CN103867388A - 电动直驱式风电变桨驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电变桨驱动系统，尤其是一种电动直驱式风电变桨驱动系统。本发明提供了一种高可靠性、低成本、高效率、且占用空间较小的风电变桨驱动系统，包括轮毂、变桨轴承外圈和变桨轴承内圈，变桨轴承外圈设置在轮毂上，变桨轴承内圈与变桨轴承外圈转动配合，还包括直线驱动机构，直线驱动机构可转动安装在变桨轴承内圈的圆周边缘上，直线驱动机构的一端安装有关节轴承，关节轴承铰接在轮毂上。利用直线驱动机构提供的直线运动直接转化为变桨轴承内圈的转动，避免采用复杂的传动结构，因此整个机构的占用的空间大幅减小，整个机构完全在轮毂内部，不用在轮毂上开孔，增强了轮毂刚性，其具有质量轻，结构简单、高可靠性、长寿命等特点。

Description

电动直驱式风电变桨驱动系统

技术领域

本发明涉及一种风电驱动系统，尤其是一种电动直驱式风电变桨驱动系统。

背景技术

全球进入商业运行的兆瓦级以上风力发电机组均采用了变桨距技术，变桨距控制与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和电能质量，使风力发电机组在各种工况下都能够获得最佳的性能，减少风力对风机的冲击，它与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的核心技术，随着风力发电产业技术的不断成熟和发展，变桨距风力发电机的优越性越来越突出，风力机运行的可靠性有了大大的提高，拥有高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线由于叶轮的重量有所减轻，因此风力机的受力状况得到极大的改善，使风力机始终保持最佳的转换率，从而获得最大的功率输出，提高风能利用率。

与风力发电变桨类似，其它发电方式也采用类似的技术，例如太阳能发电，其就需要转动光伏组件使得其获得最佳的光照角度。这些追踪技术与风力的变桨技术类似，如下所述。

目前风电机组普遍采用独立变桨距的三桨叶结构，以往用于风力发电的变桨驱动系统，通常采用下面三种方式：液压变桨驱动系统、电动齿轮变桨驱动系统和同步带变桨驱动系统。

液压变桨驱动系统是利用液压油缸作为原动机，其主要由动力源液压泵站、控制模块、蓄能器与执行机构油缸等构成，其基本原理是：液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。通过推动固定于变桨轴承内圈的偏心块推动桨叶旋转的一种变桨机构，液压缸的一端固定安装于风机叶片的轮毂上，另一端固定安装于回转支承的内圈，从而通过液压缸的伸缩实现桨距角的改变。液压变桨系统具有响应频率快、转矩大、重量轻，定位精确，便于集中布置，能快速准确的把叶片调整到预定节距等优点，但是由于液压变桨控制过程较为复杂，同时存在潜在的油泄露，受温度变化影响大（不宜在高温或低温下运行），及后期维护成本高等问题，为了避免液压系统漏出的废油进入风机内部，影响电气设备的工作和腐蚀电线，需要定期对风机系统进行维护，并且需要对液压系统定期换油，从而大大增加了风机设备的维护和检修成本。

电动齿轮变桨驱动系统，主要由动力源伺服电动机、控制模块、蓄电池与执行机构减速器、齿轮等组成，其结构原理是用电动机作为变桨动力，通过伺服驱动器控制电动机带动减速机的输出轴齿轮旋转，输出轴齿轮与桨叶根部回转支承的内侧的齿轮啮合，带动桨叶进行变桨。具有结构简单、紧凑、能对桨叶进行单独控制，精度高，但其动态性相对较差，由于驱动的扭矩大，传动过程中接触的齿数较少，齿间容易发生应力集中导致齿轮寿命缩短，驱动过程中较大的惯性不易控制且如连续频繁的进行变桨调节容易产生过量的热负荷而损坏。

同步带变桨驱动系统，主要由减速电机、小带轮、张紧轮，同步带，大带轮等组成，其原理是减速电机固定在轮毂支架上小带轮安装在减速电机上，张紧轮安装在支架上，通过同步带将小带轮与大带轮连接在一起实现转动，其特点是同步带传动为柔性连接，能缓和冲击载荷，无需润滑与维护。其缺点为同步带的寿命受机构运行环境影响非常大，橡胶一旦出现老化，同步带就会出现变形，拉长和开裂等现象这时容易出现跳齿现象。由于同步带受的载荷大，在后期维护中拉长现象很容易出现，变桨驱动系统在维护过程中张紧的次数会比较频繁。当同步带到达使用寿命时更换同步带比较困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可靠性高且占用空间较小的风电变桨驱动机构。

本发明解决其技术问题所采用的电动直驱式风电变桨驱动系统，包括轮毂、变桨轴承外圈和变桨轴承内圈，所述变桨轴承外圈设置在轮毂上，所述变桨轴承内圈与所述变桨轴承外圈转动配合，还包括直线驱动机构，所述直线驱动机构可转动安装在变桨轴承内圈的圆周边缘上，所述直线驱动机构的一端安装有关节轴承，所述关节轴承铰接在轮毂上。

进一步的是，所述直线驱动机构包括电机和丝杠，所述电机的转子为中空状设置有螺纹驱动结构或中空状转子与螺纹驱动结构连接，所述丝杠与螺纹驱动结构相互配合，所述电机可转动安装在变桨轴承内圈的圆周边缘上，所述关节轴承安装在丝杠的一端。

进一步的是，所述螺纹驱动结构包括螺母和至少两根滚柱，所述螺母同轴固定设置在转子内，所述滚柱上设置有螺旋齿，滚柱、螺母和丝杠三者的齿形相互匹配，所述滚柱设置在丝杠与螺母之间使得三者配合传动，形成行星滚柱丝杠副。

进一步的是，还包括安装架，所述安装架通过轴承可转动安装变桨轴承内圈的圆周边缘上，所述电机铰接安装在安装架上。

进一步的是，所述轴承为圆锥滚柱轴承、圆柱滚子轴承或轴套。

进一步的是，还包括安装耳，所述安装耳固定安装在轮毂内，所述关节轴承通过销轴铰接在安装耳上。

进一步的是，还包括丝杠防尘罩，所述丝杠防尘罩安装在丝杠上。

进一步的是，还包括变频器、编码器和制动器，所述变频器与编码器均与电机电连接以控制电机，所述制动器设置在电机的尾部或侧面，尾部为电磁制动器，侧面为块式制动器。

进一步的是，所述直线驱动机构至少设置有两个，所有直线驱动机构以变桨轴承内圈的中心点对称，且所有直线驱动机构的驱动方向相同。

进一步的是，所述直线驱动机构设置有两个，两个直线驱动机构以变桨轴承内圈的直径对称，且两个直线驱动机构的驱动方向相反。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种更加省力的的外置式风电变桨驱动机构。

本发明还提供了一种外置式电动直驱式风电变桨驱动系统，包括轮毂、变桨轴承外圈和变桨轴承内圈，所述变桨轴承内圈设置在轮毂上，所述变桨轴承内圈与所述变桨轴承外圈转动配合，还包括直线驱动机构和连杆；

所述直线驱动机构包括安装架、电机和丝杠，所述电机的转子为中空状设置有螺纹驱动结构或中空状转子与螺纹驱动结构连接，所述丝杠与螺纹驱动结构相互配合，所述电机安装在安装架上；

所述轮毂设置有两个支撑耳，所述丝杠的两端分别连接在两个支撑耳上；

所述连杆一端铰接在变桨轴承外圈上，另一端铰接在安装架上。

本发明的有益效果是：利用直线驱动机构提供的直线运动直接转化为变桨轴承内圈的转动，这就避免采用复杂的传动结构，因此这使得整个机构的占用的空间大幅减小，而且直线驱动机构是直接安装在变桨轴承内圈上的，这充分利用了变桨轴承内圈的空间，整个机构完全在轮毂内部，不用再轮毂上开孔，增强了轮毂刚性，其整体质量轻，结构简单，成本相对较低。也可以将整个机构布置在轮毂外，其结构形式如图6，该结构使整个系统更省力，原因是增大了力臂。直线驱动机构在采用本发明优选的方案时，其对环境的适应能力强：能适应各种高低温环境且能保证产品可靠性和寿命。无污染、环保：采用电能作为消耗能源，而不是油类作为消耗能源。传动效率高。使用寿命长。能耗低：采用直驱技术，使系统对电机的功率要求非常低。制造成本低。故障率低：极为简单的机械结构设计，大大减小了发生故障的概率。产品维护容易：只要周期性地对丝杠和轴承加注润滑油脂，不需要专门的维护工人。

附图说明

图1是电动直驱式风电变桨驱动系统的结构示意图；

图2是单推风力发电变桨驱动系统的下视图；

图3是双推风力发电变桨驱动系统的下视图；

图4是一推一拉风力发电变桨驱动系统的下视图；

图5是滚柱、螺母和丝杠三者的爆炸图；

图6是外置式电动直驱式风电变桨驱动系统结构示意图

图中零部件、部位及编号：1-直线驱动机构、2-安装架、3-销轴、4-销轴限位块、5-轴承盖板、6-轴承、7-螺栓组、8-挡块、9-防尘罩、10-抱箍、11-变桨轴承外圈、12-变桨轴承内圈、13-轮毂、14-滚柱、15-螺母、16-丝杠、17-连杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

对于一般的风力发电机组，风机的叶片是三个，所以一整套变桨系统需要三个本发明所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，每一个本发明的电动直驱式风电变桨驱动系统驱动一个叶片，且三个电动直驱式风电变桨驱动系统按120度均匀的布置在圆周上。为了使描述简洁，仅对单个的电动直驱式风电变桨驱动系统进行介绍，三个电动直驱式风电变桨驱动系统的结构和原理相同，三者的联动可通过中央控制器控制。

如图1所示，本发明包括轮毂13、变桨轴承外圈11和变桨轴承内圈12，所述变桨轴承外圈11设置在轮毂13上，所述变桨轴承内圈12与所述变桨轴承外圈11转动配合，还包括直线驱动机构1，所述直线驱动机构1可转动安装在变桨轴承内圈12的圆周边缘上，所述直线驱动机构1的一端安装有关节轴承，所述关节轴承铰接在轮毂13上。直线驱动机构1设置在变桨轴承内圈12的圆周边缘上，在考虑干涉和受力限制的情况下可以根据需要设置直线驱动机构1与变桨轴承内圈12圆心之间的距离。在风力发电需要变桨时，需要转动回转支撑内圈12来带动桨叶旋转，此时启动直线驱动机构1，利用其前进或后退从而带动回转支撑内圈12顺时针或逆时针转动。直线驱动机构1可以采用液压缸、电机等常用的驱动机构实现。本发明仅采用了简单的机械结构，因此其本身体积较小，可以直接安装在轮毂13中，而直线驱动机构1是直接利用了变桨轴承内圈12的空间进行安装，因此整个驱动机构并不需要额外的安装空间。本发明极为简单的机械结构设计，可以大大减小了发生故障的概率。

考虑到环境适应性和维护成本等原因，如图1和2所示，本发明推荐的直线驱动机构1包括电机和丝杠16，所述电机的转子为中空状与螺纹驱动结构连接或并直接在转子上设置螺纹驱动结构，，所述丝杠16与螺纹驱动结构相互配合，所述电机壳转动安装在变桨轴承内圈12的圆周边缘上，所述关节轴承安装丝杠16的一端。采用中空状转子与螺母连接或直接以螺母作为转子的电机可以直接与丝杠16配合，此时传动机构就直接集成在电机内，从而省去了传动机构所占据的空间，通过控制电机转子的转向，即可使电机相对于丝杠16前后运动，而电机与变桨轴承内圈12是转动配合的，丝杠16与轮毂13是铰接的，因此电机在驱动变桨轴承内圈12转动时不会自锁。电机上最好设置制动器，以在电机断电后就自动制动。电机采用低转速大扭矩永磁同步直驱伺服电机技术，并结合了行星滚柱丝杠副技术而形成本申请的直线驱动机构1。

如图1所示的电动直线驱动装置，包括丝杠16和内部固定设置有定子绕组的机座，还包括设置于定子绕组内的转子、与转子通过转子螺栓组固定连接的螺母15、与所述转子连接的编码器、以及用于对转子实现制动的制动器，转子上固定设置有永磁体或由绕线圈构成的转子绕组，转子为空心轴，所述转子的一端套接有转子轴承且所述转子通过所述转子轴承设置于机座上；螺母通过设置于螺母内的滚柱与套接于螺母15内的丝杠16螺纹配合连接，滚柱14通过设置于端盖及螺母15内的滚柱轴承17设置于端盖和螺母15上，螺母15通过螺母轴承设置于端盖和壳体上，端盖端面设置有刮油密封环及挡圈。为了便于安装电机，如图1所示，还包括安装架2，所述安装架2通过轴承可转动安装变桨轴承内圈12的圆周边缘上，所述电机安装在安装架2上。直线驱动机构1的丝杠16与轮毂13可通过安装耳链接，所述安装耳固定安装在轮毂13上，所述直线驱动机构1的关节轴承通过销轴3铰接在安装耳上。

螺纹驱动机构可以直接采用内螺纹实现，推荐采用以下结构：所述螺纹驱动结构包括螺母15和至少两根滚柱14，所述螺母15同轴固定设置在转子内，所述滚柱14上设置有螺旋齿，滚柱14、螺母15和丝杠16三者的齿形相互匹配，所述滚柱14设置在丝杠16与螺母15之间使得三者配合传动。当螺母15转动时，滚柱14自转的同时也在公转，电机安装架公转，这样就能保证滚柱14在螺母15内部只有径向运动没有轴向移动，带关节轴承的丝杠16，丝杠16的齿形与螺母15、滚柱14配合，保证最佳的传动比和传动效率。关节轴承和电机安装架的安装孔保证电机转动过程中有一定的轴向和径向补充，保证电机和丝杠16的同心度。与丝杠16形成行星滚柱丝杠副。

本发明行星滚柱丝杠副的螺母15、滚柱14及丝杠16的技术改进基础主要是在专利号20131409382.9的专利的基础上加以改进的得到，且本发明的丝杠传动原理与专利号20131409382.9的传动原理一致。是属于现有的丝杠技术和电机直接驱动技术相融合的电机直驱技术，其技术本质属于力矩直驱永磁电机，它能够消除传动系统中所有的机械传动部件，如齿轮变速箱，皮带，滑轮和联轴器等，并实现直接与负载连接。在实际应用时，由于定子绕组由三个完全相同的在空间相隔120度电角度的对称绕组组成，故在通入三相对称电源后，定子绕组产生的磁场的为旋转磁场，且此旋转磁场与转子的永磁体或转子绕组相互吸引。随着旋转磁场的磁场方向的转动，则转子也随之转动，转子与螺母通过转子螺栓组连接，所以螺母15随转子等转动而转动。由于丝杠16与螺母15、滚柱14之间为螺纹配合连接，在将机座及壳体固定好后，转子的转动即可通过螺母15、滚柱14与丝杠16之间的螺纹配合连接转化为丝杠16的直线运动。特别的，为了保证传动的稳定性和精确性，还可以在所述转子及螺母15设置止口配合以保证其同心度，螺母15内及端盖上均匀的设置滚柱14，且所述螺母15通过滚柱14与丝杠16配合连接

为了获得较好的防尘效果，还包括丝杠防尘罩9，所述丝杠防尘罩9安装在直线驱动机构1的丝杠16上。丝杠防尘罩9可以减少灰尘进入丝杠16，确保丝杠16不受外界环境的影响，保持表面的清洁度。如此可以减少丝杠16的维护次数。

电机可通过电气设备进行控制，例如变频器、编码器，所述变频器与编码器均与电机电连接以控制电机。采用了变频器对整个变桨机构进行速度调节。采用了编码器对电机转数进行精确控制，编码器可以是增量式编码器，也可以是绝对式编码器。

上述驱动机构同样可以运用到其它类型发电中作为发电跟踪驱动机构，只需将轮毂13更替换为固定盘即可，例如在太阳能发电中，利用该驱动机构驱动光伏组件转动，从而获得最佳的光照角度。

具体来说变桨的工作过程为：

当风机的变桨作业为正常运行时的连续变桨和停止（紧急停止）状态下的全顺桨。风机开始起动时变桨驱动机构推动桨叶由90°向0°方向的转动以及并网发电时桨叶在0°附近的调节都属于连续变桨。变桨系统的直线驱动机构在连续变桨过程中是由变频器和编码器控制电机的转速及转向来进行位置和速度控制的。

当风机停机或紧急情况时，为了迅速停止风机，变桨驱动机构推动桨叶快速转动到90°，一是让风向与桨叶平行，使桨叶失去迎风面；二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动，以达到迅速停机的目的，这个过程叫做全顺桨。新变桨系统的直线驱动机构在全顺桨过程中是由电机变频器和编码器同时动作以实现快速顺桨控制的。

本发明的直线驱动机构可以设置一个或者多个，例如以下方式：

如图2所示，在本实施方式中，仅设置有一个直线驱动机构，变桨过程仅需控制这一个直线驱动机构即可。

如图3所示，在本实施方式中，设置有两个直线驱动机构，两个直线驱动机构在圆周方向的驱动方向是相同的，即电机在丝杠16上的初始位置相同，可以称为双推式，这种方式的好处就在于能使变桨轴承内圈12的受力平衡。

如图4所示，在本实施方式中，设置有两个直线驱动机构，两个直线驱动机构在圆周方向的驱动方向是相反的，即其中一个电机在丝杠16上的初始位置为起始端，另一个电机在另一根丝杠16上的初始位置为末端，可称为一推一拉式。此时可通过控制系统控制两者协同工作，即使得两个电机的转动方向相反，即可实现对变桨轴承内圈12的一拉一推。

当然，上述方式仅是众多方式中典型的几种，具体还需根据实际的情况进行确定。

本发明的电动直驱式风电变桨驱动系统还可以是外置式电动直驱式风电变桨驱动系统，其原理如图6所示，

图6作为本发明的另一种安装结构形式，即变桨轴承内圈12安装在轮毂13上，风机叶片与变桨轴承外圈11连接。直线驱动机构1的丝杠16两端安装关节轴承，轮毂外观设置有支撑耳，整个直线驱动机构1的丝杠16铰接在轮毂13的支撑耳。变桨轴承外圈11上设置有连接安装耳，连杆17一端铰接在变桨轴承外圈11的连接安装耳上，另一端与电机安装架2铰接，当直线驱动机构1做直线运动时，通过连杆17带动变桨轴承外圈11做旋转运动。

在外置式电动直驱式风电变桨驱动系统中，其直线驱动机构1与前述的电动直驱式风电变桨驱动系统的直线驱动机构1相同，其同样可以采用电动直驱式风电变桨驱动系统中直线驱动机构1的优选实施方式，在此不再累述。

Claims (10)

1.电动直驱式风电变桨驱动系统，包括轮毂（13）、变桨轴承外圈（11）和变桨轴承内圈（12），所述变桨轴承外圈（11）设置在轮毂（13）上，所述变桨轴承内圈（12）与所述变桨轴承外圈（11）转动配合，其特征在于：还包括直线驱动机构（1），所述直线驱动机构（1）可转动安装在变桨轴承内圈（12）的圆周边缘上，所述直线驱动机构（1）的一端安装有关节轴承，所述关节轴承铰接在轮毂（13）上。

2.如权利要求1所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，其特征在于：所述直线驱动机构（1）包括电机和丝杠（16），所述电机的转子为中空状设置有螺纹驱动结构或中空状转子与螺纹驱动结构连接，所述丝杠（16）与螺纹驱动结构相互配合，所述电机可转动安装在变桨轴承内圈（12）的圆周边缘上，所述关节轴承安装在丝杠（16）的一端。

3.如权利要求2所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，其特征在于：所述螺纹驱动结构包括螺母（15）和至少两根滚柱（14），所述螺母（15）同轴固定设置在转子内或与转子连接，所述滚柱（14）上设置有螺旋齿，滚柱（14）、螺母（15）和丝杠（16）三者的齿形相互匹配，所述滚柱（14）设置在丝杠（16）与螺母（15）之间使得三者配合传动，形成行星滚柱丝杠副。

4.如权利要求2所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，其特征在于：还包括安装架（2），所述安装架（2）通过轴承或轴套可转动安装变桨轴承内圈（12）的圆周边缘上，所述电机铰接在安装架（2）上。

5.如权利要求4所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，其特征在于：所述轴承为圆锥滚柱轴承、圆柱滚子轴承或轴瓦。

6.如权利要求2所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，其特征在于：还包括安装耳，所述安装耳固定安装在轮毂（13）内，所述关节轴承通过销轴（3）铰接在安装耳上。

7.如权利要求2所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，其特征在于：还包括变频器、编码器和制动器，所述变频器与编码器均与电机电连接以控制电机，所述制动器设置在电机的尾部或侧面。

8.如权利要求1所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，其特征在于：所述直线驱动机构至少设置有两个，所有直线驱动机构以变桨轴承内圈（12）的中心点对称，且所有直线驱动机构的驱动方向相同。

9.如权利要求1所述的电动直驱式风电变桨驱动系统，其特征在于：所述直线驱动机构设置有两个，两个直线驱动机构以变桨轴承内圈（12）的直径对称，且两个直线驱动机构的驱动方向相反。

10.外置式电动直驱式风电变桨驱动系统，包括轮毂（13）、变桨轴承外圈（11）和变桨轴承内圈（12），所述变桨轴承内圈（12）设置在轮毂（13）上，所述变桨轴承内圈（12）与所述变桨轴承外圈（11）转动配合，其特征在于：还包括直线驱动机构（1）和连杆（17）；

所述直线驱动机构（1）包括安装架（2）、电机和丝杠（16），所述电机的转子为中空状设置有螺纹驱动结构或中空状转子与螺纹驱动结构连接，所述丝杠（16）与螺纹驱动结构相互配合，所述电机安装在安装架（2）上；

所述轮毂（13）设置有两个支撑耳，所述丝杠（16）的两端分别连接在两个支撑耳上；

所述连杆（17）一端铰接在变桨轴承外圈（11）上，另一端铰接在安装架（2）上。

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