CN103939289A - 自调攻角垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供自调攻角垂直轴风力发电机，包括发电机、发电机齿轮、主轴、套筒、套筒齿轮、悬臂支架、叶片、风向仪以及叶片攻角调节装置。主轴固定于地面，套筒通过两个相向安装的角接触球轴承安装在主轴上，套筒的上下两端分别对应安装悬臂支架，叶片通过角接触球轴承安装在上、下悬臂支架之间。套筒齿轮安装在套筒底端，并且与安装在发电机轴上的发电机齿轮啮合。由叶片、悬臂支架和套筒组成的叶轮在风力作用下相对于主轴转动，并通过套筒齿轮和发电机齿轮将动能传递给发电机，由发电机将动能转化为电能。本发明采用纯机械的驱动方式，当风向一定时无需调整中心齿轮，叶轮在旋转过程中能够快速自动地调节各叶片的攻角，位置精度高。

Description

自调攻角垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及的是一种发电装置，具体地说是风力发电装置。

背景技术

风能发电是许多国家可持续发展战略的重要组成部分，具有广阔的发展前景。风力发电装置按照风轮转轴空间方位的不同，可分为垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机相比于水平轴风力发电机，具有结构简单、造价和维护成本低廉、不需迎风调向装置等优点，近年来得到各国的普遍重视。但是，现有的垂直轴风力发电机一般采用升力型风轮，叶片形装复杂、制造成本高，此外，由于叶片与悬臂支架之间的角度固定不变，叶片在旋转过程中不能始终处于最佳攻角的状态，不能产生最大的驱动力矩，同时还可能产生阻力矩，这就导致其风能利用率不高、环境适应性不强。

公开号为CN101280766A的中国专利公开了一种变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，它通过一个滚动丝杠和齿轮齿条结构结合的装置来调节叶片攻角，但是需要在每个悬臂支架上安装独立的叶片攻角调节装置，并且每个装置都需要一个电机进行驱动。其缺点是结构复杂、不便于控制，叶片转动时附加载荷较大，并且当叶轮高速转动时，对电机的响应速度要求较高，叶片的位置精度不高。

公开号为CN101520031A的中国专利公开了一种变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机，该专利通过带轮传动结构，只需采用一个电机就可调节所有叶片的攻角，其缺点是采用的带轮轮系结构复杂，并且同样对电机的响应速度要求较高，位置精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供纯机械驱动方式的自调攻角垂直轴风力发电机。

本发明的目的是这样实现的：

本发明自调攻角垂直轴风力发电机，其特征是：包括主轴、发电机、发电机齿轮、套筒、叶片支架单元、中心齿轮、力矩电机，套筒通过角接触球轴承套装在主轴上，套筒的下端安装套筒齿轮，套筒齿轮与发电机齿轮相啮合，发电机连接发电机齿轮，叶片支架单元包括第一叶片、第二叶片、上悬臂支架、下悬臂支架、行星齿轮、第一-第四同步带轮，上悬臂支架和下悬臂支架固定在套筒的上下两端，第一叶片和第二叶片均安装在上悬臂支架和下悬臂支架之间，中心齿轮安装在主轴上，力矩电机位于中心齿轮下方，力矩电机的定子通过胀紧套固定在主轴上，力矩电机的转子固定在中心齿轮上，中心齿轮与行星齿轮啮合，行星齿轮、第一同步带轮同轴安装在上悬臂支架上，第二同步带轮、第三同步带轮与第一叶片同轴，第四同步带轮与第二叶片同轴，第一同步带轮和第二同步带轮上缠绕第一同步带，第三同步带和第四同步带上缠绕第二同步带。

本发明还可以包括：

1、所述的叶片支架单元包括四组，四组叶片支架单元相对于主轴均匀设置，主轴上端安装风向仪。

2、中心齿轮与每个叶片支架单元的行星齿轮之间的齿数比为3∶4，每个叶片支架单元的第一同步带轮13与第二同步带轮14的半径比为2∶3，每个叶片支架单元的第三同步带轮和第四同步带轮的半径相同。

本发明的优势在于：采用纯机械的驱动方式，当风向一定时无需调整中心齿轮，叶轮在旋转过程中能够快速自动地调节各叶片的攻角，位置精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的叶片攻角调节装置的局部视图。；

图3a为叶轮0°时的叶片状态示意图，图3b为叶轮45°时的叶片状态示意图；

图4为单个叶片旋转一周的攻角变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，主轴7固定于地面，套筒9通过两个相向安装的角接触球轴承安装在主轴7上，上悬臂支架2和下悬臂支架4分别固定在套筒9的上下两端，叶片3通过角接触球轴承安装在上、下悬臂支架之间，可相对于悬臂支架转动。这里以4对悬臂支架、每对悬臂支架间安装两个叶片为例，实际应用时可根据需要调整悬臂支架和叶片数量。套筒9的底端安装的套筒齿轮8与安装在发电机6上的发电机齿轮5相啮合。由叶片3、上悬臂支架2、下悬臂支架4和套筒9组成的叶轮在风力作用下相对于主轴7转动，并通过套筒齿轮8和发电机齿轮5将动能传递给发电机6，由发电机将动能转化为电能。风向仪1安装在主轴7顶端，与控制器联接，控制器可控制叶片攻角调节装置，使叶片在旋转过程中处于最佳攻角。

叶片攻角调节装置安装在上悬臂支架2上，如图2所示，包括中心齿轮10、力矩电机11、行星齿轮12、同步带轮13至16。中心齿轮10通过角接触球轴承安装在主轴7上，力矩电机11位于中心齿轮10下方，其定子通过胀紧套固定在主轴7上、转子通过螺钉固定在中心齿轮10上，力矩电机可驱动中心齿轮相对于主轴转动。行星齿轮12通过角接触球轴承安装在上悬臂支架2上，与中心齿轮10啮合，带轮13安装在行星齿轮轴上，与行星齿轮12同步转动，同步带轮14安装在距离主轴7最近的叶片转轴上，带轮13与带轮14通过同步带连接。同步带轮15和16半径相同，分别安装在两个叶片轴上，并通过同步带连接，其中带轮15与带轮14同轴安装，两个带轮同步转动。当悬臂支架带动行星齿轮12相对于中心齿轮10转动时，通过带轮13和14将动力传递给叶片，两个叶片通过带轮15和16实现同步旋转。当采用更多数量的叶片时，每个叶片之间都采用同步带轮传动，使各叶片同步转动。

下面结合图3和图4对叶片攻角变化机理进行详细介绍，图中所示风向为由下至上，叶轮逆时针转动。以悬臂支架A的旋转角度为参照，图中给出了悬臂支架A旋转到0°和45°时各叶片的状态。风向仪1测得风向信号后，通过力矩电机11调节中心齿轮10，使各悬臂支架上的叶片达到如图3所示的状态，即当悬臂支架A位置为0°时，悬臂支架A至D上叶片攻角分别为-45°、90°、45°和0°；悬臂支架A旋转45°，悬臂支架A至D上叶片攻角变化为-77.5°、77.5°、22.5°和-22.5°；悬臂支架A再旋转45°，重新达到与0°相同的状态。

图4给出了单个叶片旋转一周的攻角变化，这样就能够使叶片相对于主轴旋转到任意角度时，都能够处于最佳攻角，风力作用在各叶片上能够产生最大的驱动力矩。可以看出，主轴与叶片转轴之间传动比为2，为了实现这一传动关系，图2中给出的中心齿轮10与行星齿轮12之间的齿数比为3∶4，带轮13与14的半径比为2∶3。实际应用时可根据需要调整齿轮和带轮的传动比，只需保证主轴与叶片转轴之间传动比为2。

主轴固定于地面，套筒通过两个相向安装的角接触球轴承安装在主轴上，套筒的上下两端分别对应安装悬臂支架，叶片设置在上、下悬臂支架之间，能够相对于悬臂支架转动，且叶片转轴位于叶片的中心处。套筒齿轮安装在套筒底端，与套筒同步转动，并且与安装在发电机轴上的发电机齿轮啮合，将动能传递给发电机；风向仪安装在主轴顶端，与控制器联接，控制器可控制叶片攻角调节装置，使叶片处于最佳攻角。

叶片攻角调节装置安装在上悬臂支架上，包括力矩电机、中心齿轮、行星齿轮和同步带轮。中心齿轮通过一对相向安装的角接触球轴承安装在主轴顶部，力矩电机位于中心齿轮下方，其转子固定在中心齿轮上，定子固定在主轴上，能够驱动中心齿轮相对于主轴转动。行星齿轮安装在上悬臂支架上，与中心齿轮啮合，每个悬臂支架上的行星齿轮轴和叶片轴都通过同步带轮相连，当悬臂支架带动行星齿轮相对于中心齿轮转动时，通过带轮驱动叶片相对于悬臂支架转动，其中主轴与叶片转轴之间的传动比为2。

本发明的工作原理是：根据风向仪测得风向信号后，通过力矩电机调节中心齿轮，使各悬臂支架上的叶片达到如图3所示的状态；叶轮在风力作用下的转动过程中，悬臂支架带动行星齿轮相对于中心齿轮转动，进而通过同步带轮驱动叶片转动，实现了叶片攻角的自动调节。单个叶片旋转一周的攻角变化如图4所示，这样就能够使叶片相对于主轴旋转到任意角度时，都能够处于最佳攻角，产生最大的驱动力矩。

自调攻角垂直轴风力发电机，其组成包括：发电机、发电机齿轮、主轴、套筒、套筒齿轮、悬臂支架、叶片、风向仪以及叶片攻角调节装置。主轴固定于地面，套筒通过两个相向安装的角接触球轴承安装在主轴上，套筒的上下两端分别对应安装悬臂支架，叶片通过角接触球轴承安装在上、下悬臂支架之间，能够相对于悬臂支架转动，且叶片转轴位于叶片的中心处。套筒齿轮安装在套筒底端，与套筒同步转动，并且与安装在发电机轴上的发电机齿轮啮合。由叶片、悬臂支架和套筒组成的叶轮在风力作用下相对于主轴转动，并通过套筒齿轮和发电机齿轮将动能传递给发电机，由发电机将动能转化为电能。风向仪安装在主轴顶端，且与控制器相连，叶片攻角调节装置安装在上悬臂支架上。控制器可控制叶片攻角调节装置，使叶片在旋转过程中处于最佳攻角。

叶片的转轴位于叶片中心处。

叶片攻角调节装置，其组成包括：中心齿轮、力矩电机、行星齿轮、同步带轮。中心齿轮通过角接触球轴承安装在主轴上，力矩电机位于中心齿轮下方，其定子通过胀紧套固定在主轴上、转子通过螺钉固定在中心齿轮上，力矩电机可驱动中心齿轮相对于主轴转动。行星齿轮通过角接触球轴承安装在上悬臂支架上，与中心齿轮啮合。行星齿轮轴与距离主轴最近的叶片转轴通过同步带轮传动，同一个悬臂支架上的两个叶片转轴之间也通过同步带轮传动。当采用更多数量的叶片时，每个叶片之间都采用同步带轮传动，使各叶片同步转动。

由中心齿轮、行星齿轮以及行星齿轮轴与距离主轴最近的叶片转轴之间的同步带轮所组成的轮系，必须保证主轴与叶片转轴之间的传动比为2。同一个悬臂支架上的叶片转轴之间通过半径相同的同步带轮传动，确保各叶片同步转动。

风向仪测得风向信号后，通过力矩电机调节中心齿轮，使旋转到0°的悬臂支架上的叶片攻角为-45°。当风向一定时，中心齿轮保持固定，叶轮在旋转过程中带动行星齿轮相对于中心齿轮转动，进而通过同步带轮驱动叶片相对于悬臂支架转动，实现叶片攻角的自动调节。

Claims (3)

1.自调攻角垂直轴风力发电机，其特征是：包括主轴、发电机、发电机齿轮、套筒、叶片支架单元、中心齿轮、力矩电机，套筒通过角接触球轴承套装在主轴上，套筒的下端安装套筒齿轮，套筒齿轮与发电机齿轮相啮合，发电机连接发电机齿轮，叶片支架单元包括第一叶片、第二叶片、上悬臂支架、下悬臂支架、行星齿轮、第一-第四同步带轮，上悬臂支架和下悬臂支架固定在套筒的上下两端，第一叶片和第二叶片均安装在上悬臂支架和下悬臂支架之间，中心齿轮安装在主轴上，力矩电机位于中心齿轮下方，力矩电机的定子通过胀紧套固定在主轴上，力矩电机的转子固定在中心齿轮上，中心齿轮与行星齿轮啮合，行星齿轮、第一同步带轮同轴安装在上悬臂支架上，第二同步带轮、第三同步带轮与第一叶片同轴，第四同步带轮与第二叶片同轴，第一同步带轮和第二同步带轮上缠绕第一同步带，第三同步带和第四同步带上缠绕第二同步带。

2.根据权利要求1所述的自调攻角垂直轴风力发电机，其特征是：所述的叶片支架单元包括四组，四组叶片支架单元相对于主轴均匀设置，主轴上端安装风向仪。

3.根据权利要求1或2所述的自调攻角垂直轴风力发电机，其特征是：中心齿轮与每个叶片支架单元的行星齿轮之间的齿数比为3∶4，每个叶片支架单元的第一同步带轮13与第二同步带轮14的半径比为2∶3，每个叶片支架单元的第三同步带轮和第四同步带轮的半径相同。