CN102562449A - 中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，该系统包括有驱动电机、螺纹副、拔叉、拔叉支撑、导轴套、轴承、变桨滑槽机构和曲柄滑块机构，螺纹副将驱动电机输出的旋转运动转换成沿螺纹副轴线的直线运动，螺纹副与拔叉的上端相连，拔叉的下端与轴承的外圈相连，拔叉的中部与固定的拔叉支撑通过第二销轴相连，其中导轴套套接在风力发电机主轴上，变桨滑块机构与导轴套固定连接，变桨滑块机构包括若干个滑槽，曲柄滑块机构包括有若干个曲柄滑块，滑块安装在滑槽内。该系统以电机驱动代替了液压驱动，使得响应速度快、环境适应能力强、成本低，且在机械执行单元的协同作用下，桨距变换过程中的各个叶片的桨距角始终保持一致。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种用于中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统。
背景技术
现有技术中的用于中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统主要为液压变桨距机构。而液压变桨距机构普遍存在有响应速度慢、结构复杂的缺陷；并且由于采用了液压油作为传递动力的介质，受到液压油黏温特性的影响，液压变桨距机构的环境适应能力差，对于在不同纬度使用的风力发电机，还需要增加加热或冷却装置。
发明内容
本发明提供一种中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，该系统包括驱动电机和被驱动电机驱动的各个机械执行单元，该系统以电机驱动代替了液压驱动，使得响应速度快、环境适应能力强、成本低，且在机械执行单元的协同作用下，桨距变换过程中的各个叶片的桨距角始终保持一致。
技术方案：
一种中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，所述风力发电机包括叶片、风力发电机主轴和发电机，其特征在于，所述无级桨距变换系统包括有驱动电机、螺纹副、拔叉、拔叉支撑、导轴套、轴承、变桨滑槽机构和曲柄滑块机构，其中驱动电机与所述螺纹副的一端相连，所述螺纹副将驱动电机输出的旋转运动转换成沿螺纹副轴线的直线运动，所述螺纹副的轴线平行于所述风力发电机主轴的轴线，所述螺纹副的另一端与所述拔叉的上端通过垂直于所述螺纹副轴线的第一销轴相连，所述拔叉的下端与所述轴承的外圈相连，所述拔叉的中部与固定的拔叉支撑通过第二销轴相连，所述拔叉可绕所述第二销轴旋转，其中所述导轴套套接在风力发电机主轴上，且所述导轴套可随风力发电机主轴旋转并可沿风力发电机主轴轴向移动，所述轴承的内圈过盈安装在导轴套的外壁上，所述变桨滑块机构与所述导轴套固定连接，其中所述变桨滑块机构包括有以风力发电机主轴的中心轴线为中心而绕该中心均匀分布的对应于叶片数量的若干个滑槽，所述滑槽的槽道均垂直于风力发电机主轴的轴线，所述曲柄滑块机构包括有对应于叶片数量的若干个曲柄滑块，所述每个曲柄滑块包括有滑块和曲柄，所述滑块安装在滑槽内且可在滑槽内滑动，所述曲柄的近端与滑块通过销轴连接，所述曲柄的远端与叶片轴固定连接。
所述驱动电机和螺纹副位于所述发电机的上方。
所述螺纹副包括有带有外螺纹的输出轴、带有内螺纹的驱动轴套和固定的驱动轴套卡槽，所述输出轴与所述驱动电机相连且在所述驱动电机的驱动下旋转，所述驱动轴套后部的内螺纹与所述输出轴的外螺纹相配合，所述驱动轴套的前部穿过所述驱动轴套卡槽，所述驱动轴套前部的横截面为非圆形，所述驱动轴套卡槽的横截面与所述驱动轴套前部的横截面相适配使得驱动轴套在驱动轴套卡槽的约束下仅可沿螺纹副的轴向移动。
所述拔叉的上端为一对U型叉，所述第一销轴的凸出驱动轴套的两端分别位于两个U型叉内，所述驱动轴套的轴向移动可通过第一销轴和一对U型叉带动拔叉的上端绕所述第二销轴旋转，进而拔叉的下端通过轴承外圈带动所述轴承和导轴套在沿风力发电机主轴的方向上产生位移。
所述拔叉的下端上销接有一对卡槽，所述一对卡槽分布在所述轴承的左右两侧，所述卡槽的前、后侧面分别卡住所述轴承外圈的前端面和后端面。
所述导轴套和所述风力发电机主轴之间通过平键连接，所述平键与所述风力发电机主轴上的键槽等长，且所述平键过盈安装在所述风力发电机主轴的键槽内，所述导轴套的键槽长度小于所述风力发电机主轴的键槽长度，且所述导轴套的键槽与所述平键间隙配合。
所述风力发电机包括有三个叶片，所述变桨滑槽机构包括有三个滑槽，所述三个滑槽相连且呈正三角形框架结构；相应地，曲柄滑块机构包括有三个曲柄滑块。
所述三个滑槽两两之间设置有连接条，以形成一体的六边形框架结构的变桨滑槽机构。
所述导轴套的靠近变桨滑槽机构的一侧上设置有凸缘，所述凸缘与所述连接条之间固定连接。
所述风力发电机包括有两个叶片，所述变桨滑槽机构包括有两个滑槽，相应地，所述曲柄滑块机构包括有两个曲柄滑块；或所述风力发电机包括有四个叶片，所述变桨滑槽机构包括有四个滑槽，相应地，所述曲柄滑块机构包括有四个曲柄滑块。
所述轴承为双列角接触球轴承。
技术效果：
本发明提供一种中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，用于调节风力发电机的桨距。该无级桨距变换系统包括有驱动电机、螺纹副、拔叉、拔叉支撑、导轴套、轴承、变桨滑槽机构和曲柄滑块机构，当需要调节桨距时，驱动电机工作，螺纹副将驱动电机输出的旋转运动转换成沿螺纹副轴线的直线运动，螺纹副的另一端带动拔叉上端绕第一销轴旋转，此时拔叉的下端拨动轴承的外圈沿风力发电机主轴移动并带动导轴套和变桨滑槽机构沿轴向移动，各个滑槽通过滑块和曲柄将滑槽的轴向移动转换成绕叶片轴的转动，从而实现桨距变换功能，并能够保证在桨距变换过程中各个叶片的桨距角始终保持一致。
驱动电机和螺纹副设置在发电机的上方，以便于整体无级桨距变换系统的位置设计。
螺纹副包括输出轴和驱动轴套以及驱动轴套卡槽，由于驱动轴套前部的横截面为非圆形，驱动轴套卡槽的横截面与驱动轴套前部的横截面相适配，因此，驱动轴套在驱动轴套卡槽的约束下只能做轴向的移动，当输出轴和驱动轴套相对运动时，驱动轴套并不旋转而只沿轴向移动，以进而带动拔叉绕第一销轴旋转。
其中的拔叉的上端为一对U型叉，一对U型叉分别位于驱动轴套的左、右两侧，第一销轴的两端分别位于对应的U型叉内，驱动轴套前后移动时，第一销轴随之前后移动，第一销轴通过U型叉带动拔叉上端运动。
拔叉的下端上销接有一对卡槽，卡槽从左右两侧分别卡在轴承的外圈上，当卡槽随拔叉移动时，卡槽拨动轴承外圈，从而带动轴承、导轴套和变桨滑槽机构沿风力发电机主轴方向上产生位移，轴承为双列角接触球轴承，可沿轴向双向受力。
优选地，导轴套和风力发电机主轴之间通过平键连接，平键与风力发电机主轴上的键槽等长，导轴套的键槽长度小于风力发电机主轴的键槽长度，平键过盈安装在风力发电机主轴的键槽上，导轴套的键槽与平键之间间隙配合，使得导轴套在随风力发电机主轴旋转的同时还可以沿风力发电机主轴的轴向移动，同时风力发电机主轴的键槽的长度是由风力发电机的轮毂的轴套后端面和位于发电机前方的风力发电机主轴的轴肩限定的，该风力发电机主轴的键槽长度决定了导轴套的轴向运动范围，以避开机构运动死点。
当叶片为三个时，变桨滑槽机构可以为三个滑槽组成的整体正三角形框架结构，还可以是三个滑槽和三个连接条相间分布组成的六边形框架结构。其中，当变桨滑槽机构为六边形框架结构时，可以使变桨滑槽机构的机构结构变得紧凑、质量变得较小。
附图说明
图1为带有无级桨距变换系统的风力发电机的示意图；
图2为图1中的无级桨距变换系统的驱动轴套的前部的截面图；
图3为图1中的安装有滑块的变桨滑槽机构的示意图；
图4为图1中的拨叉和拨叉支撑的示意图。
图中各标号示例如下：
1-轮毂，2-曲柄滑块，2-1-滑块，2-2-曲柄，3-变桨滑槽机构，3-1-滑槽，4-叶片，4-1-叶片轴，5-导轴套，5-1-凸缘，6-轴承，6-1-内圈，6-2-外圈，7-拨叉支撑，7-1-第二销轴，8-拨叉，8-1-U型叉，8-2-卡槽，9-螺纹副，9-1-输出轴，9-2-驱动轴套，9-3驱动轴套卡槽，9-4-第一销轴，10-驱动电机，11-风力发电机主轴，12-发电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为带有无极桨距变换系统的风力发电机示意图。现有的风力发电机均包括有风力发电机主轴11，套接在风力发电机主轴11上的轮毂1，叶片4，叶片所在的轴即叶片轴4-1，和发电机12。在风的作用下，叶片4旋转，叶片4带动轮毂1旋转，进而风力发电机主轴11旋转，使得发电机12发电。本发明的无极桨距变换系统安装在风力发电机上，用于控制叶片4的桨距角。由于中、小功率风力发电机比大功率风力发电机的结构小，因此，要求用于中、小功率风力发电机的无极桨距变换系统的结构更为紧凑。如图，无极桨距变换系统包括有：变桨滑槽机构3、曲柄滑块机构、导轴套5、轴承6、拨叉8、拨叉支撑7、螺纹副9和驱动电机10。
具体地，驱动电机10和螺纹副9固定在发电机12的上方位置，变桨滑槽机构3、导轴套5位于轮毂1和发电机12之间的风力发电机主轴11上。螺纹副9包括有输出轴9-1、驱动轴套9-2和驱动轴套卡槽9-3，其中的输出轴9-1与驱动电机10相连，驱动轴套9-2的后部的开有螺纹孔，所述输出轴9-1的外螺纹与驱动轴套9-2的螺纹孔相配合，驱动轴套9-2的前部的横截面为非圆形(如图2)，且驱动轴套卡槽9-3的横截面与驱动轴套9-2的前部的横截面相适配，驱动轴套9-2前部穿过驱动轴套卡槽9-3，在驱动电机10工作时，输出轴9-1在驱动电机10的驱动下旋转，输出轴9-1的外螺纹和驱动轴套9-2的螺纹孔的内螺纹之间相对运动，驱动轴套9-2在驱动轴套卡槽9-3的约束下，沿驱动轴套9-2的轴向前后运动，驱动轴套9-2的轴向平行于风力发电机主轴11的轴向。驱动轴套9-2的前端上设置有垂直于驱动轴套9-2的轴线的第一销轴9-4。见图1和4，拨叉支撑7被固定在风力发电机的框架上或其它固定结构上，拨叉支撑7与拨叉8的中部之间通过两个第二销轴7-1相连。拨叉8为上、下U型支架组成的一体结构，上U型支架的每个支腿均为一个U型叉8-1，两个U型叉8-1分别位于驱动轴套9-2的左右两侧，第一销轴9-4的左右两端分别位于两个U型叉8-1内；下U型支架的上部即为拨叉8的中部用于通过第二销轴7-1与拨叉支撑7销接，下U型支架的两个支腿分布在轴承6的左右两侧且每个支腿的内侧上销接有卡槽8-2，卡槽8-2的前后两侧分别卡住轴承6外圈6-2的前端面和后端面上。即，拨叉8可绕第二销轴7-1旋转，当拨叉上端的U型叉8-1在驱动轴套9-2的带动下运动时，拨叉下端做相应的运动，且拨叉下端上销接的卡槽8-2通过轴承外圈6-2带动轴承6沿风力发电机主轴11的轴向运动。
轴承6的内圈6-1过盈安装在导轴套5的外壁上，导轴套5与风力发电机主轴11之间通过平键连接，平键与风力发电机主轴11上的键槽等长，导轴套5的键槽长度小于风力发电机主轴11的键槽长度，平键过盈安装在风力发电机主轴11的键槽上，导轴套5的键槽与平键之间间隙配合，使得导轴套5可以随风力发电机主轴11旋转的同时还可沿风力发电机主轴11轴向移动，并且风力发电机主轴11的键槽的长度是由风力发电机的轮毂1的轴套后端面和位于发电机前方的风力发电机主轴11的轴肩限定的，该风力发电机主轴11的键槽长度决定了导轴套的轴向运动范围，以避开机构运动死点。导轴套5的远离发电机12的一侧还设置有凸缘5-1用于与变桨滑槽机构3固定连接。可见，轴承6的轴向移动通过过盈配合带动导轴套5沿轴向移动，同时带动变桨滑槽机构3沿轴向移动。
变桨滑槽机构3为中空结构，通过与凸缘5-1固定连接，可随风力发电机主轴11旋转，变桨滑槽机构3包括有对应于叶片4的数量的滑槽3-1，每个滑槽3-1的槽道均垂直于风力发电机主轴11的轴线，相应地，曲柄滑块机构包括有相同数量的曲柄滑块2，曲柄滑块2包括有滑块2-1和曲柄2-2，滑块2-1安装在滑槽3-1内，曲柄2-2的近端与滑块2-1通过销轴连接，曲柄2-2的远端与叶片轴4-1固定相连。可见，当变桨滑块机构3沿轴向移动时，各个滑槽3-1通过滑块2-1和曲柄2-2将滑槽的轴向移动转变成绕叶片轴4-1的转动，使叶片4旋转，从而实现桨距变换功能，并能够保证在桨距变换过程中各个叶片4的桨距角始终保持一致。
通常情况下，中、小功率的发电机采用2-4个叶片，本发明以三个叶片的情况为代表进行说明。对应于三个叶片4，曲柄滑块机构包括有三个曲柄滑块2，变桨滑槽机构3包括有三个滑槽3-1，三个曲柄滑块2的每个滑块2-1安装在一个对应的滑槽3-1内，每个曲柄2-2的远端与叶片轴4-1固定相连。变桨滑槽机构3的三个滑槽3-1以风力发电机主轴11的中心轴线为中心，形成了绕中心均匀分布的中空的正三角形结构，使得在曲柄2-2带动叶片轴4-1旋转时，各个叶片轴4-1旋转的角度相同，以保证在桨距变换过程中各个叶片4的桨距角始终保持一致。在变桨滑槽机构3为正三角形的情况下，每个滑槽3-1的槽道的两端为滑块2-1不会滑到的区域，带来了机构的不紧凑，这样，在保证三个滑槽3-1的情况下，缩短每个滑槽3-1的长度，并在两两滑槽3-1之间固定有连接条，以形成中空的六边形框架结构(优选地为一体结构，见图3)，这样在保证变桨滑槽机构3实现自身功能的前提下，使得结构更紧凑、质量更小，更适用于中、小功率的风力发电机。
当然，在叶片为2个时，容易想到，设置有包括两个滑槽的变桨滑槽机构和包括两个曲柄滑块的曲柄滑块机构；在叶片为4个时，容易想到，设置有包括四个滑槽的变桨滑槽机构和包括有四个曲柄滑块的曲柄滑块机构。
另外，轴承6优选为双列角接触球轴承，该轴承可沿轴向双向受力。
该无极桨距变换系统的工作过程如下：
当需要调节桨距时，驱动电机10工作，螺纹副9将驱动电机10输出的旋转运动转换成沿螺纹副9轴线的直线运动，螺纹副的另一端带动拔叉上端的U型叉8-1绕第一销轴9-4旋转，此时拔叉的下端的卡槽8-2拨动轴承的外圈6-2沿风力发电机主轴11移动并带动导轴套5和变桨滑槽机构3沿轴向移动，各个滑槽3-1通过滑块2-1和曲柄2-2将滑槽3-1的轴向移动转换成绕叶片轴4-1的转动，叶片4旋转，从而实现桨距变换功能，并能够保证在桨距变换过程中各个叶片4的桨距角始终保持一致。
Claims (11)
1.一种中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，所述风力发电机包括叶片、风力发电机主轴和发电机，其特征在于，所述无级桨距变换系统包括有驱动电机、螺纹副、拔叉、拔叉支撑、导轴套、轴承、变桨滑槽机构和曲柄滑块机构，其中驱动电机与所述螺纹副的一端相连，所述螺纹副将驱动电机输出的旋转运动转换成沿螺纹副轴线的直线运动，所述螺纹副的轴线平行于所述风力发电机主轴的轴线，所述螺纹副的另一端与所述拔叉的上端通过垂直于所述螺纹副轴线的第一销轴相连，所述拔叉的下端与所述轴承的外圈相连，所述拔叉的中部与固定的拔叉支撑通过第二销轴相连，所述拔叉可绕所述第二销轴旋转，其中所述导轴套套接在风力发电机主轴上，且所述导轴套可随风力发电机主轴旋转并可沿风力发电机主轴轴向移动，所述轴承的内圈过盈安装在导轴套的外壁上，所述变桨滑块机构与所述导轴套固定连接，其中所述变桨滑块机构包括有以风力发电机主轴的中心轴线为中心而绕该中心均匀分布的对应于叶片数量的若干个滑槽，所述滑槽的槽道均垂直于风力发电机主轴的轴线，所述曲柄滑块机构包括有对应于叶片数量的若干个曲柄滑块，所述每个曲柄滑块包括有滑块和曲柄，所述滑块安装在滑槽内且可在滑槽内滑动，所述曲柄的近端与滑块通过销轴连接，所述曲柄的远端与叶片轴固定连接。
2.根据权利要求1所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述驱动电机和螺纹副位于所述发电机的上方。
3.根据权利要求2所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述螺纹副包括有带有外螺纹的输出轴、带有内螺纹的驱动轴套和固定的驱动轴套卡槽，所述输出轴与所述驱动电机相连且在所述驱动电机的驱动下旋转，所述驱动轴套后部的内螺纹与所述输出轴的外螺纹相配合，所述驱动轴套的前部穿过所述驱动轴套卡槽，所述驱动轴套前部的横截面为非圆形，所述驱动轴套卡槽的横截面与所述驱动轴套前部的横截面相适配使得驱动轴套在驱动轴套卡槽的约束下仅可沿螺纹副的轴向移动。
4.根据权利要求3所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述拔叉的上端为一对U型叉，所述第一销轴的凸出驱动轴套的两端分别位于两个U型叉内，所述驱动轴套的轴向移动可通过第一销轴和一对U型叉带动拔叉的上端绕所述第二销轴旋转，进而拔叉的下端通过轴承外圈带动所述轴承和导轴套在沿风力发电机主轴的方向上产生位移。
5.根据权利要求4所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述拔叉的下端上销接有一对卡槽，所述一对卡槽分布在所述轴承的左右两侧，所述卡槽的前、后侧面分别卡住所述轴承外圈的前端面和后端面。
6.根据权利要求1-5之一所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述导轴套和所述风力发电机主轴之间通过平键连接，所述平键与所述风力发电机主轴上的键槽等长，且所述平键过盈安装在所述风力发电机主轴的键槽内，所述导轴套的键槽长度小于所述风力发电机主轴的键槽长度，且所述导轴套的键槽与所述平键间隙配合。
7.根据权利要求1-5之一所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述风力发电机包括有三个叶片，所述变桨滑槽机构包括有三个滑槽，所述三个滑槽相连且呈正三角形框架结构；相应地，曲柄滑块机构包括有三个曲柄滑块。
8.根据权利要求7所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述三个滑槽两两之间设置有连接条，以形成一体的六边形框架结构的变桨滑槽机构。
9.根据权利要求8所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述导轴套的靠近变桨滑槽机构的一侧上设置有凸缘，所述凸缘与所述连接条之间固定连接。
10.根据权利要求1-5之一所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述风力发电机包括有两个叶片，所述变桨滑槽机构包括有两个滑槽，相应地，所述曲柄滑块机构包括有两个曲柄滑块；或所述风力发电机包括有四个叶片，所述变桨滑槽机构包括有四个滑槽，相应地，所述曲柄滑块机构包括有四个曲柄滑块。
11.根据权利要求1-5之一所述的中、小功率风力发电机的无级桨距变换系统，其特征在于，所述轴承为双列角接触球轴承。
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