CN103266988A

CN103266988A - 风力发电机组及其变桨驱动系统

Info

Publication number: CN103266988A
Application number: CN2013101986418A
Authority: CN
Inventors: 方振江
Original assignee: Beijing Goldwind Science and Creation Windpower Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Goldwind Science and Creation Windpower Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: CN103266988B

Abstract

本发明公开了一种变桨驱动系统，用于风力发电机组，所述变桨驱动系统包括电机以及与所述电机的输出轴连接的减速器，所述减速器包括与所述电机的输出轴连接并具有多级传动的行星齿轮传动系统，所述行星齿轮传动系统的输出端与风力发电机组的叶片固定连接。本发明所提供的变桨驱动系统采用闭式齿轮传动，在行星齿轮传动系统运转时，相啮合的齿数增加，且相啮合的齿轮受力得到了改善，提高了变桨驱动系统的可靠性和使用寿命。此外，在本发明所提供的变桨驱动系统中采用行星齿轮传动系统，省去了变桨轴承，有助于使变桨驱动系统的结构更加紧凑。

Description

风力发电机组及其变桨驱动系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体地说，本发明涉及一种变桨驱动系统，此外，本发明还涉及一种具有该变桨驱动系统的风力发电机组。

背景技术

在利用风力发电机组进行发电的过程中，由于风向和风速实时变化，为了对风力发电机组的叶片旋转速度和输出功率进行控制，在每个叶片上均设置有变桨驱动系统。变桨驱动系统通过控制叶片的相对于风向的角度来控制轮毂的转速，从而实现对输出功率的控制。此外，当风速远超过额定风速时，可以利用空气动力制动方式使风力发电机组安全地停机。一般而言，目前常用的变桨驱动系统包括液压式变桨系统和电动变桨系统。

图1示出了目前较为普遍的变桨驱动系统，对于风力发电机组的每个叶片5而言，均具有单独的变桨驱动系统，且变桨驱动系统安装在轮毂上。变桨驱动系统大体包括电机1、与电机1的输出轴连接的减速器3以及变桨轴承4。变桨轴承4的外圈与减速器3的输出轴相啮合，且与风力发电机组的叶片5固定连接，而内圈固定在风力发电机组的轮毂2上。来自电机1的扭矩较小而转速较高的输出经过减速器3的减速增扭作用后转换为扭矩相对较大而转速相对较低。通过减速器3的输出轴与变桨轴承4的一级齿轮副传动（或者通过传动带副）而带动变桨轴承4的外圈并进一步地带动叶片5的根部转动，这样，叶片5一方面可以在风力作用下旋转，并同时带动轮毂2一起旋转，另一方面，电机1可以带动叶片5的根部转动，以对叶片5相对于风向的角度进行调节，即，进行变桨控制。

对于上述变桨驱动系统，采用的是开式齿轮传动，需要一定的润滑条件，且减速器3的输出轴为悬臂支撑式结构，导致输出轴可能会存在一定的变形，可能会使得相啮合的齿轮的齿面受力不均匀，降低变桨驱动系统的使用寿命。此外，由于变桨驱动系统对叶片5的角度进行调节的范围只在0度-90度之间，所以在进行变桨控制时减速器3的输出轴与变桨轴承4只有部分齿进行啮合，而其他齿始终处于不作业状态。

因此，提供一种能够提高使用寿命且结构紧凑的变桨驱动系统是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种变桨驱动系统，所述变桨驱动系统的使用寿命得到提高，且结构较为紧凑，可靠性高。此外，本发明的另一目的是提供一种包括所述变桨驱动系统的风力发电机组。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于风力发电机组的变桨驱动系统，所述变桨驱动系统包括电机以及与所述电机的输出轴连接的减速器，所述减速器包括与所述电机的输出轴连接并具有多级传动的行星齿轮传动系统，所述行星齿轮传动系统的输出端与风力发电机组的叶片固定连接。

优选地，所述行星齿轮传动系统包括与所述电机的输出轴连接的输入轴、多级相互啮合的太阳轮和行星轮、固定行星轮的行星架以及与行星轮啮合的内齿圈，其中，第一级太阳轮与所述电机的输出轴连接，来自上一级相互啮合的太阳轮和行星轮的动力通过行星架而传递至下一级太阳轮，用于固定最后一级行星轮的行星架固定到所述风力发电机组的轮毂，以将动力从最后一级行星轮传递至作为所述输出端的内齿圈。

优选地，所述变桨驱动系统还包括与所述风力发电机的轮毂固定连接的空心轴，所述空心轴安装在所述减速器的输入轴的靠近所述电机的一端处或者所述电机的输出轴的靠近所述减速器的一端处，所述内齿圈通过所述减速器的侧壳体支撑在所述空心轴上。

优选地，在所述侧壳体和所述空心轴之间设置有两列圆锥滚子轴承，以支撑所述内齿圈。

优选地，所述行星齿轮传动系统的固定最后一级行星轮的行星架通过所述空心轴而固定到所述风力发电机组的轮毂。

优选地，所述内齿圈通过连接件与所述风力发电机组的叶片固定连接。

优选地，所述连接件的形状为毂状，并沿所述内齿圈的周向均匀地分布。

优选地，所述电机为交流伺服电机。

此外，本发明还提供了一种风力发电机组，包括叶片，所述叶片的根部与上述变桨驱动系统固定连接。

在需要对风力发电机组的叶片相对于风向的角度进行调节时，首先电机驱动减速器运转，在减速器的减速作用下，将从电机输入的较高的转速转换为减速器的输出端处的较低的转速，进而带动风力发电机组的叶片旋转，实现对叶片角度的调节。本发明所提供的变桨驱动系统采用闭式齿轮传动，取代了现有技术中的开式齿轮传动，并且在行星齿轮传动系统运转时，相啮合的齿数增加，且相啮合的齿轮受力得到了改善，提高了变桨驱动系统的可靠性和使用寿命。此外，在本发明所提供的变桨驱动系统中采用行星齿轮传动系统，省去了变桨轴承，有助于使变桨驱动系统的结构更加紧凑。

本发明所提供的风力发电机组具有与上述变桨驱动系统相同的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1是现有技术中的变桨驱动系统结构示意图；

图2是示出根据本发明的具体实施例的变桨驱动系统的结构示意图；

图3是图2所示的变桨驱动系统的传动简图。

具体实施方式

本发明的核心在于提供了一种变桨驱动系统以及包括所述变桨驱动系统的风力发电机组，所述变桨驱动系统的可靠性较高且寿命相对较长。

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面通过结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

参照图2和图3，图2是示出根据本发明的具体实施例的变桨驱动系统的结构示意图，图3是图2所示的变桨驱动系统的传动简图。

根据本发明的一个实施例，用于风力发电机的变桨驱动系统包括电机10和减速器。电机10为变桨驱动系统的动力源，电机10的驱动力通过减速器中的传动系统减速后，驱动风力发电机组的叶片17转动。减速器包括行星齿轮传动系统，该行星齿轮传动系统与电机10的输出轴30连接，接收电机10的旋转输入，且行星齿轮传动系统的输出端（或者输出件）与叶片17固定连接，具体地，与叶片17的根部固定连接，从而将从电机10产生的动力传递至叶片17，使叶片17能够相对于风向在一定角度范围内转动。也就是说，叶片17一方面在风力的带动下进行周向地旋转，进而带动风力发电机组的轮毂11同时旋转，进行发电作业，另一方面，叶片17在电机10的驱动下转动至一定的角度，从而调节叶片17与风向之间的角度，控制风力发电机组的叶片17的转速以及输出功率。

电机10具体地可以为交流伺服电机，从而能够精确、及时地响应于风向和风速的变化，对叶片17的入流角度（即，与风向之间的角度）进行调节。此外，电机10也可以为其他的形式，如变频电机，只要能够准确地、及时地调节叶片17的角度即可。

减速器能够将从电机10输出的转速较高、扭矩较小的转动转换为转速较小、扭矩较大的转动，从而能够可靠地驱动叶片17转动至适宜的角度。

一般来说，电机17输出的转速相对较高，而对叶片17进行变桨控制时，所需要的扭矩要大得多且转速要小得多，所以减速器中的行星齿轮传动系统可以为多级传动，以便具有较大的传动比。例如，在一个具体实施例中，可以为2至6级行星齿轮传动系统，从而能够实现预期的减速效果，控制风力发电机组的叶片17的转速和输出功率。在下面描述的示例性实施例中，减速器的行星齿轮传动系统为四级行星齿轮传动系统。当然，减速器的行星齿轮传动系统也可以为其他形式，只要能够具有足够的传动比，将转速降低至一定水平，且足以驱动叶片17随风向或风速进行预期的转动即可。

具体地说，在减速器采用行星齿轮传动系统的情况下，所述减速器包括与电机10的输出轴30连接的输入轴31、相互啮合的太阳轮和行星轮、用于支撑行星轮的行星架以及与行星轮啮合的内齿圈18。用于固定最后一级行星轮的行星架与风力发电机组的轮毂11固定连接，也就是说，减速器的输出端为内齿圈18，那么风力发电机组的叶片17便与内齿圈18固定。此外，减速器的输入轴31与电机10的输出轴30之间优选地通过花键固定连接在一起。此外，还可以采用其他连接形式，例如，滑块。

风力发电机组的叶片17可以通过连接件15固定到内齿圈18，连接件15与叶片17之间可以通过紧固螺栓32固定连接。连接件15的形状具体地可为毂状，即，连接件15可沿内齿圈18的周向均匀地分布，以使内齿圈18的受力尽量地均匀。需要说明的是，本发明并不限于此，叶片17与内齿圈18之间还可以采用其他适宜的形式连接，只要保证内齿圈18能够带动叶片17转动即可，例如，可以加大减速器的尺寸，使叶片17与内齿圈18直接固定连接，但是这时，减速器的尺寸和重量可能会过大。

本发明提供的变桨驱动系统还可包括与风力发电机组的轮毂11固定连接的空心轴12，减速器还可包括与内齿圈18一起构成减速器的外壳的第一侧壳体14和第二侧壳体33，第一侧壳体14与第二侧壳体33还可以与风力发电机的叶片固定连接，这样，上述两个侧壳体与内齿圈18可以一起作为减速器的输出端。空心轴12可以安装在减速器的与电机10的输出轴30连接的输入轴31上，具体地位于输入轴31的靠近电机10的一端处。此外，空心轴12还可以安装在电机10的输出轴30的靠近减速器的一端处，如图2所示。减速器的输入轴31的端部可以延伸至电机10的输出轴30内，并优选地通过花键连接。这样，如图2所示，减速器的内齿圈18可以通过第一侧壳体14支撑在空心轴12的外周上。

由于空心轴12与轮毂11一起旋转，内齿圈18与第一侧壳体14一起转动，所以在空心轴12与第一侧壳体14之间存在一定的相对运动，这样，在空心轴12和第一侧壳体14之间可以进一步地设置有两列圆锥滚子轴承13，以利用空心轴12和圆锥滚子轴承13支撑内齿圈18以及固定在内齿圈18上的叶片17，并降低相互接触的部件之间的磨损。为了增大空心轴12的支撑强度和减速器的可靠性，以更稳定地支撑叶片17，不论空心轴12安装在哪个轴上，应尽量地使该轴的安装空心轴12的部分的直径大些，并尽量增大空心轴12和第一侧壳体14的支撑面积。

在四级行星齿轮传动系统中，减速器可包括四个太阳轮、四个行星轮和四个行星架。具体地说，太阳轮22、23、24、25分别与行星轮21、20、19、16啮合，行星轮21、20、19、16分别固定安装在行星架29、28、27、26上。行星架29、28和27分别用于将上一级的行星轮21、20和19与下一级的太阳轮23、24和25固定连接。第一级太阳轮22通过与减速器的输入轴31而与电机10的输入轴30固定连接。而其他太阳轮23、24、25则可通过轴承安装在输入轴31上。也就是说，相互啮合的太阳轮22和行星轮21为第一级传动，太阳轮23和行星轮20为第二级传动，太阳轮24和行星轮19为第三级传动，太阳轮25和行星轮16为第四级（即，最后一级）传动。这样，用于安装和支撑行星轮16的行星架26便与轮毂11固定，例如，可以通过空心轴12将行星架26固定到轮毂11，具体地说，空心轴12与行星架26之间可以通过花键连接，这样，空心轴12便可将行星架26与轮毂11固定连接。

此外，上述行星轮21、20、19、16均可以设置多个，以更好的进行动力传动，例如，各个行星轮的数量可以为三个。

具体地说，电机10传递的动力首先经过减速器的输入轴31带动第一级太阳轮22旋转，继而带动与其啮合的行星轮21旋转，同时行星轮21还与内齿圈18啮合，即，行星轮21在自转的同时绕太阳轮22进行公转。这样，动力经过相互啮合的太阳轮22和行星轮21得到了第一级减速。行星轮21转动的同时带动行星架29旋转。在行星架29的驱动下，带动第二级太阳轮23旋转，在太阳轮23与行星轮20的啮合作用下，使动力得到了第二级减速。此后，动力依次经过行星架28、第三级相互啮合的太阳轮24和行星轮19以及行星架27之后被传递至第四级太阳轮25，与太阳轮25啮合的行星轮16也同时转动。由于用于安装行星轮16的行星架26与轮毂11固定，即，行星轮16仅进行自转，所以动力被传递至与行星轮16啮合的内齿圈18，最终带动与内齿圈18固定的叶片17转动。从上述可知，动力在经过四级减速之后才被传递至叶片18，这样，本发明所提供的减速器能够具有足够大的传动比，对由电机10传递的动力进行减速，同时能够可靠地提高所传递的扭矩。

当外界的风速大于风力发电机组的额定风速时，电机10便在控制信号下开始向减速器传递动力，此时，在电机10的输入轴的转速较大且转矩较小。在减速器中，经过行星齿轮传动系统的多级减速作用下，将动力传递至减速器的输出端，即，内齿圈18，而在内齿圈18上转速相对较小、转矩相对较大，能够通过连接件15可靠地带动叶片17转动至预定的角度处，从而控制叶片17的转速以及风力发电机组的输出功率。当风速过大或者发生其他需要停机的情况时，本发明所提供的变桨驱动系统能够利用空气动力学在电机10的驱动下进行安全停机，使叶片17顺桨至90度位置。

本发明所提供的变桨驱动系统，采用闭式齿轮传动，取代了现有技术中的开式齿轮传动和变桨轴承结构，且在进行变桨控制时，在行星齿轮传动系统中，相互啮合的齿数增加，这样，相啮合的齿轮受力得到了改善，提高了变桨驱动系统的可靠性和使用寿命。此外，在本发明所提供的变桨驱动系统中采用行星齿轮传动系统，省去了变桨轴承，且采用圆锥滚子轴承支撑减速器和叶片，有助于使变桨驱动系统的结构更加紧凑、重量相对地降低。

除此以外，根据本发明的另一实施例，还提供了一种风力发电机组，所述风力发电机组包括叶片17，该叶片17的根据连接到上述变桨驱动系统。在风力发电机组中，通常包括多个叶片17，对于每个叶片而言，均配备有单独的变桨驱动系统，叶片17与变桨驱动系统一一对应。对于风力发电机组的其他结构，请参考现有技术，并且本发明所提供的风力发电机组具有与上述变桨驱动系统相同的技术效果，在此不再赘述。

上面对本发明所提供的风力发电机组及其变桨驱动系统进行了详细描述，虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，且这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种变桨驱动系统，用于风力发电机组，所述变桨驱动系统包括电机以及与所述电机的输出轴连接的减速器，其特征在于，所述减速器包括与所述电机的输出轴连接并具有多级传动的行星齿轮传动系统，所述行星齿轮传动系统的输出端与风力发电机组的叶片固定连接。

2.根据权利要求1所述的变桨驱动系统，其特征在于，所述行星齿轮传动系统包括与所述电机的输出轴连接的输入轴、多级相互啮合的太阳轮和行星轮、固定行星轮的行星架以及与行星轮啮合的内齿圈，其中，第一级太阳轮与所述电机的输出轴连接，来自上一级相互啮合的太阳轮和行星轮的动力通过行星架而传递至下一级太阳轮，用于固定最后一级行星轮的行星架固定到所述风力发电机组的轮毂，以将动力从最后一级行星轮传递至作为所述输出端的内齿圈。

3.根据权利要求2所述的变桨驱动系统，其特征在于，所述变桨驱动系统还包括与所述风力发电机的轮毂固定连接的空心轴，所述空心轴安装在所述减速器的输入轴的靠近所述电机的一端处或者所述电机的输出轴的靠近所述减速器的一端处，所述内齿圈通过所述减速器的侧壳体支撑在所述空心轴上。

4.根据权利要求3所述的变桨驱动系统，其特征在于，在所述侧壳体和所述空心轴之间设置有两列圆锥滚子轴承，以支撑所述内齿圈。

5.根据权利要求3所述的变桨驱动系统，其特征在于，所述行星齿轮传动系统的固定最后一级行星轮的行星架通过所述空心轴而固定到所述风力发电机组的轮毂。

6.根据权利要求2所述的变桨驱动系统，其特征在于，所述内齿圈通过连接件与所述风力发电机组的叶片固定连接。

7.根据权利要求6所述的变桨驱动系统，其特征在于，所述连接件的形状为毂状，并沿所述内齿圈的周向均匀地分布。

8.根据权利要求1所述的变桨驱动系统，其特征在于，所述电机为交流伺服电机。

9.一种风力发电机组，包括叶片，其特征在于，所述叶片的根部与如权利要求1至8任意一项所述的变桨驱动系统固定连接。