CN103670941B - 一种变桨距垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变桨距垂直轴风力发电机，包括底座、中央立柱、多个桨叶、带传动机构、发电机和变桨距装置；变桨距装置由调距结构和牵引点位置调整结构组成；调距结构包括与中央立柱同轴设置的八角盘和多个相互独立的六杆机构，牵引点位置调整结构包括偏心轴、偏心套筒和设置在底座内的传动机构；传动机构包括两组相互平行的蜗轮蜗杆传动结构A和蜗轮蜗杆传动结构B；控制系统包括风向及风速传感器、模数转换器和单片机，单片机控制步进电机A和步进电机B转动，用以调整偏心轴的轴线位置，进而改变桨叶的桨距角。本发明风力发电机具有桨距角可根据风向变化而周期性自动调节的特点，可以弥补垂直轴风力发电机自启动性能差、风能利用率低的缺点。

Description

一种变桨距垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电领域，更具体地说，是涉及一种变桨距的垂直轴风力发电机。

背景技术

根据转轴的空间方向，风力发电机可分为水平轴风电机和垂直轴风电机两类。目前，水平轴风电机技术较为成熟，应用较广。较之水平轴风电机，垂直轴风电机结构简单，工作不受风向影响，叶片寿命长，噪音小，运营维护成本低，具有很好的应用前景。但垂直轴风电机也存在自启动性能差、风能利用率低等问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种新型变桨距垂直轴风力发电机。该风力发电机具有桨距角可根据风向变化而周期性自动调节的功能。该特点可以为风力发电机提供一额外气动转矩，弥补垂直轴风力发电机自启动性能差、风能利用率低的缺点。本发明所采用的机械调距机构具有结构紧凑，可靠性高的优点。

为了解决上述技术问题，本发明一种变桨距垂直轴风力发电机，包括底座、中央立柱、多个周向上均布的桨叶、带传动机构、发电机和变桨距装置；所述变桨距装置由调距结构和牵引点位置调整结构组成；所述调距结构包括与中央立柱同轴设置的八角盘和多个相互独立的六杆机构，六杆机构的个数与桨叶的数量个数相同；所述中央立柱设有偏心通孔，所述偏心通孔内设有偏心套筒和偏心轴；所述六杆机构包括桨叶连杆、长牵引杆、横梁、短牵引杆和叉状连杆，所述叉状连杆通过一推力轴承与偏心轴相连，所述短牵引杆的一端固定在所述八角盘上，所述长牵引杆的一端、所述短牵引杆的另一端均分别通过销钉与所述叉状连杆相连；所述横梁的一端与所述八角盘刚性联接构成一连杆,所述横梁的另一端设有竖直方向的小轴，所述桨叶连杆的一端套在所述小轴上，所述桨叶连杆的另一端与所述长牵引杆的另一端铰接；所述桨叶的弦线与所述桨叶连杆的轴线共面，使所述桨叶连杆的摆角与所述桨叶的摆角相等；所述牵引点位置调整结构包括偏心轴、偏心套筒和设置在所述底座内的传动机构；所述偏心轴的上轴头穿过所述八角盘与调距结构中的叉状连杆相连；所述偏心轴及偏心套筒组成一两自由度机构，所述偏心轴与偏心套筒的偏心距相等；所述偏心轴的下轴头上设有偏心轴齿轮；所述传动机构包括两组相互平行的蜗轮蜗杆传动结构A和蜗轮蜗杆传动结构B；所述蜗轮蜗杆传动结构A中的蜗轮A内设有与偏心轴同轴的齿轮啮合的内齿圈，所述蜗轮蜗杆传动结构A中的蜗杆A通过一联轴器A与步进电机A相连，所述蜗杆A与蜗轮A之间为自锁；所述蜗轮蜗杆传动结构B中的蜗轮B通过偏心套筒法兰与所述偏心套筒相连，所述蜗轮B与所述中央立柱同轴，所述蜗轮蜗杆传动结构B中的蜗杆B通过一联轴器B与步进电机B相连，所述蜗杆B与蜗轮B之间为自锁；所述控制系统包括风向及风速传感器、模数转换器和单片机，所述单片机控制步进电机A和步进电机B转动，用以调整偏心轴的轴线位置，进而改变桨叶的桨距角。

变桨距技术是通过改变叶片的桨距角来改变风电机的气动性能，将其应用于垂直轴风电机，可以提高风电机的风能利用率和自启动性能，弥补其自身的缺点。根据流体力学原理，桨叶桨矩角周期性变化时，可在水平面内产生一侧向推力。将此原理应用于垂直轴风电机，不仅可以调节桨叶所受升力与阻力，使其获得最大切向力，还可使其在旋转时受到一额外侧向推力，产生额外气动转矩，提高风能利用率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明为一种桨距可变的垂直轴风力发电机。根据流体力学理论分析与数值计算，变桨距可有效提高垂直轴风力发电机的风能利用率和自启动性能。

（2）本发明中风力发电机的各组桨叶桨距角呈周期性变化，相互关联。根据流体力学理论分析，风电机工作时，桨距周期性变化的桨叶可产生侧向推力，进而产生一额外气动转矩，推动风轮旋转。

（3）本发明中的牵引点位置调整机构具有自锁及固定电机的优点。风电机稳定工作时，牵引点位置因自锁而固定；调整牵引点位置时，两步进电机固定不动，避免电线缠绕等问题。

（4）本发明的变桨距系统为全自动控制，桨距变化规律根据风向、风速自动调整。

（5）本发明采用机械调距机构，使所有电控系统和发电装置安装在立轴底部，减轻了风车顶部重量，结构更加可靠合理。

附图说明

图1是本发明风力发电机立体结构示意图；

图2是图1所示风力发电机的主视图；

图3是本发明风力发电机中调距机构的结构示意图；

图4是图3中调距机构牵引点部分示意图；

图5是图1中所示调距机构桨叶部分示意图；

图6是图1中所示牵引点位置调整机构的上部结构示意图；

图7是图1中所示牵引点位置调整机构的下部结构示意图；

图8是图7所示牵引点位置调整机构的下部结构的剖视图。

图中：1-中央立柱，2-桨叶，3-横梁，4-带传动机构，5-发电机，6-桨叶连杆，7-长牵引杆，8-八角盘，9-短牵引杆，10-偏心轴，11-叉状连杆，12-小轴，13-偏心通孔，14-偏心套筒，15-联轴器A，16-步进电机B，17-蜗杆A，18-步进电机A，19-上底板，20-下底板，21-偏心套筒法兰，22-蜗轮B，23-电机法兰，24-底座轴承压盖，25-蜗杆B，26-蜗轮A，27-齿圈，28-偏心轴齿轮，29-蜗轮A法兰，30-套筒。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1和图2所示，本发明一种变桨距垂直轴风力发电机，包括控制系统、底座、中央立柱1、多个周向上均布的桨叶2（本实施例以具有4个桨叶2为例）、带传动机构4和发电机5,风轮转矩通过同步带传至发电机，输出电能，用于完成风力发电功能。

本发明中还包括有变桨距装置，所述变桨距装置由调距结构和牵引点位置调整结构组成。

如图1和图3所示，所述调距结构位于整个风力发电机的顶部，由与中央立柱1同轴设置的八角盘8和四个独立六杆机构组成，用于调节风力发电机桨距角，使其周期性变化。如图6所示，所述中央立柱1设有偏心通孔13，所述偏心通孔13内设有偏心套筒14和偏心轴10。如图3、图4和图5所示，所述六杆机构包括桨叶连杆6、长牵引杆7、横梁3、短牵引杆9和叉状连杆11，所述叉状连杆11通过一推力轴承与偏心轴10相连，所述短牵引杆9的一端固定在所述八角盘8上，所述长牵引杆7的一端、所述短牵引杆9的另一端均分别通过销钉与所述叉状连杆11相连；所述横梁3的一端与所述八角盘8刚性联接构成一连杆,所述横梁3的另一端设有竖直方向的小轴12，所述桨叶连杆6的一端套在所述小轴12上，所述桨叶连杆6的另一端与所述长牵引杆7的另一端铰接；桨叶2通过小轴12与桨叶连杆6由螺栓联接，小轴12穿过横梁3，横梁3可绕小轴12转动，所述桨叶2的弦线与所述桨叶连杆6的轴线共面，使所述桨叶连杆6的摆角与所述桨叶2的摆角相等。偏心轴10的轴线为调距机构牵引点。通过牵引点位置调整结构的调控，牵引点可以在水平面内移动。

如图6和图7所示，所述牵引点位置调整结构用于调整上述调距结构中的偏心轴10的轴线（即牵引点）位置，所述牵引点位置调整结构包括偏心轴10、偏心套筒14和设置在所述底座内的传动机构；所述偏心轴10的上轴头穿过所述八角盘8与调距结构中的叉状连杆相连；所述偏心轴10及偏心套筒14组成一两自由度机构，所述偏心轴10与偏心套筒14的偏心距相等，以保证偏心轴10的轴线可以调至与中央立柱1的轴线重合，转动偏心轴10及偏心套筒14可以使牵引点（偏心轴10轴线）在一圆面内自由移动，所述偏心轴10的下轴头上设有偏心轴齿轮28。

如图8所示，所述传动机构包括两组相互平行的蜗轮蜗杆传动结构A和蜗轮蜗杆传动结构B；所述蜗轮蜗杆传动结构A中的蜗轮A26内设有与偏心轴同轴的齿轮28啮合的内齿圈27，所述蜗轮蜗杆传动结构A中的蜗杆A17通过一联轴器A15与步进电机A16相连，所述蜗杆A17与蜗轮A26之间为自锁；所述蜗轮蜗杆传动结构B中的蜗轮B22通过偏心套筒法兰21与所述偏心套筒14相连，所述蜗轮B与所述中央立柱1同轴，所述蜗轮蜗杆传动结构B中的蜗杆B25通过一联轴器B与步进电机B18相连，所述蜗杆B25与蜗轮B22之间为自锁,蜗杆A17和蜗杆B25均为单头，保证反行程自锁。步进电机A16和步进电机B18分别经联轴器A15和联轴器B与蜗杆A和蜗杆B相连，用于控制偏心轴10、偏心套筒14的旋转,步进电机固定在电机法兰23上，底座包括上底板19和下底板20，所述下底板20上设有底座轴承压盖24，蜗轮蜗杆传动结构A的底端设有蜗轮A法兰29，该法兰与下底板20之间设有两组滚动轴承，两组滚动轴承之间设有套筒30。

本发明中的控制系统包括风向及风速传感器、模数转换器和单片机，所述单片机控制步进电机A和步进电机B转动，用以调整偏心轴10的轴线位置，进而改变桨叶2的桨距角。

本发明变桨距垂直轴风力发电机的工作过程是：风力发电机启动后，风向及风速传感器同时启动，控制系统中的风向及风速传感器将测量到的风向、风速信号经模数转换器转为数字信号后传至单片机，单片机根据预制程序做出判断，单片机控制步进电机A和步进电机B的转动，调整牵引点（偏心轴10的轴线）位置，进而改变桨叶2的桨距角。两个步进电机转动顺序为：与蜗杆B25相连的步进电机B18先转，动作完成后，与蜗杆A17相连的步进电机A16再转。牵引点到达预定位置后，保持固定不动。此时，风力发电机桨叶2的桨距角可周期性变化，该变化产生的推力方向与来流风向一致。当风向变化而风速不变时，牵引点的偏心距不变，偏心方向改变；当风速变化而风向不变时，牵引点的偏心方向不变，偏心距改变。当传感器再次侦测到风向、风速改变时，各机构的运动重复上述过程。

具体讲，当牵引点位于中央立柱1轴线上，即偏心轴10与中央立柱1同轴时，桨叶2的桨距角为90度，且在运动过程中无变化，此时不产生额外气动转矩。当牵引点偏离中央立柱1轴线时，四组桨叶2的桨距角均改变。此时若风力发电机转动，桨叶2的桨距角将发生周期性变化，产生一水平方向推力，推力方向由牵引点偏移方向决定，推力大小由牵引点偏心距离决定。风力发电机工作时，风向与风速传感器将测量到的风向、风速信号经模数转换器输入单片机，单片机根据预制程序控制两步进电机的转动，经牵引点位置调整结构的传动将牵引点调制合适位置，以产生与来流风向同向的推力。当风向与风速恒定时，风力发电机（发电机）保持稳定工作，牵引点位置固定不动。需要调整牵引点位置时，与蜗杆B25连接的步进电机B16先转动，经过蜗轮B22的传动，使偏心套筒14转动。在此过程中，与偏心套筒14中的偏心通孔13同轴的偏心轴10轴线将随之转动。由于齿圈27与蜗轮A26刚性联接，单头蜗杆具有自锁功能，偏心轴齿轮28转动时，齿圈27保持不动，偏心轴齿轮28将在齿圈27上爬行。步进电机B18动作完成后，与蜗杆A17相连的步进电机A16转动，带动蜗轮A26、齿圈27转动。齿圈27与偏心轴齿轮28内啮合，使其转动，并带动偏心轴10绕自身轴线转动。由于蜗杆B25、蜗轮B22间存在自锁，偏心轴10转动时，其轴线不会移动。本发明中牵引点位置调整结构主要有两个优点：一是利用蜗轮蜗杆反行程自锁特点，保证风电机稳定工作时，牵引点位置不变；二是在保证两步进电机固定不动的前提下，实现对二自由度机构的控制，避免电机自身转动带来的电线缠绕等问题。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，元件造型、连接方式不经创造性的设计，与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种变桨距垂直轴风力发电机，包括控制系统、底座、中央立柱(1)、多个周向上均布的桨叶（2）、带传动机构（4）和发电机（5），其特征在于，

还包括有变桨距装置，所述变桨距装置由调距结构和牵引点位置调整结构组成；

所述调距结构包括与中央立柱（1）同轴设置的八角盘（8）和多个相互独立的六杆机构，六杆机构的个数与桨叶（2）的数量个数相同；

所述中央立柱（1）设有偏心通孔（13），所述偏心通孔（13）内设有偏心套筒（14）和偏心轴（10）；

所述六杆机构包括桨叶连杆（6）、长牵引杆（7）、横梁（3）、短牵引杆（9）和叉状连杆（11），所述叉状连杆（11）通过一推力轴承与偏心轴（10）相连，所述短牵引杆（9）的一端固定在所述八角盘（8）上，所述长牵引杆（7）的一端、所述短牵引杆（9）的另一端均分别通过销钉与所述叉状连杆（11）相连；所述横梁（3）的一端与所述八角盘（8）刚性联接构成一连杆,所述横梁（3）的另一端设有竖直方向的小轴（12），所述桨叶连杆（6）的一端套在所述小轴（12）上，所述桨叶连杆（6）的另一端与所述长牵引杆（7）的另一端铰接；所述桨叶（2）的弦线与所述桨叶连杆（6）的轴线共面，使所述桨叶连杆（6）的摆角与所述桨叶（2）的摆角相等；

所述牵引点位置调整结构包括偏心轴（10）、偏心套筒（14）和设置在所述底座内的传动机构；

所述偏心轴（10）的上轴头穿过所述八角盘（8）与调距结构中的叉状连杆（11）相连；所述偏心轴（10）及偏心套筒（14）组成一两自由度机构，所述偏心轴（10）与偏心套筒（14）的偏心距相等；所述偏心轴（10）的下轴头上设有偏心轴齿轮（28）；

所述传动机构包括两组相互平行的蜗轮蜗杆传动结构A和蜗轮蜗杆传动结构B，所述蜗轮蜗杆传动结构A中的蜗轮A（26）内设有与偏心轴（10）同轴的偏心轴齿轮（28）啮合的内齿圈（27），所述蜗轮蜗杆传动结构A中的蜗杆A（17）通过一联轴器A与步进电机A相连，所述蜗杆A（17）与蜗轮A（26）之间为自锁；所述蜗轮蜗杆传动结构B中的蜗轮B（22）通过偏心套筒法兰（21）与所述偏心套筒（14）相连，所述蜗轮B与所述中央立柱（1）同轴，所述蜗轮蜗杆传动结构B中的蜗杆B（25）通过一联轴器B与步进电机B相连，所述蜗杆B（25）与蜗轮B（22）之间为自锁；

所述控制系统包括风向及风速传感器、模数转换器和单片机，所述单片机控制步进电机A和步进电机B转动，用以调整偏心轴（10）的轴线位置，进而改变桨叶（2）的桨距角。