CN103967693A - 基于变刚度谐波齿轮的波浪发电传动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变刚度谐波齿轮的波浪发电传动装置，用于通过连接轴（12）相连的波浪发电装置和永磁同步发电机之间的传动，所述的传动装置包括谐波齿轮、基座（7）、变刚度控制机构（8），变刚度控制机构（8）包括圆盘（11），多根弹性和长度相同的弹簧（5）及多个出力相同的步进电机（6）和两个编码器（10），每根弹簧（5）连接在谐波齿轮的钢轮（3）和圆盘（11）之间，步进电机（6）固定在基座（7）上，用于使圆盘（11）发生转动，当弹簧与连接轴平行时，弹簧处在其平衡位置处。本发明能够使波浪发电系统稳定运行，并且提高波浪发电装置的传动效率。

Description

基于变刚度谐波齿轮的波浪发电传动装置及其控制方法

所属技术领域

本发明属于电气传动领域，具体涉及一种传动装置。

背景技术

海洋波浪能发电是一种前景可观的可再生能源发电，近年来得到了世界各国的关注。我国是一个海洋大国，从渤海、黄海、东海到南海，海洋总面积超过4.7×10⁶km²，此外还有7000多个岛屿，海岸线长超过18000km。据有关部门观测，我国海域的波浪能密度约为2-5kW/m，可见我国可利用的波浪能较为丰富。传动系统是波浪发电系统的重要部分，它的性能对波浪发电系统的稳定运行和输出功率的波动有很大影响。波浪发电系统的传动方式有直驱和采用增速齿轮箱两种。虽然永磁同步发电机的结构设计和工艺制造相对较难，且直驱式永磁同步发电机的体积大、成本高，但是却有效提高了系统效率及运行可靠性。对于直驱式系统而言，由于波浪是变化莫测的，且具有很强的随机性，因此它会给整个波浪发电系统的传动装置带来很大的外部激励。因此，波浪捕获单元与永磁同步发电机（PMSG）通常会通过一个柔性的低速轴连接。这种柔性传动轴的刚度小，传动稳定性好，但是需要消耗更多的时间来跟踪波浪变化，传动效率低，而且缩小了波浪发电系统的频带宽度，使得波浪发电系统的动态性能变差。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种采用可变刚度传动装置及其变刚度控制方法，通过改变传动装置的刚度，使波浪发电系统稳定运行，并且提高波浪发电装置的传动效率。本发明的技术方案如下：

一种基于变刚度谐波齿轮的波浪发电传动装置，用于通过连接轴（12）相连的波浪发电装置和永磁同步发电机之间的传动，所述的传动装置包括谐波齿轮、基座（7）、变刚度控制机构（8），其中，

所述的谐波齿轮包括波发生器（9）、带有外齿圈的柔轮（2）和带有内齿圈的钢轮（3）三部分，波发生器（9）固定在连接轴（12）上，并位于柔轮（2）内，钢轮（3）固定在柔轮（2）外，波发生器（9）在柔轮（2）内的转动，使柔轮（2）发生变形，柔轮（2）的外齿圈与钢轮（3）的内齿圈在变形的过程中啮合或啮离钢轮的齿间。

所述的变刚度控制机构（8）包括圆盘（11），多根弹性和长度相同的弹簧（5）及多个出力相同的步进电机（6）和两个编码器（10），每根弹簧（5）连接在钢轮（3）和圆盘（11）之间，步进电机（6）固定在基座（7）上，用于使圆盘（11）发生转动，步进电机（6）分布在同一个圆周上，各根弹簧（5）的一端分布在钢轮（3）上，另一端均匀分布在圆盘上的同一个圆周上，当弹簧与连接轴平行时，此时弹簧处在其平衡位置处。

两个编码器（10）分别用于测量波浪发电装置输出轴转动角度θ_w和永磁同步发电机转子转动角度θ_g。

本发明同时提供一种所述的基于变刚度谐波齿轮的波浪发电传动装置的变刚度控制方法如下：根据两个编码器（10）测量的波浪发电装置输出轴转动角度θ_w和永磁同步发电机转子转动角度θ_g，计算反应波浪变化的快慢的参数θ_k=θ_w-θ_g/f，其中，f为谐波齿轮传动比；当波浪变化较快时，θ_k增大，如果θ_k大于一个定值Δθ₁，则应该减小传动系统刚度，通过对步进电机驱动器施加一个逆时针方向的脉冲信号，即可减小传动系统的刚度；当波浪变化较慢时，θ_k减小，如果θ_k小于一个定值Δθ₂，则应该增加传动系统刚度，通过对步进电机驱动器施加一个顺时针方向的脉冲信号，即可增加传动系统的刚度。

本发明的用于波浪发电系统的传动装置根据波浪幅值和周期调整传动装置的刚度，即波浪幅值和周期发生变化，则调节刚度驱动电机，使得类弹簧机构相对其平衡位置的位移和力矩发生改变，从而实现刚度的调节。具有以下的技术效果：

1）变刚度调节机构可根据波浪幅值和周期调整传动装置的刚度，不仅能够使波浪发电系统稳定运行，还能够提高传动效率。

2）装置只改变系统的刚度而不改变系统的转动惯量。

3）波浪发电装置的自然谐振频率与波浪变化能自适应相匹配，系统运行效率高。

4）该谐波齿轮波浪发电传动系统的传动比大且范围宽。

5）传动系统结构简单，体积小，重量轻。在传动比和承载条件相当的情况下，该谐波齿轮传动系统可比一般齿轮传动装置的体积和重量减小1/3～1/2左右。

6）由于装置实现了力的平衡，故噪声低，振动小，运转平稳。

7）由于谐波齿轮的齿在啮合部分滑移量极小，摩擦损失少，传动效率高；而且在变刚度的过程中，系统存储了弹性势能，这部分能量可以驱动发电机旋转，可以提高传动装置的传动效率。

附图说明

图1是本发明所采用的变刚度调节机构的原理图。

图中，浮子式WEC为波浪发电装置；PMSG为永磁同步发电机；1为谐波齿轮，9为波发生器，2为柔轮，3为钢轮，谐波齿轮由波发生器、柔轮和钢轮三部分组成；5为变刚度控制机构中的弹性元件，此处为弹簧；4为变刚度控制机构与钢轮的连接点；6是由系统自带的电池储能单元供电的质量轻且体积小的电机，用于调节系统的刚度；7为基座；8为变刚度控制机构；12为WEC单元与PMSG的连接轴。

图2是变刚度调节机构机械结构图。

图中，10为编码器，用于测量WEC输出轴和发电机转子转动角度。11为连接弹簧的圆盘。变刚度控制机构由3个弹簧，圆盘和3个步进电机构成。弹簧的一端与谐波齿轮的钢轮相连，另一端连接到圆盘上。3个弹簧在钢轮和圆盘上的分布为彼此之间间隔120度。

图3是谐波齿轮各部件的位置关系。

图中，9为波发生器。

图4是变刚度控制机械结构图。

图中，3个步进电机与圆盘相连。当步进电机在基座上转动时，可带动圆盘转动。

图5是传动系统二质量块模型。

图中，T_w、ω_w和θ_w分别是WEC输出转矩、角速度和转动角度；T_l、ω_l和θ_l分别是变刚度控制机构右侧轴的转矩、角速度和转动角度；T_g、ω_g和θ_g分别是发电机电磁转矩、转子角速度和转子转动角度；I_w是WEC转动惯量，I_g是发电机转动惯量；f谐波齿轮传动比。

图6是刚度调节流程图。

图中，θ_k=θ_w-θ_g/f；K_s是刚度；Δθ₁和Δθ₂是θ_k的两个常数，且Δθ₁>Δθ₂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明的传动系统的变刚度调节机构如图1所示。谐波齿轮(1)由波发生器(9)、带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮2）和带有内齿圈的刚性齿轮（钢轮3）三部分组成。谐波齿轮(1)各部件的位置关系如图3所示，波发生器(9)装在柔轮(2)内，柔轮(2)在波发生器(9)与钢轮(3)之间，谐波齿轮(1)安装在WEC单元与PMSG的连接轴(12)上。工作时，钢轮(3)固定，波发生器(9)通常成椭圆形的凸轮，波发生器(9)在柔轮(2)内转动，柔轮(2)由原来的圆形而变成椭圆形，迫使柔轮(2)发生变形，这时柔轮齿就在变形的过程中啮合或啮离钢轮的齿间。变刚度控制机构(8)将机械柔顺驱动器引入到传动系统中，在谐波齿轮(1)和基座(7)之间形成了一个可灵活转动的支撑结构。具体的，本发明采用弹簧(5)和电机(6)连接谐波齿轮(1)和基座(7)，形成可调节刚度的结构。采用被动变刚度驱动器的原理来设计变刚度调节结构，其机械结构图如图2所示。当弹簧(5)的位移不发生改变没有拉伸或压缩时，力为0，称此时的弹簧(5)处于平衡位置。相对应的，变刚度调节机构也有它的平衡位置，定义变刚度调节机构力矩为0的位置为其平衡位置。变刚度控制机构(8)由3个弹簧(5)，圆盘(11)和3个步进电机(6)构成。弹簧(5)的一端与谐波齿轮(1)的钢轮(3)相连，另一端连接在圆盘(11)上。3个弹簧(5)在钢轮(3)和圆盘(11)上的分布为彼此之间间隔120度。3个步进电机(6)与圆盘(11)相连。当步进电机在基座(7)上转动时，可带动圆盘(11)转动。3个步进电机(6)的运动是同步的，当弹簧(5)与传动轴平行时，此时弹簧处在其平衡位置处。

图4为变刚度控制机械结构图，展示了弹簧(5)、圆盘(11)和步进电机(6)的位置和连接关系。当步进电机(6)带动圆盘(11)转动时，弹簧(5)的长度发生改变，即弹簧(5)的位移相对其平衡位置发生改变，这时候弹簧(5)就会产生一个作用于传动系统的力矩T。由刚度公式可知，此时传动的系统的刚度发生改变。定义传动系统的初始刚度为K_s0，圆盘(11)沿顺时针方向转动时，系统刚度增大，圆盘(11)沿逆时针方向转动时，系统刚度减小。由此可知，改变步进电机(6)转动的位移，就可以对传动系统的刚度进行调整。步进电机(6)的旋转是以固定的角度一步一步运行的。当给步进电机驱动器一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，每次转动的角度为1.8度。从弹簧(5)的平衡位置开始给步进电机驱动器向顺时针方向转动的脉冲信号，在步进电机(6)向顺时针方向转动过程中，记录每个转动角度对应的传动系统的刚度，即可得到步进电机位移与传动系统刚度的关系表。在对系统刚度控制过程中，通过查表即可得出步进电机需要转动的线位移，将线位移转化为驱动步进电机的脉冲信号，即可达到精确控制传动系统刚度的目的。

传动系统二质量块模型图如图5所示。由传动系统二质量块模型图可知，传动系统的刚度直接影响到发电机跟踪波浪变化速度的快慢。为了提高系统传动效率和增加系统稳定性，系统应以使波浪发电装置的自然谐振频率与波浪变化相匹配为目标。当波浪突然变化过快时，即波浪的幅值和频率较大时，应使传动系统的刚度减小，减小传动系统振动，使传动系统稳定性提高；当波浪变化较慢，波浪的幅值和频率较小时，应使传动系统的刚度增加，提高传动效率。采用编码器测量WEC输出轴转动角度θ_w和发电机转子转动角度θ_g。θ_k=θ_w-θ_g/f，θ_k可以反应波浪变化的快慢。当波浪突然变化过快时，即波浪的幅值和频率较大，则浮子式WEC上下运动位移较大，对应的WEC输出转矩和角速度变化很大，此时θ_k较大；当波浪变化较慢时，此时θ_k较小。因此，通过检测θ_w和θ_g，计算得出θ_k，由θ_k值即可知道该如何调节传动系统刚度。

刚度调节流程图如图6所示。当波浪变化较快时，θ_k增大，如果θ_k大于一个定值Δθ₁，则应该减小传动系统刚度，通过对步进电机驱动器施加一个逆时针方向的脉冲信号，即可改变传动系统的刚度。当波浪变化较慢时，θ_k减小，如果θ_k小于一个定值Δθ₂，则应该增加传动系统刚度，通过对步进电机驱动器施加一个顺时针方向的脉冲信号，即可改变传动系统的刚度。

Claims (2)

1.一种基于变刚度谐波齿轮的波浪发电传动装置，用于通过连接轴（12）相连的波浪发电装置和永磁同步发电机之间的传动，所述的传动装置包括谐波齿轮(1)、基座（7）、变刚度控制机构（8），其中，

所述的谐波齿轮包括波发生器（9）、带有外齿圈的柔轮（2）和带有内齿圈的钢轮（3）三部分，波发生器（9）固定在连接轴（12）上，并位于柔轮（2）内，钢轮（3）固定在柔轮（2）外，波发生器（9）在柔轮（2）内的转动，使柔轮（2）发生变形，柔轮（2）的外齿圈与钢轮（3）的内齿圈在变形的过程中啮合或啮离钢轮的齿间。

所述的变刚度控制机构（8）包括圆盘（11），多根弹性和长度相同的弹簧（5）及多个出力相同的步进电机（6）和两个编码器（10），每根弹簧（5）连接在钢轮（3）和圆盘（11）之间，步进电机（6）固定在基座（7）上，用于使圆盘（11）发生转动，步进电机（6）分布在同一个圆周上，各根弹簧（5）的一端分布在钢轮（3）上，另一端均匀分布在圆盘上的同一个圆周上，当弹簧与连接轴平行时，此时弹簧处在其平衡位置处。

两个编码器（10）分别用于测量波浪发电装置输出轴转动角度θ_w和永磁同步发电机转子转动角度θ_g。

2.根据权利要求1所述的基于变刚度谐波齿轮的波浪发电传动装置的控制方法，其特征在于，该装置的变刚度控制方法如下：根据两个编码器（10）测量的波浪发电装置输出轴转动角度θ_w和永磁同步发电机转子转动角度θ_g，计算反应波浪变化的快慢的参数θ_k=θ_w-θ_g/f，其中，f为谐波齿轮传动比；当波浪变化较快时，θ_k增大，如果θ_k大于一个定值Δθ₁，则应该减小传动系统刚度，通过对步进电机驱动器施加一个逆时针方向的脉冲信号，即可减小传动系统的刚度；当波浪变化较慢时，θ_k减小，如果θ_k小于一个定值Δθ₂，则应该增加传动系统刚度，通过对步进电机驱动器施加一个顺时针方向的脉冲信号，即可增加传动系统的刚度。