CN103953504B - 电动直驱式风电变桨装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电驱动系统，尤其是一种电动直驱式风电变桨装置。本发明提供了一种可靠性高且占用空间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，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、连杆，所述直线驱动机构两端固定于轮毂上；所述连杆的一端与直线驱动机构铰接，连杆的另一端与变桨轴承内圈铰接。用直线驱动机构提供的直线运动，通过连杆、安装架转化为变桨轴承内圈的转动。整个机构结构紧凑、可靠，占用的空间小，且制造难度低，成本低。

Description

电动直驱式风电变桨装置

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装置。

背景技术

全球商业化运行的兆瓦级以上风力发电机组均采用了变桨距技术。变桨距技术与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和质量，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。它与变频技术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，得到不断优化的输出功率曲线。

其它发电方式也采用类似的技术，例如太阳能发电，需要转动光伏组件获得最佳光照角度。这些追踪技术都与风电变桨技术类似。

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，主要由液压泵站、控制模块、蓄能器与执行机构油缸构成。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，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，实现直线往复运动或回转运动。液压缸的一端铰接于风机叶片的轮毂上，另一端铰接于回转支承的内圈。通过液压缸的伸缩实现桨距角的改变。液压变桨系统响应频率快、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。但是液压变桨控制过程较为复杂，存在液压油泄露的风险，受温度变化影响大(不宜在高温或低温下运行)。为了避免液压系统漏出的油进入风机内部，影响电气设备的工作和腐蚀电线，需要定期对风机系统维护，并且需要对液压系统定期换油，从而大大增加了维护和检修成本。

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齿轮啮合，带动桨叶变桨。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频繁的进行变桨调节容易产生过量的热负荷。

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。其优点是，柔性连接，能缓和冲击载荷，无需润滑与维护。其缺点为，寿命受机构运行环境影响非常大。一旦橡胶老化，同步带就会变形(拉长和开裂等)，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较为常见，增加变桨驱动系统张紧的次数。当同步带到达使用寿命时更换同步带也比较困难。

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小的风电变桨驱动系统。

本发明解决其技术问题所采用的电动直驱式风电变桨装置，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、连杆，所述直线驱动机构两端固定于轮毂上；所述连杆的一端与直线驱动机构铰接，连杆的另一端与变桨轴承内圈铰接，从而形成曲柄滑块机构。直线驱动机构可以进行往复运动，从而使得连杆带动变桨轴承内圈转动，从而实现变桨的目的。

进一步的是，还包括安装架，所述安装架固定安装在变桨轴承内圈上，所述连杆通过与安装架铰接从而实现与变桨轴承内圈的联动。安装架可以方便连杆的铰接，也能避免连杆直接与变桨轴承内圈接触，减少变桨轴承内圈的磨损。

进一步的是，所述安装架横跨于变桨轴承内圈，并两端固定于变桨轴承内圈。也就是安装架为条状或者其它形状，沿轴承内圈的直径布设。

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，所述丝杠的两端固定安装在轮毂上，所述丝杠与螺纹驱动结构相互配合，所述电机的机座与所述连杆一端铰接。

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。滚柱、螺母和丝杠三者形成行星滚柱丝杠副。

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。

进一步的是，所述制动器为块式制动器。当然，也可以采用其它类型的制动器。

进一步的是，所述直线驱动机构设置有至少两个，所有的直线驱动机构均匀阵列或以变桨轴承内圈的中心线对称，且所有直线驱动机构共同实现变桨轴承内圈的旋转运动。驱动方向相同是指在圆周方向上的驱动方向，即所有直线驱动机构均是顺时针驱动或者逆时针驱动。

进一步的是，所述直线驱动机构设置在轮毂内，所述连杆与变桨轴承内圈的内壁铰接。变桨轴承内圈的内壁就是位于轮毂内的壁，这使得直线驱动机构和连杆均位于轮毂内。所述的所有的直线驱动机构都构建都在轮毂内，不需要在轮毂上开孔或单独伸出支架。

本发明的有益效果是：利用直线驱动机构提供的直线运动，通过连杆、安装架转化为变桨轴承内圈的转动。整个机构结构紧凑、可靠，占用的空间小，且制造难度低，成本低。其中直线驱动机构两端固定于轮毂内侧，避免了悬臂结构，使直线驱动机构的强度、刚度大大增加。安装架两端装配于轴承内圈上，驱动力通过连杆、安装架传递，使轴承内圈受力均匀。对称受力对轴承起到了保护作用。整个机构完全在轮毂内部，避免在轮毂上开孔，也避免在轮毂外侧伸出支架，保证了轮毂的整体刚性。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。采用电能作为消耗能源，相应速度快，更加环保。机构传动效率高。简单的机械连接结构，大大减小故障率。产品维护简单：只需按周期对丝杠、轴承、铰接处自动加注润滑脂，不需要专门的维护工人。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是单推风力发电变桨驱动系统示意图；

图3是双推风力发电变桨驱动系统示意图；

图4是滚柱、螺母和丝杠三者的爆炸图；

图中零部件、部位及编号：1-轮毂、2-变桨轴承外圈、3-变桨轴承内圈、4-直线驱动机构、5-连杆、6-销轴总成、7-安装架、8-螺栓、9-螺母、10-第一丝杠座、11-螺栓、12-防尘罩、13-第二丝杠座、14-滚柱、15-螺母、16-丝杠。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

风机的叶片是三个，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装置(下面简称变桨驱动系统)，每一个本发明的变桨驱动系统驱动一个叶片，且三个电变桨驱动系统按120度均匀的布置于轮毂内。为了使描述简洁，仅对单个的变桨驱动系统进行介绍，三者的联动可通过中央控制器控制。

本发明包括直线驱动机构4、连杆5、安装架7、轮毂1、变桨轴承外圈2和变桨轴承内圈3。所述变桨轴承外圈3固定在轮毂1上，所述变桨轴承内圈3与所述变桨轴承外圈2之间为转动配合。所述直线驱动机构4，两端分别通过第一丝杠座10和第二丝杠座13固定于轮毂1上，可通过第一丝杠座10和第二丝杠座13调整安装位置和间隙。直线驱动机构4与连杆5铰接，连杆5与固定在轴承内圈3上的安装架7铰接。直线驱动机构4通常设置在轮毂1内，以减少空间占用，当然也可以设置在轮毂外。

在风力发电需要变桨时，需要转动轴承内圈3来带动桨叶旋转。此时启动直线驱动机构4，利用其往复运动，通过连杆5、安装架7带动轴承内圈3转动。本发明采用简单的机械连接结构，大大减小故障率，且产品维护简单。直线驱动机构4可以采用多种方式实现，如液压缸。考虑到环境适应性和维护成本等原因，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上述直线驱动机构4。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直接在中空状的转子上设置有螺纹驱动结构，所述丝杠16与螺纹驱动结构相互配合。所述电机壳与连杆5一端铰接，并通过安装架7带动轴承内圈3转动。驱动机构直接集成在电机内，节省了空间。通过控制电机转子的转向，即可使电机相对于丝杠16作双向直线运动。并且直线驱动机构4具有自锁功能，保证了整套变桨机构的稳定性。配合电机制动器，能可靠的实现快速、快频率的启停。

为了便于安装电机，如图1所示，还包括安装架7，所述安装架7两端通过螺栓固定于轴承内圈3上。

螺纹驱动机构与丝杠16形成行星滚柱丝杠副。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，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。拉杆一端铰接处设计有减震器，实现吸振、调隙作用。

为了获得较好的防尘效果，还包括丝杠防尘罩12，所述丝杠防尘罩12安装在丝杠16上。确保丝杠16的表面清洁度。实现直线驱动机构4免维护。

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1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。但不限于双推式，可以在轴承内圈上阵列机构(如三推式)形成多推式。这种方式使变桨轴承内圈3受力平衡。可以使单个驱动机构的受力减半(或成倍减小)，相应的机构尺寸和规格可以大大减小(包括电机、丝杠、制动器、连杆等)，降低了制造难度和成本。广泛适用于各兆瓦级的风力发电机组，特别适用于大兆瓦级风力发电机组。

上述仅是本发明几种典型的实现方式，可根据实际情况对本发明进行应用。

Claims (8)

1.电动直驱式风电变桨装置，包括轮毂(1)、变桨轴承外圈(2)和变桨轴承内圈(3)，所述变桨轴承外圈(2)设置在轮毂(1)上，所述变桨轴承内圈(3)与所述变桨轴承外圈(2)转动配合，其特征在于：还包括直线驱动机构(4)、连杆(5)；所述直线驱动机构(4)包括电机和丝杠(16)；所述电机的转子为中空状并与螺纹驱动结构连接，或直接在中空状的转子上设置有螺纹驱动结构；所述丝杠(16)的两端固定安装在轮毂(1)上，所述丝杠(16)与螺纹驱动结构相互配合；所述连杆(5)的一端与所述电机的机座铰接，连杆(5)的另一端与变桨轴承内圈(3)的内壁铰接，从而形成曲柄滑块机构；所述直线驱动机构(4)设置在轮毂(1)内。

2.如权利要求1所述的电动直驱式风电变桨装置，其特征在于：还包括安装架(7)，所述安装架(7)固定安装在变桨轴承内圈(3)上，所述连杆(5)通过与安装架(7)铰接从而实现与变桨轴承内圈(3)的联动。

3.如权利要求2所述的电动直驱式风电变桨装置，其特征在于：所述安装架(7)横跨于变桨轴承内圈(3)，并两端固定于变桨轴承内圈(3)。

4.如权利要求1所述的电动直驱式风电变桨装置，其特征在于：所述螺纹驱动结构包括螺母和至少两根滚柱(14)，所述螺母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)与螺母之间使得三者配合传动。

5.如权利要求1所述的电动直驱式风电变桨装置，其特征在于：还包括丝杠防尘罩(12)，所述丝杠防尘罩(12)安装在丝杠(16)上。

6.如权利要求1所述的电动直驱式风电变桨装置，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。

7.如权利要求6所述的电动直驱式风电变桨装置，其特征在于：所述制动器为块式制动器。

8.如权利要求1至7任一权利要求所述的电动直驱式风电变桨装置，其特征在于：所述直线驱动机构(4)设置有至少两个，所有的直线驱动机构(4)均匀阵列或以变桨轴承内圈(3)的中心线对称，且所有直线驱动机构(4)共同实现变桨轴承内圈(3)的旋转运动。