CN104500339A - 一种垂直轴风力发电机的叶片调距机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机的叶片调距机构，它包括垂直设置的立轴、安装在立轴上的三台步进电机、牵引机构部分以及变距机构部分，在所述的三台步进电机的输出轴上分别连接有涡轮涡杆机构，所述的牵引机构部分包括由三条牵引支链组成的一个牵引并联机构，每条牵引支链包含一个驱动杆和一个牵引平行四边形结构；变距机构部分包括由多个变距支链组成的一个变距并联机构，变距支链个数与叶片个数相同。本机构采用了并联机构实现了偏心盘在三维空间上的平动。使得该调距机构具有刚性好，承载能力大，调距精度高。

Description

一种垂直轴风力发电机的叶片调距机构

技术领域

本发明涉及风力发电机，尤其涉及风力发电机的叶片调距机构。

背景技术

目前已有的风力发电机分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机分为阻力型和升力型两种。阻力型垂直轴风力发电机利用阻力做功产生旋转，具有较大的启动力矩，但是叶尖速比小于1，输出功率较小；升力型垂直轴风力发电机利用升力做功产生旋转，叶尖速比可以很高，输出功率很高。

通常，升力型垂直轴风力发电机的叶片调距机构只能调整叶片的整体螺距(不同位置角上的各叶片螺距角相同)，这使得它具有启动力矩低、不能自启动的缺点。例如,有的垂直轴风力机采用在桨叶轴处安装惯性调距装置，依靠重物离心力进行调距。但此方案只能被动调节整体螺距。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种能够实现叶片整体螺距角和周期螺距角调整的垂直轴风力发电机的叶片调距机构,从而有利于风能利用率的提升并且可以改善升力型垂直轴风力发电机的自启动性能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的一种垂直轴风力发电机的叶片调距机构，它包括垂直设置的立轴、安装在立轴上的三台步进电机、牵引机构部分以及变距机构部分，在所述的三台步进电机的输出轴上分别连接有涡轮涡杆机构，三个涡轮中心的连线构成一个位于水平位置的等边三角形,所述的牵引机构部分包括由三条牵引支链组成的一个牵引并联机构，每条牵引支链包含一个驱动杆和一个牵引平行四边形结构,每一个牵引平行四边形结构包括两个牵引连杆，在每一个牵引连杆两端分别安装有一个第一下球副和一个第一上球副，两个牵引连杆和两个牵引连杆两端的四个球副的连线构成一个平行四边形，一个驱动杆一端与一个对应设置的涡轮涡杆机构的涡轮固定相连并且另一端通过两个第一下球副与两个牵引连杆的一端转动相连，所述的两个第一下球副中心连线与涡轮轴线平行，两个牵引连杆的另外一端通过两个第一上球副与偏心盘转动相连，3对第一上球副的中心连线为一个等边三角形；变距机构部分包括由多个变距支链组成的一个变距并联机构，变距支链个数与叶片个数相同，每一条变距支链包含一个变距平行四边形结构和一个输出杆，每一个变距平行四边形结构包括两个变距连杆，每一个变距连杆的两端分别安装有一个第二下球副和一个第二上球副，两个变距连杆和两个变距连杆两端的四个球副的连线构成一个平行四边形，所述的一个输出杆一端垂直固定在一个对应设置的变距输出轴上，所述的一个输出杆另外一端分别通过两个第二上球副与两个变距连杆的一端转动相连，两个第二上球副的中心连线与变距输出轴线平行，两个变距连杆的另外一端通过两个第二下球副与旋转盘转动相连，与旋转盘相连的多对第二下球副的中心连线构成一个正多边形，所述的旋转盘转动连接在偏心盘上，所述的偏心盘与旋转盘同轴线设置，每一个变距输出轴与一个锥齿轮副相连，每一个锥齿轮副与一个叶片相连。

本发明的优点在于：

1.该机构采用了并联机构实现偏心盘在三维空间上的平动。使得该调距机构具有刚性好，承载能力大，调距精度高等优点。

2.该调距机构结构紧凑，空间占用少，能够实现小机构对大叶片的调距功能。

3.该机构可以实现叶片的整体螺距和周期螺距的调整，这使得风力发电机可以适应不同方向和不同大小的风。整体螺距角的调整有利于风能利用率的提升，周期螺距角的调整可以改善升力型垂直轴风力发电机的自启动性能。这样就能解决垂直轴风力发电机不能自启动的问题。

附图说明

图1是本发明的一种垂直轴风力发电机的结构示意图；

图2是图1中所示的电机的调距机构的结构示意图；

图3是图1中所示的电机的牵引机构部分的结构示意图。

图中的标记：1：立轴，2：调距机构，3：变距输出轴，4：锥齿轮，5：叶片，6：发电机7：步进电机，8：涡轮蜗杆机构，9：牵引机构部分，10：偏心盘，11：旋转盘，12：变距机构部分13：驱动杆，14：平行四边形结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

如附所示的本发明的一种垂直轴风力发电机的叶片调距机构，它包括垂直设置的立轴、安装在立轴上的三台步进电机、牵引机构部分以及变距机构部分，在所述的三台步进电机的输出轴上分别连接有涡轮涡杆机构，三个涡轮中心的连线构成一个位于水平位置的等边三角形。所述的牵引机构部分包括由三条牵引支链组成的一个牵引并联机构，每条牵引支链包含一个驱动杆和一个牵引平行四边形结构。每一个牵引平行四边形结构包括两个牵引连杆，在每一个牵引连杆两端分别安装有一个第一下球副和一个第一上球副，两个牵引连杆和两个牵引连杆两端的四个球副的连线构成一个平行四边形，三个平行四边形可以保证牵引机构部分的末端平台(偏心盘)始终保持水平状态，而不会发生倾斜。一个驱动杆一端与一个对应设置的涡轮涡杆机构的涡轮固定相连并且另一端通过两个第一下球副与两个牵引连杆的一端转动相连，驱动杆能够随涡轮一起绕涡轮轴线(转动副)转动，所述的两个第一下球副中心连线与涡轮轴线平行，两个牵引连杆的另外一端通过两个第一上球副与偏心盘转动相连，3对第一上球副的中心连线为一个等边三角形；一个牵引平行四边形结构的两个牵引连杆上的两个第一上球副称为一对第一上球副。

变距机构部分包括由多个变距支链组成的一个变距并联机构，变距支链个数与叶片个数相同，其原理与牵引机构部分的原理基本相同，其驱动部件为旋转盘，末端部件为变距输出轴。旋转盘随偏心盘一起移动，同时可以绕偏心盘轴线发生相对转动。每一条变距支链包含一个变距平行四边形结构和一个输出杆，每一个变距平行四边形结构包括两个变距连杆，每一个变距连杆的两端分别安装有一个第二下球副和一个第二上球副，两个变距连杆和两个变距连杆两端的四个球副的连线构成一个平行四边形。变距机构部分的平行四边形可以保证旋转盘绕偏心盘的旋转速度与叶片绕立轴的旋转速度同步，从而实现叶片周期螺距的调整。所述的一个输出杆一端垂直固定在一个对应设置的变距输出轴上，可绕变距输出轴线转动，所述的一个输出杆另外一端分别通过两个第二上球副与两个变距连杆的一端转动相连，两个第二上球副的中心连线与变距输出轴线平行，两个变距连杆的另外一端通过两个第二下球副与旋转盘转动相连，与旋转盘相连的多对第二下球副的中心连线构成一个正多边形。一个变距平行四边形结构的两个变距连杆上的两个第二下球副称为一对第二下球副。假设有n个叶片，那么旋转盘上连接有n对第二下球副，n对第二下球副的中心连线构成一个正n边形。所述的旋转盘转动连接在偏心盘上，所述的偏心盘与旋转盘同轴线设置。每一个变距输出轴与一个锥齿轮副相连，每一个锥齿轮副与一个叶片相连。

下面再结合每一幅图对本发明加以详细说明：

如图1所示，垂直轴风力发电机主要包括：立轴1，调距机构2，变距输出轴3，锥齿轮4，叶片5和发电机6。立轴固定安装在地基上，调距机构安装在立轴上面，调距机构通过变距输出轴和锥齿轮实现对叶片螺距角的控制，叶片在风的作用下产生旋转，进而带动发电机发电。

如图2所示的本发明的一种垂直轴风力发电机的叶片调距机构，它包括牵引机构部分9、变距机构部分12以及安装在立轴1上的三台步进电机7。在所述的三台步进电机的输出轴上连接有涡轮涡杆机构8，进而实现对牵引机构部分的调整。牵引机构部分通过偏心盘10和旋转盘11与变距机构部分联系在一起。变距机构部分通过变距输出轴和锥齿轮副与叶片联系在一起，最终实现叶片螺距角的调整。

牵引机构部分的每条支链上包含一个驱动杆13，一个平行四边形结构14，一个转动副和四个球副，每一个平行四边形结构包括两个连杆和四个球副。驱动杆一端随涡轮一起绕涡轮轴线(转动副)转动，其另一端上有两个球副分别与两个连杆相连，这两个球副中心连线与涡轮轴线平行。两连杆的另外一端通过两个球副与偏心盘相连。两连杆和其两端球副的连线正好为一个平行四边形，故将其称为平行四边形结构。牵引机构部分中的平行四边形结构使得该机构部分只存在3个移动的自由度，不存在转动自由度，保证偏心盘始终水平状态，而不发生倾斜，即只有3个移动自由度。

变距机构部分也是一个并联机构，其支链个数为叶片个数，其原理与牵引机构部分的原理基本相同，其驱动部件为旋转盘，末端部件为变距输出轴。旋转盘随偏心盘一起移动，同时可以绕偏心盘轴线发生相对转动。变距机构部分的每一条支链包含一个平行四边形结构，一个输出杆，四个球副和一个转动副。输出杆一端垂直固定在变距输出轴上，可绕变距输出轴线转动，另外一端通过两个球副与两连杆相连，这两个球副的中心连线与变距输出轴线平行。两连杆另外一端通过两个球副与旋转盘相连。变距机构部分中的平行四边形结构使得旋转盘产生与叶片一样的旋转速度，从而实现叶片螺距角的周期性调整。

本机构的工作原理为：三台步进电机通过涡轮蜗杆机构和牵引机构部分实现偏心盘位置的改变带动旋转盘一起移动，然后在变距机构部分的控制下通过变距输出轴和锥齿轮副实现各叶片的整体螺距和周期螺距的调整。叶片绕立轴的旋转再通过传动机构带动发电机6发电。当偏心盘沿轴向(上下)移动时，叶片可实现叶片整体螺距角的调整；当偏心盘在垂直于桨主轴的横截面上(水平)移动时，叶片可实现周期螺距角的调整。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，元件造型、连接方式不经创造性的设计，与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种垂直轴风力发电机的叶片调距机构，其特征在于：它包括垂直设置的立轴、安装在立轴上的三台步进电机、牵引机构部分以及变距机构部分，在所述的三台步进电机的输出轴上分别连接有涡轮涡杆机构，三个涡轮中心的连线构成一个位于水平位置的等边三角形,所述的牵引机构部分包括由三条牵引支链组成的一个牵引并联机构，每条牵引支链包含一个驱动杆和一个牵引平行四边形结构,每一个牵引平行四边形结构包括两个牵引连杆，在每一个牵引连杆两端分别安装有一个第一下球副和一个第一上球副，两个牵引连杆和两个牵引连杆两端的四个球副的连线构成一个平行四边形，一个驱动杆一端与一个对应设置的涡轮涡杆机构的涡轮固定相连并且另一端通过两个第一下球副与两个牵引连杆的一端转动相连，所述的两个第一下球副中心连线与涡轮轴线平行，两个牵引连杆的另外一端通过两个第一上球副与偏心盘转动相连，3对第一上球副的中心连线为一个等边三角形；变距机构部分包括由多个变距支链组成的一个变距并联机构，变距支链个数与叶片个数相同，每一条变距支链包含一个变距平行四边形结构和一个输出杆，每一个变距平行四边形结构包括两个变距连杆，每一个变距连杆的两端分别安装有一个第二下球副和一个第二上球副，两个变距连杆和两个变距连杆两端的四个球副的连线构成一个平行四边形，所述的一个输出杆一端垂直固定在一个对应设置的变距输出轴上，所述的一个输出杆另外一端分别通过两个第二上球副与两个变距连杆的一端转动相连，两个第二上球副的中心连线与变距输出轴线平行，两个变距连杆的另外一端通过两个第二下球副与旋转盘转动相连，与旋转盘相连的多对第二下球副的中心连线构成一个正多边形，所述的旋转盘转动连接在偏心盘上，所述的偏心盘与旋转盘同轴线设置，每一个变距输出轴与一个锥齿轮副相连，每一个锥齿轮副与一个叶片相连。