置被设置用于在风力涡轮机两个部件之间传输电信号，所述两个部件在运行时经受相对彼此的旋转。所述信号装置包括：用于连接到所述风力涡轮机的相应第一和第二部件的第一和第二元件，所述第一元件和所述第二元件具有至少间断相对的表面、并且经受绕着垂直于所述相对的表面的旋转轴线相对彼此的相对旋转；在所述相对的表面的每个上安装在位的一个或多个电路径，由于所述相对旋转，所述电路径在旋转期间至少部分地相互对应，其中，在运行时所述电路径被施加能量以产生穿过所述第一和第二元件上的所述电路径的通量；其中，所述旋转轴线位于所述电路径的外侧，使得至少一个元件的所述电路径绕着所述旋转轴线沿轨道旋转。
由于电路径不环绕中心旋转轴线，因此它们能够被制成更小，提高了对于给定电流强度的通量密度以及信号传输的效率。同时，当环路被电信号施能时所产生的通量能够穿过对应的相对环路，而不会被中心轴线所阻挡。
在一个实施例中，所述旋转轴线相对至少一个元件的中心偏移，使得当旋转导致一个元件与另一个元件位置对应时所述第一元件和所述第二元件的所述相对的表面间断地相互相对。这允许信号装置能够根据需要而在风力涡轮机内的不同空间设定下使用。
在另一个实施例中，所述旋转轴线被定位在所述第一元件和所述第二元件中的至少一个的中心。这允许旋转元件的重量在轴线周围均匀地分配，并且降低机械部件上的机械磨损和破裂。
路径可被电信号传输器和/或电信号接收器所封闭。这样意味着电连接能够被简化，并且接收器和传输器可以是简化的设计。
优选地，电信号传输器将振动载波信号施加到电路径中的至少一个上。这样产生了穿过相对元件的闭合路径的持续通量并且意味着信号可以通过适当的调制方案而被承载。在优选方案中，数字信号可通过改变振动信号的符号或者相位来表示。
在一些实施例中，一个风力涡轮机部件是静止的，例如齿轮箱，以及第一元件安装在齿轮箱上。这个位置对于从旋转叶片轮毂接收信号是有利的，原因是齿轮箱通常处于传动链中的首位。
另一个风力涡轮机部件可以是旋转轴以及第二元件被安装成随着旋转轴旋转。在特定实施例中，第一和第二元件的相对表面均具有中心孔，用于接收它们经受相对旋转时所围绕的轴。第一和第二元件可进一步是绕着旋转轴旋转对称，这便于旋转元件的稳定旋转，并且意味着旋转和非旋转元件可彼此互换以便维护和维修。
在一个实施例中，封闭的电路径包括多个环路，所述多个环路以到所述旋转轴线相同的径向距离布置。这些环路优选用于允许信息双向传输的半双工传输方案。此外，封闭的电路径可包括多个第二环路，所述多个第二环路以到所述旋转轴线不同的径向距离布置。这提供了用于在全双工方案中双向传输的传输和接收环路。
在部分实施例中，所述电路径是具有长侧边和短侧边的环路，其中，所述长侧边是同心圆形区段，以及所述短侧边连接所述同心圆形区段。这种环路是使在传输与接收元件之间穿过的通量达到最大的一种示例性形状。
在本发明的另一方面，提供一种风力涡轮机。在一些实施例中，风力涡轮机包括根据前面所述信号装置实施例中一个或任一组合的信号装置。
附图说明
通过示例以及参考附图，本发明的优选实施例将会更详细地描述。
图1是风力涡轮机的示意性图示；
图2更详细地显示了风力涡轮机驱动轴和传动链；
图3是本发明优选示例的侧视图；
图4显示了图3中所示的传输和接收盘的优选布置；
图5更详细地显示了传输和接收盘上的电路布置；
图6是本发明可选示例的端部正视图；以及
图7是本发明另一个可选示例的端部正视图。
具体实施方式
下面通过示例说明用于在经受旋转的物体之间传输数据的装置。提到的物体可以是风力涡轮机部件，诸如风力涡轮机驱动轴和风力涡轮机的静止部件(例如机舱齿轮箱)。数据或控制信号能够由此在旋转元件(例如风力涡轮机叶片)与机舱中的设备之间传输。该装置包括两个元件，它们彼此相邻且相对地设置，并且在相对表面上设置有多个闭合的电路径。闭合的电路径不围绕旋转轴线，并且由此随着元件沿轨道旋转。至少一个环路被施加载波高频振动信号，以产生穿过相对元件上环路的通量。载波频率的调制允许信号在元件之间传输。
下面参考图3和4进一步详细描述本发明的优选示例。
图3是第一个优选示例的侧视图，其中第一圆盘21和第二圆盘22被设置成彼此紧密靠近，优选地仅仅分开几个毫米，一个圆盘在另一个圆盘前方并且相对于旋转轴线23同轴地对齐。图4显示了从前方观察时盘21和22的相对表面。在图4中，每个表面上的单独电路径被分别标识为A1、A2、A3、A4以及B1、B2、B3和B4。
如图3中所示，第一盘连接到旋转部或轴24，其可以是风力涡轮机的主轴7。连接在图3中显示通过紧固套环25实现，尽管可以理解的是用于将圆盘21连接到旋转轴24的任意适当装置能够被采用并且对于普通技术人员而言是显而易见的。具体地，轴7和圆盘21可以是单个整体形成的部件。
另一个盘22安装到机器的静止部分26、例如齿轮箱8的外壳，并且具有中心同轴孔27，用于接收轴，该轴由此穿过盘22。安装可以通过螺栓或者其它合适的紧固件28。当轴24被其它装置(未示出、例如但不局限于转子轮毂6)转动时，圆盘21由此随着轴24旋转。当轴旋转时，第一盘21相对于第二静止盘22旋转。
第一圆盘21和第二圆盘22在它们的表面上都承载一个或多个电路29，当圆盘旋转时，所述线路与另一个盘上的相对线路形成对应或脱离对应。圆盘可包括形成有电路的印刷电路板(PCB)，或者可选择地电路可被制造并且通过任一其它适当方法(例如粘结)连接到圆盘。电力导线或引线(未示出)将电路连接到其它的电力装置，例如与传感器线路相连接的数据处理器。对于圆盘21，电力引线可沿着轴7的长度连接，从而随着轴、轮毂和转子叶片旋转。
下面参考图5，该图5更详细地显示了各个盘21和22上电路29的优选布置。电路29优选地包括围绕着圆盘外围设置的导电材料的一个或多个环路30。在所示示例中，有四个分开的环路30，每个环路都延伸圆周的四分之一，并且基本上在圆周方向上比径向方向上更长。尽管图5中所示的环路基本上是长方形，包括两条相对于圆盘的边缘同心并且周向延伸的路径，以及较短的、起连接作用的径向路径，但是环路的其它形状和位置在替换性实施例中也是可行的。下面将进一步详细描述。在一个实施例(下面描述)中，环路可包括插入到环路中、作为线路一部分的传输器/接收器31，该传输器/接收器31用于引出信号(传输侧)或者检测穿过环路的电压降(接收侧)。
在优选示例中，盘21和22上环路的图案是对称的，并且这些盘被设置成彼此同轴从而使得一个盘21上被环路30包围的区域与另一个盘22上的对应环路相对。
下面进一步详细说明传输方案的操作。在这个示例中，假定传感器信号从图3中最左侧盘21传输到最右侧盘22。为了传输传感器信号，盘21上的环路30被供应交流电流。这产生了通量，该通量穿过了传输盘上主动施能的环路30以及相对盘上的环路，通过电力感应向它们施加类似的交流电流。该交流电流充当载波信号，传感器信号能够在该载波信号上被调制。
在优选示例中，高频交流电流的相位被调制，从而承载数据位。特别地，调制信号的相位或符号的改变被用于引起穿过该系统的接收器侧上的环路的通量的变化。这将会导致在接收器环路30中流动的电流与信号相关的改变，这又能够被适当的接收器电路探测并且转换成代表初始信号的数字电压水平。随着通量旋转的环路30之间的间隙将会导致被探测到的信号轻微的周期性波动，这种波动容易被调节。
多种相位调制信号传输方案是公知的，并且在这里不再详细描述。由于该系统不能传输直流电流，因此使用的协议必须确保没有过多的“1”或“0”彼此跟随。
通过旋转盘21和22的信号传输是双向的，进入或者离开机舱，这取决于盘21或22中哪一个上的环路被主动施加电流，以及哪一个盘上的环路由通量感应地被施加电流。还可以根据半双工方案进行传输，其中传输方向以及由此其上环路被主动施加电流的盘会周期性地改变。周期可仅仅是盘21的小的转数。如果需要两个方向的全双工传输，那么第二组环路可被设置成与第一组环路同心，从而在相反方向上传输。
在一个实施例中，参考图4进行理解，同一盘上的两个环路可被用于承载不同的信号。在这个示例中，环路A1到A4被认为是传输环路，以及环路B1到B4被认为是接收环路。例如，如果环路A1和A3被用于承载两个不同的信号，那么随后当这些盘面对面时，来自于环路A1的通量将会不同程度地被环路B1和B2所接收，以及来自于环路A3的通量将会被环路B3和B4所接收。由于盘21和22相对彼此转动，来自于环路A1和A3的信号将会随后被其它环路所接收。
通过在各个环路B1、B2、B3和B4中安装探测器来探测哪个信号被接收，以及与其它环路相比的接收信号强度，接收器侧能够在两个信号之间进行辨别，并且确定哪个环路给出了最适合的信号强度。
可替地，两个环路的相对旋转定位可使用位置传感器进行确定，例如感应或者光学传感器，其允许接收器侧的控制逻辑从接收的信号中选择期望的信号。
尽管在这个示例中环路A1到A4已经描述成传输环路，以及环路B1到B4作为接收环路，但是相反的布置也是可行的，诸如其中每个盘上的一个环路传输信号、同时其它可用环路接收信号的布置。
在简单的实施例中，传输器/接收器31以物理方式插入到环路中，作为电路的一部分，用于引出信号(传输侧)或者探测到穿过环路的电压降(接收侧)。然而在实际当中，接收器和传输器电路可同样被定位在盘的外部，并且适当的信号通过绝缘导线承载到电路29。
为了加强盘21与22之间的耦合，铁素体或类似材料可在替换性示例中设置到盘21和22上，位于每个环路30内。
在上述示例中，所示的电路径的形状是与圆盘边缘同心的。这是有利的，原因是通过确保环路的边界沿循着旋转运动，可以确保一个盘的路径与另一个盘的路径之间的良好对应，从而允许环路之间通量的最优穿过。然而，其它环路形状也是可行的，例如环境希望的圆形环路。如上面所指出，第二组电路环路还可被设置在盘上，用于全双工、双向传输。
可以根据期望设置任意数目的电路径。每圈四个路径是优选的，原因是它们提供覆盖范围的完整旋转周期，而不会过大。较大的环路会遭受较小的通量密度并且这会降低数据传输率。
此外，在所述优选实施例中，盘是圆形的并且被设置成彼此同轴地旋转。这是有利的，原因是这意味着盘的重量绕着旋转轴线均匀分配，以及旋转由此更加稳定。这还意味着一个盘的表面连续地与另一个盘相对，以及多个不同的电路29可以被包含在完整的360度旋转周期中。
旋转盘的其它形状或配置同样可行。首先，在实际当中只有一个盘实际旋转而另一盘将是静止的。在这种情况下，假定静止盘的电路布置与旋转盘的电路布置的布局和尺寸相对应，静止盘的形状是不重要的。
此外，两个盘并非绝对必须设置成彼此同轴。由于其它约束和需要，可以优选地将一个盘的电路设置到旋转轴线的一侧，如图6中所示。也并非旋转盘必须安装到旋转的风力涡轮机部件的中心处。盘可以为细长形状，并且安装成在一个边缘、端部或者边角旋转，例如图7中。如果电路随之设置在盘的相对端部，那么它们将会仅仅在短的旋转期间内与另一个盘的电路形成感应对应。
已经发现，所提出的方案对现有方案做出了明显的改进，并且能够传输数据速率超过100Mb/s。ARCNET方案的改进例如可以归因于高频交流电流，其导致环路30被恒定施加电流。此外，由环路30环绕的区域相比它们被围着轴或者孔以及环绕所述轴或孔设置更小，所述孔被设置用于接收所述轴。通量由此更容易集中并且能够更容易响应改变。此外在现有技术ARCNET示例中，轴处于通量场中并且由此具有阻尼效应，如果环路向着盘的外围设置的话这会得以避免。
在上述描述中，盘21和22安装到其上的风力涡轮机两个部件是齿轮箱和旋转驱动轴。然而可以理解的是，本发明可用于风力涡轮机中的需要在两个旋转部件之间传输信号的任意位置。一个示例是偏航驱动，其中可能旋转的塔架机舱3被支承在塔架上。
对于普通技术人员而言，可以在权利要求范围内进行其它改变和改进。

Claims (15)

1.一种用于在风力涡轮机两个部件之间传输电信号的信号装置，所述两个部件在运行时经受相对彼此的旋转，所述信号装置包括：
用于连接到所述风力涡轮机的相应第一和第二部件的第一和第二元件，所述第一元件和所述第二元件具有至少间断相对的表面、并且经受绕着垂直于所述相对的表面的旋转轴线相对彼此的相对旋转；
在所述相对的表面的每个上安装在位的一个或多个电路径，由于所述相对旋转，所述电路径在旋转期间至少部分地相互对应，其中，在运行时所述电路径被施加能量以产生穿过所述第一和第二元件上的所述电路径的通量；
其中，所述旋转轴线位于所述电路径的外侧，使得至少一个元件的所述电路径绕着所述旋转轴线沿轨道旋转。
2.如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述旋转轴线相对至少一个元件的中心偏移，使得当旋转导致一个元件与另一个元件位置对应时所述第一元件和所述第二元件的所述相对的表面间断地相互相对。
3.如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述旋转轴线被定位在所述第一元件和所述第二元件中的至少一个的中心。
4.如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述电路径通过电信号传输器和/或电信号接收器而闭合。
5.如权利要求4所述的信号装置，其特征在于，所述电信号传输器将振动载波信号施加到所述电路径中的至少一个上。
6.如权利要求5所述的信号装置，其特征在于，数字信号通过改变所述振动载波信号的符号或相位来表示。
7.如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述风力涡轮机两个部件中的一个是静止的。
8.如权利要求7所述的信号装置，其特征在于，静止的一个风力涡轮机部件是齿轮箱，并且所述第一元件安装在所述齿轮箱上。
9.如权利要求8所述的信号装置，其特征在于，另一个风力涡轮机部件是旋转轴，并且所述第二元件被安装成随着所述旋转轴旋转。
10.如权利要求1所述的信号装置，其特征在于，所述风力涡轮机两个部件中的一个是旋转轴，所述第一元件和所述第二元件的所述相对的表面具有用于接收所述旋转轴的中心孔，所述第一元件和所述第二元件经受绕着所述旋转轴的相对旋转。
11.如权利要求10所述的信号装置，其特征在于，所述第一元件和所述第二元件绕着所述旋转轴旋转对称。
12.如权利要求10所述的信号装置，其特征在于，所述电路径包括多个环路，所述多个环路以到所述旋转轴线相同的径向距离布置。
13.如权利要求12所述的信号装置，其特征在于，所述电路径包括多个第二环路，所述多个第二环路以到所述旋转轴线不同的径向距离布置。
14.如前述任一权利要求所述的信号装置，其特征在于，所述电路径是具有长侧边和短侧边的环路，其中，所述长侧边是同心圆形区段，以及所述短侧边连接所述同心圆形区段。
15.一种风力涡轮机，包括如前述任一权利要求所述的信号装置。
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