CN102562458A - 使用于风力发电设备的减速装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用于风力发电设备的减速装置，其合理且安全地兼顾超速旋转的保护和某种程度的制动力的保持(防止驱动对象物过度摇晃)。本发明的使用于风力发电设备(10)的减速装置(G1～G4)，在该减速装置(G1～G4)的动力传递路径上具备制动机构(制动构件)(B1)，所述制动机构(B1)具有制动片(第1部件)(54)和制动鼓(第2部件)(56)，所述制动片设置于相对旋转的2个要件中以更快速度旋转的连接轴(第1要件)(26)侧，所述制动鼓以慢于所述连接轴(26)的速度旋转或固定(在该例子中固定)，并且，若所述连接轴(26)或制动鼓(56)的转速成为预先规定的转速以上，则制动片(54)与制动鼓(56)通过离心力相互接触，使所述连接轴(26)的转速下降。

Description

使用于风力发电设备的减速装置

技术领域

本申请主张基于2010年12月28日申请的日本专利申请第2010-293613号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

本发明涉及一种使用于风力发电设备的减速装置。

背景技术

专利文献1中公开有使用于风力发电设备的短舱(发电室)的偏航控制或者风车叶片的桨距控制的减速装置。

并且，由于风力发电设备在自然环境下设置，因此有时偶尔受到狂风或疾风的侵袭。

使用于风力发电设备的减速装置通常通过马达的驱动进行短舱的偏航控制或风车叶片的桨距控制，但是若该巨大的风力负载施加于风车叶片，则该风车叶片或短舱会因风而直接转动，以致发生从减速装置的输出轴侧逆向流入旋转之类的现象。由此，“减速装置”作为从输出轴侧提供输入的“增速装置”发挥作用，以极其高速旋转减速装置内的各部件或马达，有时导致破坏。

该专利文献1中公开有，当从风车叶片侧输入设定值以上的过大转矩时，使滑动联轴器工作并遮断驱动系统的动力传递来防止该驱动系统的过负载的技术。

专利文献1：US2007-0098549A1(权利要求1，段落[0015])

若对驱动系统传递预先设定的阈值以上的风力负载，则上述专利文献1中的滑动联轴器遮断减速装置内的动力传递其本身。因此，作为实际问题，例如在如施加较强风力负载的状况下，抵抗该风力负载进行偏航控制时(将短舱固定或维持于某一方向时)，若施加进一步过大的风力负载而遮断减速装置内的动力传递，则存在驱动系统呈游离状态之类的问题。即，因遮断动力传递而无法维持先前处理的短舱的方向，存在短舱以失控状态随风激烈摇摆的状态之类的问题。

并且，停电时也相同，驱动系统呈游离状态而无法维持先前处理的短舱的方向，如在以该状态施加较强风力负载的状况下，存在以失控状态激烈摇摆的状态之类的问题。

该情况在用于桨距控制的减速装置中，也与“当该减速装置的动力传递因过负载而被遮断时，产生风车叶片以失控状态随风激烈摇晃的状态”这一点上相同。

发明内容

本发明是为了解决这种以往的问题而完成的，其课题在于提供一种防止风力发电设备的驱动对象物出现过度摇晃的状态的同时能够保护减速装置的风力发电设备中使用的减速装置。

本发明是通过如下方案解决上述课题的，一种减速装置具备与设置于风力发电设备侧的齿轮啮合的输出小齿轮，其中，在该减速装置的动力传递路径上具备制动构件，所述制动构件具有第1部件和第2部件，所述第1部件设置于相对旋转的2个要件中以更快速度旋转的第1要件侧，所述第2部件设置于以慢于所述第1要件的速度旋转或固定的第2要件侧，并且成为如下结构：若所述第1要件的转速成为预先规定的转速以上，则所述第1部件与第2部件通过离心力相互接触，且使所述第1要件的转速下降。

若要兼顾防止驱动对象物过度摇晃和保护减速装置，需要使动力传递的遮断与制动力的赋予平衡。这样的控制例如能够通过检测马达轴或减速装置内的特定部件的转速且按照检测出的转速适当释放离合器或适当赋予制动力来实现。但是，该方法因为检测特定部件的转速，所以需要一些“传感器机构”。但是，如这样超速旋转或过负载成为问题的暴风汹涌的气象状况大多同时伴有暴雨或频繁的雷击，因停电或电源系统、控制系统不良等无法保证这样的传感器机构未必始终正常发挥作用。因此，不能说是适合于“恶劣的气候时进行风力发电设备的保护控制”的方法。

因此，本发明中，并非将用于发挥减速装置的保护功能的触发器(马达轴等的转速等)作为“数值式值”检测，而是作为“基于离心力的机械移动(特定现象)”掌握。并且，积极利用该“基于离心力的机械移动其本身”，直接降低减速装置的旋转自身，并对驱动系统提供制动力。由此，能够防止短舱等驱动对象物产生过度摇晃的状态，并且同时防止因超速旋转而使轴承或马达破损或烧损。

随着疾风或风向的变化从减速装置的输出侧输入的负载越强，为了防止过度摇晃就越需要较强的制动力。根据本发明，从减速装置的输出侧输入的风力负载越强，就会在旋转系统中产生强度与其相应的离心力并获得较强制动力。并且，根据本发明，驱动系统的转速不仅通过较强制动力的提供、还通过制动力的赋予而下降，随之形成离心力变弱并能够容许旋转的状态。因此，可以避免所谓停止状态下(在完全制动状态下)出现全面承受风力转矩的状态，并能够防止减速装置的各部因过负载而破损。

发明效果

根据本发明，其课题在于提供一种防止风力发电设备的驱动对象物出现过度摇晃的状态的同时能够保护减速装置的风力发电设备中使用的减速装置。

附图说明

图1是本发明的实施方式的一例所涉及的风力发电设备中使用的减速装置的整体截面图。

图2是图1的主要部分放大截面图。

图3是表示图1的减速装置的制动机构的结构的俯视图。

图4是表示应用上述减速装置的风力发电设备的整体结构的主视图。

图5是应用上述减速装置的风力发电设备的偏航驱动装置的整体概要立体图。

图6是表示上述减速装置使用于偏航驱动装置的情况的截面图。

图7是本发明的其他实施方式的一例所涉及的风力发电设备中使用的减速装置的整体截面图。

图8是图7的主要部分放大截面图。

图中：10-风力发电设备，12-短舱，14-偏航驱动装置，22-马达，23-连接箱(第2要件)，24-输出小齿轮，26-连接轴(第1要件)，28-回转用内齿轮，54-制动片，56-制动鼓，58-导向机构，60-弹簧机构，66-螺旋弹簧，G1～G4-减速装置，B1-制动机构(制动构件)。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式的一例所涉及的风力发电设备中使用的减速装置进行详细说明。

首先，从应用该减速装置的风力发电设备的概要进行说明。

参考图4及图5，该风力发电设备10在圆筒支柱11的最上部具备短舱(发电室)12。短舱12上组装有偏航(Yaw)驱动装置14和桨距(Pitch)驱动装置16。偏航驱动装置14为用于控制短舱12整体相对于圆筒支柱11的回转角的装置，桨距驱动装置16为用于控制安装于头锥18的3片风车叶片20的螺距角的装置。

该实施方式中，由于在偏航驱动装置14中应用了本发明，因此在此对偏航驱动装置14进行说明。

该偏航驱动装置14具备4个带有马达22及输出小齿轮24的减速装置G1～G4、及1个与各个输出小齿轮24啮合的回转用内齿轮28。各减速装置G1～G4分别固定于短舱12的主体侧的预定位置。一并参考图6，各减速装置G1～G4的各个输出小齿轮24所啮合的回转用内齿轮28固定于圆筒支柱11侧，构成偏航轴承30的内圈。偏航轴承30的外圈30A固定于短舱12的主体12A侧。另外，图6的符号25为偏航驱动装置14的制动机构。该制动机构为了有目的地制动偏航驱动装置而具备，但也可以没有。

根据该结构，若通过各减速装置G1～G4的马达22同时旋转各输出小齿轮24，则该输出小齿轮24一边与回转用内齿轮28啮合一边相对回转用内齿轮28的中心36(参考图5)公转。其结果，能够使短舱12整体绕固定于圆筒支柱11的回转用内齿轮28的中心36回转。由此，能够使头锥18朝向所希望的方向(例如迎风的方向)，且能够有效地承受风压。

由于所述减速装置G1～G4分别具有相同的结构，因此在此参考图1对减速装置G1进行说明。

减速装置G1具备马达22、共计2级的摆动内接型的初级减速机构G11及后级减速机构G12。马达22可拆卸地设置于减速装置G1的负载相反侧的连接箱23，在通过安装该马达22而形成的密闭空间P1内组装本发明所涉及的制动机构(制动构件)B1。对制动机构B1及其周边结构在后面进行详述。

以下依次说明动力传递路径。

连接轴26通过键27可一体旋转地组装于马达22的马达轴25。连接轴26与减速装置G1的初级减速机构G11的输入轴30一体化。初级减速机构G11具备该输入轴30、设置于该输入轴30的2个偏心体34、通过该偏心体34偏心地摆动的2片外齿轮36及该外齿轮36所内啮合的内齿轮38。2片外齿轮36其偏心相位正好偏离180度，一边维持沿相互背离的方向偏心的状态一边摆动旋转。内齿轮38的内齿在该实施方式中由销及辊构成，内齿轮主体与高速侧外壳体39一体化。内齿轮38的内齿数(销及辊的数量)稍多于外齿轮36的外齿数(例如仅多1)。外齿轮36上留有间隙地嵌合有内销40。内销40与初级输出法兰42一体化，该初级输出法兰42与初级输出轴44一体化。

该实施方式中成为如下结构，即由于内齿轮38与高速侧外壳体39一体化，因此若初级减速机构G11的输入轴30旋转，则外齿轮36通过偏心体34摆动，该外齿轮36相对于内齿轮38的相对旋转(自转)通过内销40及初级输出法兰42从初级输出轴44(作为初级减速机构G11的输出)取出。

初级输出轴44成为空心轴，后级减速机构G12的输入轴130通过粘结剂粘接，并压入连结于输出轴44的空心部44A。后级减速机构G12的细微部分的结构稍微不同，但动力传递系统的基本结构与之前的初级减速机构G11大致相同。因此，在图1中对相同或相对应的部位附加后两位数字相同的符号，省略后级减速机构G12的详细说明。后级减速机构G12的输出轴144成为通过花键146固定或连结上述的输出小齿轮24且该输出小齿轮24与已说明的回转用内齿轮28(图5、图6)啮合的结构。

下面，一并参考图2及图3，对组装于该减速装置的制动机构(制动构件)B1附近的结构进行详细说明。

如前述，马达22可拆卸地设置于减速装置G1的连接箱23。马达22的前端罩22A以通过未图示的O型圈等密封部件粘附的状态通过螺栓(在图1中仅图示中心线)与连接箱23的法兰部23A连结。将嵌套于马达轴25的连接轴26旋转自如地支承在连接箱23的轴承50成为具有密封功能的密封轴承。因此，该马达22安装于连接箱23，由此可由马达22的前端罩22A与连接箱23形成密闭空间P1。

制动机构B1容纳于该密闭空间P1。密闭空间P1中封入有冷却油。即，该实施方式的制动机构B1为在该冷却油中工作的“湿式”制动机构。另外，邻接于具有所述密封功能的轴承50组装有所谓带有阻断功能的油封52。该油封52在由金属制底座体52A、金属制罩体52B构成的空间内组装有橡胶制的第1密封体52C及与该第1密封体52C彼此对向设置的第2密封体52D。在第1密封体52C上形成唇形面52C1，在与第2密封体52D之间形成有狭窄的迷宫(Labyrinth)。由此，防止在即将说明的制动机构B1侧产生的磨损粉等进入初级减速机构G11内。

本发明所涉及的制动机构具备设置于第1要件侧的第1部件和设置于第2要件侧的第2部件。

在此，第1要件是指，相对旋转的2个要件中以更快速度旋转的要件。并且，第2要件是指以慢于第1要件的转速旋转的要件。该“以慢于第1要件的转速旋转”的概念中包含“以零速度旋转”，即“固定状态”的概念。本实施方式中，嵌入于马达轴25且以与减速装置G1的输入轴30相同的速度旋转的连接轴26相当于第1要件。并且，处于固定状态的连接箱23相当于第2要件。

以下，进行详述。

在作为第1要件的连接轴26设置有3个相当于所述第1部件的制动片54。制动片54在其半径方向外侧具备有轴直角截面为圆弧状的第1摩擦部54A。在作为第2要件的连接箱23上，通过制动鼓固定螺栓57固设有相当于所述第2部件的制动鼓56。制动鼓56由比连接箱23更硬的原材料形成，且具备与制动片54的第1摩擦部54A以大致相同的内径彼此对向设置的第2摩擦部56A。

该制动机构B1成为如下结构：若连接轴(第1要件)26达到预先规定的转速以上，则制动片(第1部件)54与制动鼓(第2部件)56通过离心力相互接触，且使连接轴26的转速下降。并且，为了发挥该制动功能，在该实施方式中，具备导向机构58和弹簧机构60。

从导向机构58开始说明。导向机构58相对连接轴26沿圆周方向固定制动片54，并且可使其沿半径方向移位。该实施方式中，在连接轴26的外周通过花键62嵌套有制动凸台64。制动凸台64通过定位环59进行相对该连接轴26的轴向定位。该制动凸台64具有从连接轴26的轴心O1向半径方向突出或延伸的3根导向部64A。各导向部64A具备垂直于连接轴26的轴心O1(垂直于图3的纸面)的一对导向面64A1。另一方面，在制动片54的半径方向内侧形成有可沿该导向面64A1在半径方向上滑动的被导向面54B。被导向面54B的轴直角截面设为日文的“コ”字状，可从半径方向外侧滑动地覆盖于该一对导向面64A1。根据该结构，导向机构58相对连接轴(第1要件)26沿圆周方向固定制动片(第1部件)54，并且可使其沿半径方向移位。

另一方面，所述弹簧机构60对制动片54提供向半径方向内侧偏置的偏置力，因此该实施方式中，由相互连结相邻的制动片54、54的螺旋弹簧66构成。各螺旋弹簧66以比各自的自由长度更加拉伸的状态组装于各制动片54的组装孔54C，各螺旋弹簧66的拉伸力的半径方向成分对制动片54提供向半径方向内侧偏置的偏置力。

该制动机构B1具有这样的基本结构，以组装螺旋弹簧66的状态，在制动片(第1部件)54与制动鼓(第2部件)56之间确保预定间隙δ1(参考图2)。因存在该间隙δ1，当连接轴(第1要件)26的转速较低时，制动片54维持不与制动鼓56接触的状态。另一方面，若连接轴26的转速超过预先规定的转速，则在制动片54上产生的离心力克服螺旋弹簧66的偏置力，该制动片54向半径方向外侧移动(滑动)而堵塞间隙δ1，其结果制动片54与制动鼓56摩擦接触而使连接轴26的转速下降。间隙δ1设定为如能够良好地发挥该作用的“大小”。

即，为了能够从该结构理解，本发明所涉及的“若第1要件的转速超过预先规定的转速”之类的语句以“若第1要件的转速超过(某一)转速，随之由离心力产生‘机械性预定移动(特定现象)’”之类的宗旨使用。换言之，该“预先规定的转速”通过设定所述制动片54的质量或间隙δ1等来进行(值本身不可靠地模拟性)规定，并非作为特定的数值(rpm)的数字性规定。明确地讲，优选地设定，作为第1要件的连接轴26的转速明显超过该马达22以额定转速旋转时的转速时，堵塞间隙δ1，开始制动。

并且，从降低两者的磨损的观点来看优选如下：即使转速超过马达22的额定转速，只要该转速几乎不会在马达22等产生损伤，则不会使制动片54与制动鼓56接触。即，可设定为制动片54与制动鼓56在高于马达22的额定转速且存在某种程度损伤的转速下接触。具体而言，可设定为制动片54与制动鼓56在马达的额定转速(同步转速)的110％以上、优选130～150％左右接触。

例如，若为4级马达，则额定转速为1500～1800rpm左右，因此可设定为1650rpm以上，优选1950～2700rpm左右。并且，若为6级马达，则同步转速为1000～1200rpm左右，因此可设定为1100rpm以上，优选1300～1800rpm左右。

另外，若第2要件的转速慢于第1要件，则(如本实施方式)可为固定要件，并且也可为旋转的要件。第2要件为旋转的要件时，若通过本制动机构在第1、第2要件之间施加摩擦制动，则产生(转速较高且转矩较小的)第1要件更顺利地靠近第2要件的转速的(第1要件的转速先下降)现象。这样，第2要件的转速不会打乱“与第1要件的比例关系”，因此不得不降低至与该第1要件的降低的转速对应的转速。其结果，第1、第2要件的转速双方均向零靠近(保证比例关系)地发生变化，能够降低第1要件(及第2要件)的转速。例如，当为采用摆动内啮合型行星齿轮机构或简单行星齿轮机构的减速装置等时，由于大多存在与输入轴邻接并以与输出轴的转速相同(较慢)的转速旋转的轮架，因此将输入轴设为第1要件、将轮架设为第2要件的结构有效。

接着，主要着眼于制动机构的作用对使用于该风力发电设备的减速装置的作用进行说明。

若马达22的马达轴25旋转，则嵌套于马达轴25的连接轴26旋转。若连接轴26旋转，则制动机构B1的制动片54受到离心力的作用，克服螺旋弹簧66的偏置力，沿制动凸台64的导向面64A1向半径方向外侧滑动。

通常从马达22提供驱动力时，该滑动量小于所述制动片(第1部件)54与制动鼓(第2部件)56之间的间隙δ1，因此制动机构B1不会对旋转系统提供任何阻力。但是，若从风车叶片20侧施加因风力引起的巨大转矩而从输出侧强制地“增速驱动”减速装置G1，则减速装置G1(G1～G4)的各部件或马达22以非常快的转速旋转，发生破损等危险。

该实施方式中，若连接轴26的转速超过预先规定的转速，则该制动片54通过施加于制动片54的离心力沿制动凸台64的导向面64A1较大地滑动，以致制动片54的第1摩擦部54A与制动鼓56的第2摩擦部56A摩擦接触。

连接轴26的转速越大，第1、第2摩擦部54A、56A的接触压力变得越高，因此风力较强且减速装置G1的各部件的超速旋转的程度越大，越能够由第1、第2摩擦部54A、56A得到更大的制动力。该作用为容纳于密封的密闭空间P1内的制动机构B1上的(利用离心力)机械性作用，因此不需要电源或传感器、控制电路等。换言之，即使在狂风或暴雨或者发生频繁的雷击等恶劣气候下，也能够得到可靠性非常高的制动功能。

并且，与通过释放滑动联轴器或离合器等来释放减速装置的动力传递系统的控制不同，能够防止风车叶片20或短舱12因风(以失控状态)而强烈地晃动。即，在回转短舱12的偏航控制中，或者在释放图6所示的制动器25并将短舱12设为相对圆筒支柱11呈游离状态时，即使在因疾风或急剧的风向变化而从输出小齿轮24侧输入过大转矩时，也可以通过制动机构B1进行制动，因此能够防止由超速旋转引起的各部的损伤，并且能够防止产生短舱12本身过度摇晃的状态。

通过制动机构B1发挥作用而降低转速的减速装置G1的旋转系统的动能从第1、第2摩擦部54A、56A以大量的热能放出，但本实施方式所涉及的制动机构为“湿式”，热容量较大，并且能够通过兼有冷却功能的润泽的润滑剂吸收该放出的热能。尤其在风大到使减速装置的旋转系统的超速旋转成为问题的程度时，还能够期待因该风引起的外壳的冷却效果。

并且，该实施方式中，马达22可以拆卸，通过安装该马达22来形成容纳制动机构B1的密闭空间P1，因此不会在构成外壳结构上做无用功，能够减轻重量及实现紧凑化。

此外，本实施方式中制动鼓56由比连接箱(外壳)23更硬的原材料形成，因此具有耐久性，并且即使万一制动片54或制动鼓56消耗，也能够仅通过拆卸马达22并使制动鼓固定螺栓57松弛来更换该制动鼓56，因此也容易修护。

并且，即使在更换制动片54或制动鼓56情况下，也只是拆下定位环59且通过花键62在连接轴26卡合例如在制动片54及制动凸台64上安装有螺旋弹簧66的“套件”，因此能够在现场轻松更换。

并且，假设即使通过制动构件B1发挥作用而使第1、第2摩擦部54A、56A滑动，且产生磨损粉等，由于本实施方式中邻接于密封轴承50组装有带有阻断功能的油封52，因此也可以有效防止该磨损粉进入减速机构侧。

在图7示出上述实施方式的变形例。图8是图7的主要部分放大截面图。该变形例中与上述实施方式相比，主要的不同点在于，通过省略配置带有阻断功能的油封来降低成本。并且，构成为能够通过配置供油口70与排油口72来轻松更换冷却油。其他结构与之前的实施方式相同，因此在图7、图8中对与之前的实施方式相同或类似的部分附加相同的符号而省略重复说明。

另外，上述实施方式中，最初通过安装马达22来形成容纳制动机构(制动构件)B1的密闭空间P1，但在本发明中对以何种结构形成容纳制动机构的密闭空间没有特别限定。并且，制动构件本来也无需为湿式，这时不需要该密闭空间其本身。并且，第1部件和第2部件也未必一定安装于能够在拆下马达时进行更换的位置。

并且，上述实施方式中，第2部件装卸自如地固定于(作为第2要件的固定状态的)外壳，但是在本发明中，包括导向机构或弹簧机构的结构，对制动机构的具体结构没有特别限定。总之，成为第1部件与第2部件通过离心力相互接触且第1要件的转速下降的结构即可。

在上述实施方式中，构成减速装置的减速机构成为偏心摆动型减速机构，但应用于本发明的减速装置的减速机构没有特别限定，例如也可为简单行星型减速机构或蜗杆减速机构。

在上述实施方式中，将制动机构B1配置于比减速机构更靠马达侧，由于摩擦损失的变化相对于速度的变化是较大的、且制动的转矩较小，因此能够使制动机构B1小型化，从这一点考虑，优选设为这种结构，但本发明中，不限定制动机构的配置位置，配置于马达至输出小齿轮的动力传递系统中的任意部位即可。

在上述实施方式中，冷却油封入在密闭空间P1内，但封入在密闭空间P1内的不限定于油，只要是不损坏制动机构B1的制动性能并可冷却的液体，哪一种液体都可以。

Claims (8)

1.一种使用于风力发电设备的减速装置，该减速装置具备与设置于风力发电设备侧的齿轮啮合的输出小齿轮，其特征在于，

在该减速装置的动力传递路径上具备制动构件，

所述制动构件具有第1部件和第2部件，所述第1部件设置于相对旋转的2个要件中以更快速度旋转的第1要件侧，所述第2部件设置于以慢于所述第1要件的速度旋转或固定的第2要件侧，并且成为如下结构：

若所述第1要件的转速达到预先规定的转速以上，则所述第1部件与第2部件通过离心力相互接触，使所述第1要件的转速下降。

2.如权利要求1所述的使用于风力发电设备的减速装置，其特征在于，

所述减速装置在其负载相反侧具备可拆卸的马达，

所述第1部件与所述第2部件中至少一个部件安装在拆卸该马达时能够进行更换的位置。

3.如权利要求1或2所述的使用于风力发电设备的减速装置，其特征在于，

所述制动构件为在装满冷却液的密闭空间内工作的湿式制动构件。

4.如权利要求3所述的使用于风力发电设备的减速装置，其特征在于，

所述减速装置在其负载相反侧具备可拆卸的马达，

所述密闭空间通过安装所述马达来形成。

5.如权利要求1～4中任一项所述的使用于风力发电设备的减速装置，其特征在于，

所述制动构件还具备有：

导向机构，使所述第1部件相对于所述第1要件沿圆周方向固定、并且能够沿半径方向移位；及

弹簧机构，对所述第1部件提供向半径方向内侧偏置的偏置力。

6.如权利要求5所述的使用于风力发电设备的减速装置，其特征在于，

沿圆周方向具备多个所述第1部件，

所述弹簧机构由相互连结邻接的第1部件的螺旋弹簧构成。

7.如权利要求1～6中任一项所述的使用于风力发电设备的减速装置，其特征在于，

所述第2要件为该减速装置的外壳，

所述第2部件装卸自如地固定在该外壳。

8.如权利要求7所述的使用于风力发电设备的减速装置，其特征在于，

所述第2部件由比所述外壳更硬的原材料形成。

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