CN104421382A - 一种用于风力机、燃料发动机发电的恒速传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力机、燃料发动机发电的恒速传动装置，其包含一个主差速器，一个副差速器，带自锁的第一涡轮蜗杆减速器，不带自锁的第二涡轮蜗杆减速器，相互啮合的主动直齿轮和从动直齿轮，以及同步电机；本发明利用了差速器差动调速的原理，将主差速器的第一太阳轮与变工况的发动机转轴连接作为主动轮，并利用第一涡轮蜗杆减速器自锁的功能调节第二太阳轮的转速达到恒定行星架转速传动的功能，而自锁涡轮蜗杆减速器的转速受副差速器和不带自锁的第二涡轮蜗杆减速器的制约，同步电机恒定的转速导致主、副差速器的第二和第四太阳轮的转速随发动机的转速变化而变化，达到主差速器的输出与同步电机的转速相同，从而达到恒速传动的目的。

Description

一种用于风力机、燃料发动机发电的恒速传动装置

技术领域

本发明涉及一种恒速输出传动装置，尤其是一种用于将风力机、燃料发动机的变速传动输出转换为恒速传动输出的传动装置。 

背景技术

近年来，随着世界范围内对环境保护、全球温室效应的重视，各国都竞相发展包括风能在内的可再生能源的利用技术，将风能作为可持续发展的能源政策中的一种选择。风能作为最重要的清洁能源之一，受到了人们越来越强烈的关注，在人类能源利用领域中所占的份额越来越大。风力机受制于风力大小的影响，转速为变化转速，直接与发电机连接后，输出的电流、电压、频率 

由于化石能源日趋医乏以及对环境产生的影响日益显著，世界各国都在积极开发各种清洁能源。对风能的利用方式主要是利用风力发电机将风能转换为电能。随着大功率风力发电机的出现以及大规模风力发电场的建设，风能的利用正逐步商业化。风能商业化的一种基本途径是将风电并入市政电网中。由于风场的风是不稳定的，时有时无，忽大忽小，这样所产生的电能是无法进网的。目前，普遍采用的是一种恒速恒频并网运行方式，即风力发电机的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。然而在实践中，所获得的电能质量仍然不能令人满意。例如，市政电网要求入网交流电的频率在49.8一50Hz，而目前风力发电机输出的电力频率是48一52Hz，不能很好地与电网匹配，而且存在着不能同步的问题。再者，现有风力发电机为实现恒速恒频而配备的电力电子设备结构复杂、价格昂贵，增加了风力发电机的成本以及风场运营的成本。等参数随转速的变化而变化，不能得到恒定的 输出；燃料发动机受制于工况变化的影响，转速为变化转速，直接与发电机连接后，输出的电流、电压、频率等参数随转速的变化而变化，不能得到恒定的输出。目前较为先进的方法是将变化的电流、电压、频率等参数经过截波整流等相关电子技术得到恒定的电流、电压、频率。其缺陷是整流截波损失大量的电能，且随着风力机、燃料发动机转速变化区间的增大，其损失的电能随之增大，降低了风力机、燃料发动机发电的效率。 

中国实用新型专利CN201541175U自然力发电设备及发电机组公开了一种自然力发电设备以及由这种发电设备组成的发电机组，能够以简单的结构和低廉的成本实现电力持续稳定的输出。发电设备包括与自然力输入端相连的单向传动装置、与单向传动装置相连的差速传动装置、与差速传动装置相连的储能装置以及位于差速传动装置和发电机之间的限速装置。差速传动装置具有与单向传动装置相连的第一工作端、与发电机相连的第二工作端和与储能装置相连的第三工作端。 

中国实用新型专利CN201794993U公开了一种机械式转速控制装置和风力发电设备。风力发电设备包括:风轮，能够接收风能而转动;发电机，具有能够在来自风轮的动能下转动的输入转轴;储能装置，位于所述风轮和所述发电机之间使得所述发电机输入转轴获得稳定的转速输入。在所述发电机和所述储能装置之间设有转速控制装置，所述转速控制装置包括:第一转动构件，能够与电动机相连以在电动机驱动下按预定转速转动;第二转动构件，与所述第一转动构件啮合并与所述发电机输入转轴相连。与传统的利用电力电子设备实现恒速恒频的风力发电设备相比，本发明能够以更少的成本实现恒速恒频输出。 

上述两种现有技术中驱动装置与发电机之间需要增加蓄能装置（如重物），体积大而高，成本高，而且受蓄能装置体积（长度）的限制，发动机输出转速 可调范围低。受风力影响，该设计不能长时间高风速下运行，主要用于风速波动较快且围绕某一固定的速度波动的情况。 

中国实用新型专利CN201985678U公开了同频同步控制装置和风力发电机，所述同频用电动机固定于所述滚筒用于提供与所述转动轴线同轴的转动输出;以及第二转动构件，所述第二转动构件固定地形成于所述滚筒上，并且与所述第一转动构件相连，以在所述第一转动构件的驱动下使所述滚筒绕着所述转动轴线转动。该实用新型需要检测设备和自动控制装置，来检测发电机输出的电压、电流等参数，当不符合电网需求时，控制装置通过启动与停止来调节发电机的输入转速。但可调范围相当有限，仅为百分之几；而且存在输出转速小幅波动的问题，主要用于初步恒速后的二次调速。 

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种用于风力机、燃料发动机发电的恒速传动装置。 

本发明采用的技术方案如下：包含一个主差速器，一个副差速器，带自锁功能的第一涡轮蜗杆减速器，不带自锁功能的第二涡轮蜗杆减速器，与风力机、燃料发动机输出轴连接的主动直齿轮、与主动直齿轮啮合的从动直齿轮以及一个同步电机；所述主差速器包括第一太阳轮、第二太阳轮，与第一行星架一端固连的第一中心轮，与第一行星架另一端连接的第一行星轮、第二行星轮，第一行星轮、第二行星轮分别位于第一太阳轮、第二太阳轮之间并分别与第一太阳轮、第二太阳轮两两啮合。第一太阳轮通过第一传动轴连接主动直齿轮，第二太阳轮通过第二传动轴与带自锁功能的第一涡轮蜗杆减速器的第一涡轮连接，根据主动直齿轮轮的转速变化调节涡轮蜗杆减速器的蜗杆转速达到恒定行星架转速的目的，与第一行星架固定的第一中心轮为伞齿轮，第一中心轮与固 连在输出轴上的第二伞齿轮啮合，第二伞齿轮将动力输出；所述副差速器包括第三太阳轮、第四太阳轮，与第二行星架一端固连的第二中心轮，与第二行星架另一端连接的第三行星轮、第四行星轮，第三行星轮、第四行星轮分别位于第三太阳轮、第四太阳轮之间并与第三太阳轮、第四太阳轮两两啮合。第三太阳轮通过第三传动轴连接从动直齿轮，第四太阳轮通过第四传动轴与不带自锁功能的第二涡轮蜗杆减速器的第二涡轮连接，与第二行星架固定的第二中心轮为伞齿轮，第二中心轮与固连在同步电机输出轴上的第四伞齿轮啮合，电机输出轴驱动第四伞齿轮恒速转动；第二涡轮蜗杆减速器的第二蜗杆与第一涡轮蜗杆减速器的第一蜗杆连接。 

本发明主、副差速器速比相同，它们分别有第一和第三太阳轮作为主动轮，通过两个直径相同并啮合的主、从动直齿轮驱动，保证了两个主、副差速器的输入传动轴转速相同，第一涡轮蜗杆减速器带自锁功能，第二涡轮蜗杆减速器不带自锁功能，而速比相同，保证了主、副差速器的第二、第四太阳轮转速相同，但带自锁的第一涡轮蜗杆减速器的速度受制于不带自锁的第二涡轮蜗杆减速器的速度。小型同步电机输出为恒定转速输出，在副差速器第三太阳轮转速变化时，副差速器的第四太阳轮转速随之变化，与其连接的不带自锁的第二涡轮蜗杆减速器转速发生变化，导致主差速器上面的带自锁的第一涡轮蜗杆减速器变化，且速度变化相等，导致主差速器行星架转速与小型同步电机的转速同步，即恒定。 

本发明利用了差速器差动调速的原理，将其中第一太阳轮与变化的风力机、燃料发动机转轴连接作为主动轮，并利用第一涡轮蜗杆减速器自锁的功能调节第二太阳轮的转速达到恒定行星架转速传动的功能，而自锁涡轮蜗杆减速器的转速受副差速器和不带自锁的第二涡轮蜗杆减速器的制约，同步电机恒定的转 速导致了主、副差速器的第二和第四太阳轮的转速随风力机、天然气压缩机的转速变化而变化，达到主差速器的输出与同步电机的转速相同，从而达到恒速传动的功能。 

本发明避免了风力机、燃料发动机变转速发电的能量损耗，提高了发电效率，结构简单、成本低、加工方便，实用范围广。具体实施效果如下： 

1、不需要任何检测和控制装置，即可实现驱动发电机转子转动的输出轴不受发动机变工况的影响，恒速转动， 

2、不需要储能结构，包围着差速器和或减速机且与行星架固连的外壳固定不动。 

3、对于发动机变速可调范围大，可达2倍以上。 

4、机械自动恒速，输出转速不存在波动，可调精度高，可达99.9%，经过恒速传动装置调速后，不需要再次调速。 

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中： 

图1是本发明实施例的产品结构示意图。 

图2是本发明主差速器的结构示意图。 

图3是本发明副差速器的结构示意图。 

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系 列等效或类似特征中的一个例子而已。 

如图1所示的恒速传动装置，包括一个主差速器，一个副差速器，带自锁功能的第一涡轮蜗杆减速器，不带自锁功能的第二涡轮蜗杆减速器，与风力机、燃料发动机输出轴连接的主动直齿轮1、与主动直齿轮啮合的从动直齿轮2以及一个同步电机23；所述主差速器包括第一太阳轮7、第二太阳轮11，与第一行星架9一端固连的第一中心轮3，与第一行星架另一端连接的第一行星轮19、第二行星轮20，第一行星轮、第二行星轮分别位于第一太阳轮、第二太阳轮之间并分别与第一太阳轮、第二太阳轮两两啮合。第一太阳轮通过第一传动轴17连接主动直齿轮1，第二太阳轮通过第二传动轴24与带自锁功能的第一涡轮蜗杆减速器的第一涡轮15连接，与第一行星架固定的第一中心轮为伞齿轮，第一中心轮与固连在输出轴18上的第二伞齿轮5啮合，第二伞齿轮将动力输出；所述副差速器包括第三太阳轮8、第四太阳轮12，与第二行星架10一端固连的第二中心轮4，与第二行星架另一端连接的第三行星轮21、第四行星轮22，第三行星轮、第四行星轮分别位于第三太阳轮、第四太阳轮之间并与第三太阳轮、第四太阳轮两两啮合。第三太阳轮通过第三传动轴26连接从动直齿轮，第四太阳轮通过第四传动轴25与不带自锁功能的第二涡轮蜗杆减速器的第二涡轮16连接，与第二行星架固定的第二中心轮为伞齿轮，第二中心轮与固连在同步电机23输出轴上的第四伞齿轮6啮合，电机输出轴驱动第四伞齿轮恒速转动；第二涡轮蜗杆减速器的第二蜗杆14与第一涡轮蜗杆减速器的第一蜗杆13连接。 

本发明主差速器和副差速器转速，分别满足以下公式： 

主差速器：第一传动轴转速+第二传动轴转速=2*第一行星架转速； 

副差速器，第三传动轴转速+第四传动轴转速=2*第二行星架转速。 

一个带自锁的涡轮蜗杆减速器，一个不带自锁的涡轮蜗杆减速器，且两个 减速器的速比相同，本实例以40：1的速比为例；两个相同尺寸的直齿轮（也可以是斜齿轮）本实例以40齿的直齿轮为例；和一个电机，此电机可以是同步电机，也可以是伺服电机，本实例以同步电机为例，主要的要求是转速恒定。 

所述主差速器的第一太阳轮通过第一传动轴与风力机、燃料发动机输出轴（未画出）连接，第一传动轴作为主动轴，其中间连接一个直齿轮，此直齿轮可以通过键槽配合方式连接，也可以与第一传动轴作为一个整体加工制作；主差速器的第二传动轴与带自锁功能的涡轮蜗杆减速器的第一涡轮连接，可以通过键槽配合方式连接，也可以与第二传动轴作为一个整体加工制作；第一行星架与第一伞齿轮固定在一起，第一伞齿轮与第二伞齿轮啮合输出动力，第二伞齿轮固定在动力输出轴上，本技术人员应该知道差速器的机构，在此不做详细介绍。根据上述公司，第一传动轴转速的变化，调节带自锁的第一涡轮蜗杆减速器的第一蜗杆的转速，也就是调节了第二传动轴转速，只要保证第一、第二传动轴代数和为定值，第一行星轮架的转速就恒定；输出轴的转速变恒定。 

所述副差速器的第三传动轴与一个从动直齿轮连接，该从动直齿轮与主差速器上的主动直齿轮齿合，转速相同，转向相反，从动直齿轮可以通过键槽配合方式连接，也可以与第三传动轴作为一个整体加工制作；副差速器的第四传动轴与不带自锁功能的第二涡轮蜗杆减速器的第二涡轮连接，可以通过键槽配合方式连接，也可以与第四传动轴作为一个整体加工制作；第二行星架与第三伞齿轮固定在一起，第三伞齿轮与第四伞齿轮啮合，第四伞齿轮固定在同步电机的输出轴上，本技术人员应该知道差速器的机构，在此不做详细介绍。参照上述公式，同步电机保证恒定的转速输出，即保证了第二行星轮架转速的恒定，第三、第四传动轴的转速代数和为定值，第三传动轴速度变化量与第四传动轴的速度变化量相等。 

两个涡轮蜗杆减速机的蜗杆为同一个轴，只是螺旋方向相反。 

当发动机输出轴的轴速变化时，主副差速器的第一、第二传动轴均发生相同变化，只是方向相反，副差速器上的同步电机转速恒定不变，保证了副差速器的第四传动轴随第三传动轴的变化而变化，变化量相等，因为整个涡轮蜗杆减速器的速比相同，保证了主差速器的第一传动轴转速与副差速器的第三传动轴的速度相等，只是方向相反，而主差速器的第二传动轴连接的是带自锁的第一涡轮蜗杆减速器，副差速器的第四传动轴连接的是不带自锁的涡轮蜗杆减速器，故主差速器的第二传动轴转速受控于副差速器的第四传动轴转速，只要保证副差速器上的同步电机转速恒定，即保证了主差速器的输出轴恒定。 

尽管已经根据优选实施例对本发明进行了示例和描述，但应认识到，本发明并不局限于前述的具体实施方式。在不背离权利要求书中所阐述的本发明的情况下，可对此作出变更和改变，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (5)

1.一种用于风力机、燃料发动机发电的恒速传动装置，其特征在于：

包含一个主差速器，一个副差速器，带自锁的第一涡轮蜗杆减速器，不带自锁的第二涡轮蜗杆减速器，相互啮合的主动直齿轮和从动直齿轮，以及同步电动机；

所述主差速器包括第一太阳轮、第二太阳轮，与第一行星架一端固连的第一中心轮，与第一行星架另一端连接的第一行星轮、第二行星轮，第一行星轮、第二行星轮分别位于第一太阳轮、第二太阳轮之间并分别与第一太阳轮、第二太阳轮两两啮合。第一太阳轮通过第一传动轴连接主动直齿轮，第二太阳轮通过第二传动轴与第一涡轮蜗杆减速器的第一涡轮连接，与第一行星架固定的第一中心轮为伞齿轮，第一中心轮与固连在输出轴上的第二伞齿轮啮合；

所述副差速器包括第三太阳轮、第四太阳轮，与第二行星架一端固连的第二中心轮，与第二行星架另一端连接的第三行星轮、第四行星轮，第三行星轮、第四行星轮分别位于第三太阳轮、第四太阳轮之间并与第三太阳轮、第四太阳轮两两啮合。第三太阳轮通过第三传动轴连接从动直齿轮，第四太阳轮通过第四传动轴与第二涡轮蜗杆减速器的第二涡轮连接，与第二行星架固定的第二中心轮为伞齿轮，第二中心轮与固连在同步电机输出轴上的第四伞齿轮啮合；第二涡轮蜗杆减速器的第二蜗杆与第一涡轮蜗杆减速器的第一蜗杆连接。

2.根据权利要求1所述的恒速传动装置，其特征在于：所述主差速器、副差速器包围在一外壳内，第一行星架、第二行星架分别与外壳固连。

3.根据权利要求1所述的恒速传动装置，其特征在于：所述同步电机为小型同步电机。

4.根据权利要求1所述的恒速传动装置，其特征在于：所述电机为伺服电机。

5.根据权利要求1所述的恒速传动装置，其特征在于：所述直齿轮为斜齿轮。