CN102661245B - 风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置及风电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置及风电机组。该制动装置包括外圈、内圈、磁轭、线圈绕组、制动轮、以及磁触变胶。其中，外圈和内圈通过磁轭连接，并可固定到风电机组的塔筒法兰上。制动轮包括固定部和制动部并可固定到机舱座上。外圈与内圈连接后，形成有用于容纳制动轮的制动部的制动槽和用于容纳线圈绕组的线圈绕组槽。制动轮的制动部可转动地安装到制动槽后，在制动部与内圈和外圈之间形成有间隙，磁触变胶容纳在间隙内。该制动装置有效地降低偏航驱动系统轮齿的磨损及点蚀，降低制动噪声及偏航制动时的整机振动，有效提高了齿轮箱寿命，降低风机运营成本。

Description

风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置及风电机组

技术领域

本发明涉及风电装备，特别涉及风电机组偏航制动系统的柔性制动装置。

背景技术

对于水平轴风力机而言，风电机组的偏航制动装置是风电机组的叶轮准确对风、提高风能捕捉率及安全运行的重要部件。风电机组的偏航系统主要包括偏航电机、偏航减速机、偏航轴承、偏航计数器、偏航制动器和液压回路，尤其是偏航制动器，由于偏航制动器的制动性能直接影响风机的整机振动、安全寿命等关键参数，风电机组的偏航制动系统一直是风电机组的核心技术之一。

风电机组在偏航过程中，主要实现以下三种功能：对风、有阻尼偏航运动和锁紧。偏航对风的目的是根据风向标采集提供的数据与主控制系统设定数据的对比结果，使风机叶轮扫风面垂直于来风方向，从而实现风能-机械能的高效转化。当风轮和机舱系统绕偏航转动中心运行时，为了保障偏航在设定偏航转速下平稳运行，偏航制动系统必须提供一定的偏航转动阻尼，使机舱和叶轮系统转动时最大限度的减小或消除对整机造成的振动影响。偏航动作对风完成后，偏航制动液压系统全压工作，制动锁紧，使风机在对风方向稳定工作，从而完成整个偏航过程。

目前，大中型风电机组的偏航制动系统主要采用的是液压-钳盘式制动装置。这种制动装置通过在圆周上均布制动器的方式可以实现机组偏航和锁紧的功能，但是由于制动器的离散布置、制动器和摩擦盘之间的刚性接触，使得在偏航制动过程中摩擦盘受力不均匀、制动力矩不平稳问题是不可避免的，当刚性接触面的摩擦制动力过大时，又容易造成制动器制动块在摩擦盘上的蠕动爬行，造成塔架的剧烈振颤，这种刚性制动容易造成机械摩擦噪声增加、使偏航轴承及驱动减速机的轮齿出现齿面点蚀和磨损。为锁紧提供的高压液压系统易造成泄漏、管路故障等问题，对系统的密封性能要求高、技术成本高。

为了克服或降低目前风电机组偏航系统存在的上述问题，因此需要一种可为风电机组偏航过程提供运动阻尼、制动及锁紧功能的柔性制动装置，提高制动效率、机组运行寿命、降低制造及维护成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种在风电机组偏航过程中，提供运动阻尼、制动及锁紧功能的柔性制动装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置，其特征在于，包括外圈、内圈、磁轭、线圈绕组、制动轮、以及磁触变胶，其中，

所述外圈和所述内圈通过所述磁轭连接，并可固定到风电机组的塔筒法兰上；

所述制动轮包括固定部和制动部，并可通过所述固定部固定到风电机组的机舱座上；

所述外圈与所述内圈连接后，形成有用于容纳所述制动轮的制动部的制动槽和用于容纳所述线圈绕组的线圈绕组槽；以及

所述制动轮的制动部可转动地安装到所述制动槽后，在所述制动部与所述内圈和所述外圈之间形成有间隙，所述磁触变胶容纳在所述间隙内。

优选地，所述磁触变胶与所述线圈绕组之间设有隔磁环。

优选地，由所述内圈和所述外圈形成的所述制动槽与所述线圈绕组槽之间形成有环形口，所述环形口填充有树脂，由此形成所述隔磁环。

优选地，所述间隙是“U”型工作空间，所述磁触变胶密闭在所述“U”型空间中。

优选地，在所述间隙的出口处设有密封装置，防止所述磁触变胶泄漏。

优选地，所述密封装置包括密封盖和密封圈，所述密封盖分别固定在所述外圈和所述内圈的上表面上并设有密封圈槽，所述密封圈安装在所述密封盖的所述密封圈槽中。

优选地，所述外圈为环状一体件，内周上一体设有多个环形台阶；所述内圈为环状一体件，外周上一体设有多个环形台阶；且所述外圈与所述内圈连接后，所述外圈的多个环形台阶和所述内圈的多个环形台阶组合分别形成用于容纳所述磁轭的磁轭安装槽和用于容纳线圈绕组的线圈绕组槽。

优选地，所述磁轭是环状一体件，沿所述磁轭的内周边缘和外周边缘分别沿周向设有多个安装孔。

优选地，所述制动轮为环状一体件，由下到上依次设有所述制动部和所述固定部，沿所述固定部周向设有多个固定孔。

优选地，所述线圈绕组通过导线连接到风电机组的控制系统。

优选地，制动时，所述磁触变胶在所述线圈绕组的激励下变成链柱状的固体或类固体状态，偏航时，所述磁触变胶恢复到弱阻尼胶体状态。

本发明还提供了一种风电机组，该风电机组包括偏航系统，其中，所述偏航系统包括本发明的偏航制动磁触变柔性制动装置。

本发明的风电机组偏航制动柔性制动装置通过调整电流大小来调整磁触变胶在磁场下流变的最佳点，磁触变胶在磁场下内部结构连续变化产生的机械阻尼，使制动力矩连续均匀的作用于制动轮整周工作面上，制动力矩随激磁电流的调节而变化，力矩变化连续、制动过程平稳，调节范围宽泛，电流源装置简单，从而实现风机偏航系统制动装置的无间断连续柔性制动功能。

此外，本发明采用新型软磁性功能材料磁触变胶作为工质，在零场时，磁触变胶呈胶体状态，且阻尼小，制动释放，偏航转动开始动作。磁触变胶在电磁场激磁作用下，其粘度可以在毫秒之间发生改变，从而使磁触变胶从胶体存在状态变成固体或类固体状态，显著增强了抵抗机械变形的能力，瞬间增大了工作阻尼，这种随磁场变化的阻尼力连续均匀的作用于制动轮的“U”型工作面上，为偏航转动过程提供柔性制动的阻尼力矩。

磁触变胶的胶体状态使其能够均匀的分布在磁隙内，不像固体磁粉或磁流变液那样受重力影响而沉积在壳体底部，当对风偏航指令完成后，励磁电流增大，悬浮在“U”型工作空间内的磁触变胶在磁场的作用下形成链柱状，将制动轮锁紧在内圈、外圈的工作面时，偏航锁紧动作完成。

相对于传统的液压-钳盘式制动装置，本发明的柔性制动装置结构紧凑、制动动力系统简单，摒弃了原用于机械制动的高压液压泵站系统及钳盘式制动器。制动力矩平稳、消除了液压-钳盘式制动的蠕动振颤及整机振动问题，可以有效降低或消除风电机组的机舱在偏航过程中振动冲击及齿轮啮合噪声问题，同时有效降低了风电机组偏航制动系统制造以及运营成本。

附图说明

图1是图1为本发明安装在塔筒上的风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置的一个实施例的结构沿包含风电机组的塔筒中心线的平面剖切的剖视图；

图2和图3是图1中的柔性制动装置的外圈的一个实施例的结构示意图，其中，图3是外圈的俯视图，图2是沿图3的剖切线B-B剖切的剖视图；

图4和图5是图1中的柔性制动装置的内圈的一个实施例的结构示意图，其中，图5是内圈的俯视图，图4是沿图5的剖切线C-C剖切的剖视图；

图6是图1的柔性制动装置的外圈和内圈安装完成后的结构剖视图；

图7是图6的局部A的放大图，示出内外圈的连接处结构；

图8和图9是图1中的柔性制动装置的磁轭的一个实施例的结构示意图，其中，图9是磁轭的俯视图，图8是沿图9的剖切线D-D剖切的剖视图；

图10和图11是图1中的柔性制动装置的制动轮的一个实施例的结构示意图，其中，图11是制动轮的仰视图，图10是沿图11的剖切线E-E剖切的剖视图。

附图标记说明

1外圈；2磁轭；3线圈绕组；4隔磁环；5磁触变胶；6、10密封盖；7、8密封圈；9制动轮；11接线柱；12内圈。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。图中相同或相似的部分采用相同的附图标记表示。

图1是根据本发明的一个实施例的偏航制动磁触变柔性制动装置100的一个实施例的结构沿包含风电机组的塔筒中心线的平面剖切的剖视图，由于对称关系，图中仅示出剖视图的一半。如图1所示，本实施例的偏航制动制动装置100包括外圈1、磁轭2、线圈绕组3、隔磁环4、磁触变胶5、密封盖6和10、密封圈7和8、制动轮9、接线柱11、以及内圈12。

内圈12和外圈1通过磁轭2紧密连接，接合处通过隔磁环4将二者紧密连接起来。连接后的内圈12和外圈1通过螺栓固定联接在塔筒法兰上，由此形成偏航制动磁触变柔性制动装置100的固定工作部分。连接后的内圈12和外圈1之间形成有用于接纳制动轮9的制动槽9a、容纳线圈绕组的线圈绕组槽3a、以及用于容纳磁轭2的磁轭安装槽2a，参见图6。线圈绕组3通过磁轭2固定在线圈绕组槽中。

制动轮9通过螺栓联接固定在风电机组的机舱底座上，形成风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置的运动部分。制动轮9的制动部92（参见图10）插入到内圈12和外圈1形成的制动槽9a中，并形成磁隙的“U”型工作空间。较佳地，磁隙的间隙大小为约1.2mm。磁触变胶5悬浮填充在“U”型空间内，并由密封盖6、10和密封圈7、8进行防漏密封处理。

工作时，当偏航执行机构接到风电机组控制系统偏航指令，偏航电机开始工作。同时，通过与接线柱11相连的外部控制激磁电流的来调节线圈绕组3，磁轭2、内圈12、磁触变胶5、制动轮9的制动部92、以及外圈1形成一闭合磁路。

在偏航运动过程中，激磁电流适量增加，为偏航转动提供阻尼，使偏航过程连续、均匀平稳的完成对风目标。对风完成后，偏航执行机构停止运转，同时，激磁控制系统接到锁紧指令，电流增加，回路磁场强度增强，磁触变胶5流变行为瞬态发生（毫秒级别），由偏航时的弱阻尼胶体状态变成链柱状的类固体状态，从而使制动轮9的制动部和内圈12、外圈1紧密的连接为一体，从而实现风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置100的运动部分和固定部分的锁紧。这时，风机锁紧，对风完成。当控制系统再次接到对风指令时，激磁电流关闭或减弱，磁触变胶恢复到弱阻尼状态，即胶体状态。此时，锁紧解除，开始再次偏航动作。

图2和图3是图1中的柔性制动装置100的外圈1的一个实施例的结构示意图。如图2和图3所示，外圈1为环状一体件，内周上一体设有多个环形台阶，沿外圈外周向边缘设有多个安装固定孔14，用于将外圈1固定到塔筒法兰上，本实施例中，设有六个固定孔14。在外圈1的顶部沿周向设有多个密封盖安装孔15，用于密封盖6的安装。此外，外圈1中，从下往上还依次设有磁轭连接部11、线圈绕组容纳部12、以及制动轮容纳部13，分别用于在柔性制动装置装配时，容纳磁轭11、线圈绕组3、以及制动轮9的制动部92。

图4和图5是图1中的柔性制动装置100的内圈12的一个实施例的结构示意图。如图4和图5所示，内圈12亦为环状一体件，外周上一体设有多个环形台阶，沿内圈12的内周向边缘设有多个安装固定孔121，用于将内圈12固定到塔筒法兰上，本实施例中，设有六个固定孔121。在内圈12的顶部沿周向设有多个密封盖安装孔122，用于密封盖10的安装。此外，内圈1中，从下往上还依次设有磁轭连接部123、线圈绕组容纳部124、以及制动轮容纳部125，分别与外圈1的磁轭连接部11、线圈绕组容纳部12、以及制动轮容纳部13相配合，以在柔性制动装置装配时，分别形成用于容纳磁轭11、线圈绕组3、以及制动轮9的制动部92的槽或空腔。

图6是图1的柔性制动装置100的外圈1和内圈12安装完成后的结构剖视图，为清楚起见，省略了其他构件。内圈12套入外圈1中，并通过磁轭2（图中未示出）连接在一起。安装完成后，在内圈12和外圈之间分别形成有用于容纳制动轮的制动部92的制动槽9a、用于容纳线圈绕组3的线圈绕组槽3a、以及用于安装磁轭2的磁轭安装槽2a。

在内圈12和外圈1形成的制动槽9a与线圈绕组槽3a之间形成有环形口4a，如图7所示更清楚示出的。环形口4a填充有树脂，由此形成隔磁环4。隔磁环4起到对磁路导向的作用，使磁力线有效的穿过磁触变胶，增加磁场效应的利用率。

较佳地，环形口4a的横截面尺寸在1~2mm之间，所填充树脂是酚醛树脂。

图8和图9是图1中的柔性制动装置100的磁轭2的一个实施例的结构示意图。如图8和图9所示，磁轭2是环状一体件，沿磁轭2的内周边缘和外周边缘分别沿周向设有多个安装孔21、22，本实施例中，分别设有6个安装孔21和6个安装孔22。安装时，磁轭2容纳在由外圈1和内圈12形成的磁轭安装槽2a，并通过螺栓固定连接。

图10和图11是图1中的柔性制动装置100的制动轮9的一个实施例的结构示意图。如图10和图11所示，制动轮9为环状一体件，由下到上依次设有制动部92和固定部91。固定部91的外周边缘和内周边缘分别沿周向设有多个固定孔93，本实施例中，分别内周边缘和外周边缘各设有6个固定孔93。制动部92的外径比制动槽的外径稍小，安装时，制动轮9的固定部91通过螺栓固定到风电机组的机舱座上，制动部92插入由内、外圈形成的制动槽9a中。

柔性制动装置100装配完成后，如图1所示，线圈绕组3固定在线圈绕组槽或腔3a中，并通过导线和接线柱11与外部电源和风电机组控制系统连接。内线圈12、外线圈1、以及制动轮9之间形成有“U”型间隙，“U”型间隙内填充有磁触变胶5。在线圈绕组3受到激励后，磁触变胶5在磁场的作用下将发送流变。

为防止磁触变胶5流变后，在力的作用下会沿“U”型口溢出，在“U”型间隙的出口处设置了密封装置。密封装置包括通过螺栓分别固定在外圈1和内圈12的上表面上的密封盖6和密封盖10，以及分别设置在密封盖6和密封盖10上的密封圈槽中的密封圈7和密封圈8。该密封装置有效地防止了磁触变胶5的溢出，以有效利用制动工质，同时保持制动系统的清洁。

上述实施例中，较佳的，内圈、外圈、以及磁轭由软磁材料制成。

较佳地，磁轭2和内圈12、外圈1之间装配时应过渡或过盈配合连接，以减小磁路上的磁阻，磁轭2上装有可拆卸螺钉，便于线圈绕组3维护。

上述实施例中，所述的内圈12、外圈1沿制动轮9的制动部92的旋转轴心左右对称分布，且激磁线圈绕组3也沿该旋转轴心对称布置。

此外，应注意，上述实施例中，风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置既可以用于外齿偏航制动，也可以用于内齿偏航制动，制动轮9和机舱底座的联接接口以及内圈12、外圈1与塔筒法兰的联接接口设计应根据所装备的风机型号进行接口设计。

本发明风电机组偏航制动装置采用磁触变胶在磁场下流变致阻尼的工作原理，使制动过程成为胶状柔性阻尼逐渐增强变化的过程，为偏航过程提供转动阻尼，并在偏航完成后对风机进行柔性锁紧。避免了传统偏航机械制动刚性接触制动所引起的风机整机振动，制动力过大造成的蠕动振颤等问题，可以有效降低偏航驱动系统轮齿的磨损及点蚀，降低制动噪声，有效提高了齿轮箱寿命，降低风机运营成本。

此外，与传统的风电机组偏航制动装置相比较，本发明的制动装置结构简单紧凑，制动动力系统采用电流源替代了原液压系统，解决了液压系统重量大及液压油泄露及密封问题，去除了原有摩擦盘上安装的多个偏航制动器，有效降低了风电机组偏航制动系统制造以及运营成本。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种风电机组偏航制动磁触变柔性制动装置，其特征在于，包括外圈、内圈、磁轭、线圈绕组、制动轮、以及磁触变胶，其中，

所述外圈和所述内圈通过所述磁轭连接，并可固定到风电机组的塔筒法兰上；

所述制动轮包括固定部和制动部，并可通过所述固定部固定到风电机组的机舱座上；

所述外圈与所述内圈连接后，形成有用于容纳所述制动轮的制动部的制动槽和用于容纳所述线圈绕组的线圈绕组槽；以及

所述制动轮的制动部可转动地安装到所述制动槽后，在所述制动部与所述内圈和所述外圈之间形成有间隙，所述磁触变胶容纳在所述间隙内。

2.根据权利要求1所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：所述磁触变胶与所述线圈绕组之间设有隔磁环。

3.根据权利要求2所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：由所述内圈和所述外圈形成的所述制动槽与所述线圈绕组槽之间形成有环形口，所述环形口填充有树脂，由此形成所述隔磁环。

4.根据权利要求1所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：所述间隙是“U”型工作空间，所述磁触变胶密闭在所述“U”型工作空间中。

5.根据权利要求1所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：在所述间隙的出口处设有密封装置，防止所述磁触变胶泄漏。

6.根据权利要求5所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：所述密封装置包括密封盖和密封圈，所述密封盖分别固定在所述外圈和所述内圈的上表面上并设有密封圈槽，所述密封圈安装在所述密封盖的所述密封圈槽中。

7.根据权利要求1所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：

所述外圈为环状一体件，内周上一体设有多个环形台阶；

所述内圈为环状一体件，外周上一体设有多个环形台阶；且

所述外圈与所述内圈连接后，所述外圈的多个环形台阶和所述内圈的多个环形台阶组合分别形成用于容纳所述磁轭的磁轭安装槽和用于容纳线圈绕组的线圈绕组槽。

8.根据权利要求1所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：所述磁轭是环状一体件，沿所述磁轭的内周边缘和外周边缘分别沿周向设有多个安装孔。

9.根据权利要求1所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：所述制动轮为环状一体件，由下到上依次设有所述制动部和所述固定部，沿所述固定部周向设有多个固定孔。

10.根据权利要求1所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：所述线圈绕组通过导线连接到风电机组的控制系统。

11.根据权利要求1所述的磁触变柔性制动装置，其特征在于：制动时，所述磁触变胶在所述线圈绕组的激励下变成链柱状的固体或类固体状态，偏航时，所述磁触变胶恢复到弱阻尼胶体状态。

12.一种风电机组，包括偏航系统，其特征在于：所述偏航系统包括权利要求1-11中任一项所述的偏航制动磁触变柔性制动装置。

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