CN104912749A - 一种风力发电机自适应调节轮毂装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机自适应调节轮毂装置，其特征在于该轮毂装置包括壳体、三个调节拨叉、三个拨叉弹簧、大锥齿轮、止推轴承、三个小锥齿轮、保持架、主轴、六个支撑弹簧、叶片轴承和三个叶片；壳体为整个轮毂装置的主体骨架，大锥齿轮、三个调节拨叉和三个拨叉弹簧依次固定在壳体的正面上，在壳体背面上通过保持架和支撑弹簧固定有主轴，三个叶片依次通过相应的叶片轴承、止推轴承和小锥齿轮固定在壳体的圆周面上，叶片轴承、止推轴承和小锥齿轮从外到内依次安装在相应叶片的根部，大锥齿轮与三个小锥齿轮相互啮合，所述小锥齿轮的直径与叶片回转轴线到大锥齿轮所在平面的距离相等。

Description

一种风力发电机自适应调节轮毂装置

技术领域

本发明涉及风力发电传动领域，具体是一种风力发电机自适应调节轮毂装置。

背景技术

随着环境的不断恶化，清洁能源逐渐被人们重视，风力发电机是当今利用清洁能源的重要设备，为了能够最大限度的利用风能，风力发电机中设有偏航装置等保证风机能够最大限度的接收风能，将风能转换为机械能后再将机械能耐转化为电能，这些装置一般都设在轮毂中，因此对轮毂进行设计，对提高风力发电机的效率和保证风力发电机的安全具有非常重要的意义，能够为社会带来更高的经济效益。

桨距角是叶片沿着其轴向方向旋转的角度和叶轮扫略面之间的夹角，叶轮迎风面角度是指叶轮扫略面和大地之间的夹角，现有风力发电机中为了实现风机能够最大限度的接收风能通常在轮毂中设有变桨距系统，风机一般设有三个叶片，为了实现变桨距，为每个叶片配备一个变桨电机和为变桨电机提供能源的电池组，变桨电机由变桨控制系统来控制，大大增加了系统的复杂性，导致了系统的稳定性下降；并且现有风力发电机的风轮扫掠面均与地面保持垂直不变，风机轮毂的俯仰状态是不可调的，故当自然风不是水平方向吹来时，无论风力发电机如何调节桨距角都会损失一部分风能，这就导致了风能的利用率下降了。申请号为201020632057.0的中国专利公开了一种风力发电机用转动惯量自适应式飞轮装置，该装置能够根据风速的不同实现对轮毂转动惯量的自动调节，但是此装置当风向垂直叶轮扫略面时能够最大限度的接收风能，当风向改变时，将会损失一部分风能。中国专利(申请号为201210329378.7)公开了一种风力发电机组用轮毂，此装置为目前应用较普遍的轮毂，其缺点是变桨装置需要安装比较复杂的驱动装置和控制系统，增大了成本，同样也没有对叶轮迎风面实现自适应调整；申请号为CN201310020321.3的专利公开了一种大型风力发电机组的可调速轮毂装置，其核心是提出一种新型的发电方式，但没有涉及桨距角和叶轮迎风面的调节。

发明内容

为了克服现有技术变桨装置复杂和风能利用率低的不足，本发明提供一种风力发电机自适应调节轮毂装置。该装置摒弃了现有轮毂装置中的驱动电机、驱动电机电池组和控制系统，通过拨叉弹簧能根据风速的大小提供与风力相平衡的作用力，形成了一个动态的力平衡系统，从而实现对桨距角的转动调整；同时通过支撑弹簧的作用，能根据风向的改变使风轮扫略迎风面随之进行调整，使得叶轮迎风面垂直于风向，从而实现了对迎风角的自动调节，可以最大限度的利用风能。

一种风力发电机自适应调节轮毂装置，其特征在于该轮毂装置包括壳体、三个调节拨叉、三个拨叉弹簧、大锥齿轮、止推轴承、三个小锥齿轮、保持架、主轴、六个支撑弹簧、叶片轴承和三个叶片；壳体为整个轮毂装置的主体骨架，大锥齿轮、三个调节拨叉和三个拨叉弹簧依次固定在壳体的正面上，在壳体背面上通过保持架和支撑弹簧固定有主轴，三个叶片依次通过相应的叶片轴承、止推轴承和小锥齿轮固定在壳体的圆周面上，叶片轴承、止推轴承和小锥齿轮从外到内依次安装在相应叶片的根部，大锥齿轮与三个小锥齿轮相互啮合，所述小锥齿轮的直径与叶片回转轴线到大锥齿轮所在平面的距离相等。

上述风力发电机自适应调节轮毂装置，其特征在于所述壳体包括圆柱体外壳、圆凹槽和三个轮辐，外壳与圆凹槽同轴心，通过三个轮辐将外壳与圆凹槽连接在一起；在外壳的外圆周面上沿周向均匀分布有三个叶片轴承安装孔，且三个叶片轴承安装孔正对三个轮辐之间的间隙，三个叶片轴承安装孔之间互呈120°，且每个叶片轴承安装孔均为阶梯孔；所述圆凹槽背面上设有六个主轴固定孔，且六个主轴固定孔均为通孔，且主轴固定孔沿圆凹槽周向均匀分布；在三个轮辐与外壳内侧交界的位置上且位于壳体的背面，三个轮辐沿周向分别分布有一组支撑弹簧安装孔，每组支撑弹簧安装孔上都有两个支撑弹簧安装孔，每组支撑弹簧安装孔呈120°分布，且三个叶片轴承安装孔与三组支撑弹簧安装孔呈间隔分布，且每个支撑弹簧安装孔均为盲孔；在外壳内侧圆周边缘上且位于壳体的正面，沿周向均匀分布有三个调节拨叉安装孔，且三个调节拨叉安装孔与三个叶片轴承安装孔间隔分布；在圆凹槽上且位于主轴固定孔的外围上均匀分布有三个拨叉弹簧铰接孔；

所述保持架为Y型，有三个支叉，相邻支叉间的夹角为120°，每个支叉上均设有两个支撑弹簧配合孔；保持架的中心设有一个主轴过孔，在主轴过孔的圆周上均匀分布有六个与主轴配合固定安装孔；支撑弹簧一端通过支撑弹簧配合孔与保持架固定，另一端与壳体的支撑弹簧安装孔接触固定；所述主轴一端的端面上设有主轴安装孔，在该端的外侧连接有一个十字万向节，通过该十字万向节将主轴与壳体的主轴固定孔相连，主轴的另一端与后面齿轮箱和发电机相连；设有十字万向节的主轴端穿过保持架的主轴过孔并通过主轴安装孔及与主轴配合固定安装孔和保持架固定连接；

所述调节拨叉为弧形，弧形的一端上设有与壳体配合安装孔和与大锥齿轮配合安装孔，另一端设有拨叉弹簧安装孔；与壳体配合安装孔与壳体上的调节拨叉安装孔配合将调节拨叉安装在壳体上，通过拨叉弹簧安装孔和壳体上的拨叉弹簧铰接孔将拨叉弹簧固定在壳体上，壳体、调节拨叉、小锥齿轮和大锥齿轮之间形成了空间四杆机构；

所述大锥齿轮上设有均匀分布的三个固定安装孔和一个轴套，轴套位于大锥齿轮的中心，且通过轴套将大锥齿轮固定在壳体的圆凹槽的正面上；三个固定安装孔分别与相应的调节拨叉上的与大锥齿轮配合安装孔配合连接，将大锥齿轮同时与三个调节拨叉连接；

所述小锥齿轮上设有固定键槽；叶片轴承和止推轴承通过相应的叶片轴承安装孔将相应的叶片安装在壳体的外壳上，插入壳体内的叶片根部通过小锥齿轮上的固定键槽将小锥齿轮与叶片固定连接，小锥齿轮与大锥齿轮互相啮合。

上述风力发电机自适应调节轮毂装置，其特征在于所述大锥齿轮的直径为300mm、小锥齿轮的直径为100mm。

与现有技术相比，本发明风力发电机自适应调节轮毂装置的有益效果是，该装置叶片根部设有小锥齿轮与安装在壳体上的大锥齿轮配合，大锥齿轮上安装有调节拨叉，调节拨叉摆动端通过拨叉弹簧与壳体连接，当风吹至叶片表面的时候，叶片产生扭动转矩，转矩通过大小锥齿轮、调节拨叉最终传递到拨叉弹簧，拨叉弹簧会根据风速的大小来提供相应大小的力来实现动平衡，从而实现了对桨距角的自动调节；另外，支撑弹簧安装在保持架和壳体之间，一端支撑在保持架上，另一端支撑在壳体上，当风向在垂直方向产生偏移时，由于支撑弹簧的弹性作用会使得风轮扫略迎风面随之进行调整，使得叶轮迎风面垂直于风向，从而实现了对迎风角的自动调节，以便最大限度的利用风能。

由于实际风速变化较快，现有轮毂的变桨系统需要实时监测风速和风向，并进行快速的反馈，导致了系统的复杂，本装置摒弃了现有轮毂装置中的驱动电机、驱动电机电池组和控制系统，实现了结构的简单化，提高了稳定性；当风向平行于大地吹向风机时，现有技术中通过偏航系统使轮毂水平方向转动，以便对准不同的风向来接收风能，而本申请未设置偏航系统，而通过变桨装置接收风能，二者的接收风能的效率几乎相同，但由于风的随机性，风将会从各个方向吹来，当风向不平行于大地时，本发明装置可以自动调节叶轮的迎风面角度，使叶轮扫略面垂直于风向，实现了桨距角和叶轮迎风面角度的自适应调节，这样可更大限度的接收风能，现有轮毂中的变桨驱动电机需要定时更换电池组，本装置无需提供外加动力，显著降低了制造成本，更适于实际应用推广。

附图说明

图1是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的整体结构示意图；

图2(A)是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的壳体1的背面立体结构示意图；

图2(B)是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的壳体1的正面立体结构示意图；

图3是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的调节拨叉2的立体结构示意图；

图4是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的大锥齿轮4的立体结构示意图；

图5是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的小锥齿轮6的立体结构示意图；

图6是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的保持架7的立体结构示意图；

图7是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的主轴8的立体结构示意图；

图8是本发明风力发电机自适应调节轮毂装置一种实施例的工作状态结构示意图；

图中，1-壳体、2-调节拨叉、3-拨叉弹簧、4-大锥齿轮、5-止推轴承、6-小锥齿轮、7-保持架、8-主轴、9-支撑弹簧、10-叶片轴承、11-叶片、1.1-支撑弹簧安装孔、1.2-叶片轴承安装孔、1.3-主轴固定孔、1.4-调节拨叉安装孔、1.5-拨叉弹簧铰接孔、2.1-与壳体配合安装孔、2.2-与大锥齿轮配合安装孔、2.3-拨叉弹簧安装孔、4.1-固定安装孔、4.2-轴套、7.1-支撑弹簧配合孔、7.2-与主轴配合固定安装孔、7.3-主轴过孔、6.1、固定键槽、8.1、十字万向节、8.2-主轴安装孔。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于下述的实施例描述。

本发明风力发电机自适应调节轮毂装置(简称轮毂装置，参见图1-8)包括壳体1、三个调节拨叉2、三个拨叉弹簧3、一个大锥齿轮4、止推轴承5、三个小锥齿轮6、保持架7、主轴8、六个支撑弹簧9、叶片轴承10和三个叶片11；壳体1为整个轮毂装置的主体骨架，大锥齿轮4、三个调节拨叉2和三个拨叉弹簧3依次固定在壳体的正面上，在壳体1背面上通过保持架7和支撑弹簧9固定有主轴8，三个叶片11依次通过相应的叶片轴承10、止推轴承5和小锥齿轮6固定在壳体的圆周面上，叶片轴承10、止推轴承5和小锥齿轮6从外到内依次安装在相应叶片的根部，大锥齿轮4与三个小锥齿轮6相互啮合，所述小锥齿轮的直径与叶片回转轴线到大锥齿轮所在平面的距离相等；所述叶片用于接收风能；

所述壳体1包括圆柱体外壳、圆凹槽和三个轮辐，外壳与圆凹槽同轴心，通过三个轮辐将外壳与圆凹槽连接在一起；在外壳的外圆周面上沿周向均匀分布有三个叶片轴承安装孔1.2，且三个叶片轴承安装孔1.2正对三个轮辐之间的间隙，三个叶片轴承安装孔1.2之间互呈120°，且每个叶片轴承安装孔1.2均为阶梯孔；所述圆凹槽(参见图2(A))背面上设有六个主轴固定孔1.3，且六个主轴固定孔1.3均为通孔，且主轴固定孔1.3沿圆凹槽周向均匀分布；在三个轮辐与外壳内侧交界的位置上且位于壳体的背面，三个轮辐沿周向分别分布有一组支撑弹簧安装孔1.1，每组支撑弹簧安装孔1.1上都有两个支撑弹簧安装孔，每组支撑弹簧安装孔1.1呈120°分布，且三个叶片轴承安装孔1.2与三组支撑弹簧安装孔1.1呈间隔分布，且每个支撑弹簧安装孔均为盲孔，保证叶片轴承安装孔1.2与支撑弹簧安装孔1.1之间互不干涉，均匀分布；在外壳内侧圆周边缘上且位于壳体的正面，沿周向均匀分布有三个调节拨叉安装孔1.4(参见图2(B))，且三个调节拨叉安装孔1.4与三个叶片轴承安装孔1.2间隔分布；在圆凹槽上且位于主轴固定孔1.3的外围上均匀分布有三个拨叉弹簧铰接孔1.5，且拨叉弹簧铰接孔1.5为通孔或盲孔；

所述保持架7(参见图6)为Y型，有三个支叉，相邻支叉间的夹角为120°，每个支叉上均设有两个支撑弹簧配合孔7.1；保持架的中心设有一个主轴过孔7.3，在主轴过孔7.3的圆周上均匀分布有六个与主轴配合固定安装孔7.2；支撑弹簧9一端通过支撑弹簧配合孔7.1与保持架7固定，另一端与壳体的支撑弹簧安装孔1.1接触固定；所述主轴8(参见图7)一端的端面上设有主轴安装孔8.2，在该端的外侧连接有一个十字万向节8.1，通过该十字万向节8.1将主轴8与壳体的主轴固定孔1.3相连，主轴的另一端与后面齿轮箱和发电机相连；是当叶轮扫略面角度变动时能够保证动力的持续传输，设有十字万向节8.1的主轴8端穿过保持架的主轴过孔7.3并通过主轴安装孔8.2及与主轴配合固定安装孔7.2和保持架7固定连接；当外界风速大小和方向改变时，风力使叶片产生的扭矩与拨叉弹簧3产生力平衡实现桨距角的自动可调，由于支撑弹簧9的作用实现对迎风面的自动调整；

所述调节拨叉2(参见图3)为弧形，弧形的一端上设有与壳体配合安装孔2.1和与大锥齿轮配合安装孔2.2，另一端设有拨叉弹簧安装孔2.3；与壳体配合安装孔2.1与壳体1上的调节拨叉安装孔1.4配合将调节拨叉2安装在壳体1上，通过拨叉弹簧安装孔2.3和壳体上的拨叉弹簧铰接孔1.5将拨叉弹簧3固定在壳体1上，壳体1、调节拨叉2、小锥齿轮6和大锥齿轮4之间形成了空间四杆机构，四杆机构是四个杆端部互相铰接，实现一定的运动关系，当四个杆的运动平面不平行时称之为空间四杆机构；

所述大锥齿轮4(参见图4)的直径为300mm，大锥齿轮上设有均匀分布的三个固定安装孔4.1和一个轴套4.2，轴套4.2位于大锥齿轮4的中心，且通过轴套4.2将大锥齿轮4固定在壳体1的圆凹槽的正面上，从而使大锥齿轮4绕着壳体顺利转动；三个固定安装孔4.1分别与相应的调节拨叉2上的与大锥齿轮配合安装孔2.2配合连接，将大锥齿轮4同时与三个调节拨叉2连接；

所述小锥齿轮6(参见图5)的直径为100mm，小锥齿轮上设有固定键槽6.1；叶片轴承10和止推轴承5通过相应的叶片轴承安装孔1.2将相应的叶片11安装在壳体1的外壳上，插入壳体内的叶片根部通过小锥齿轮上的固定键槽6.1将小锥齿轮与叶片11固定连接，小锥齿轮6与大锥齿轮4互相啮合，固定键槽6.1能够保证小锥齿轮6与叶轮11无相对转动。

本发明风力发电机自适应调节轮毂装置的调节过程不需要消耗其他能源，实现自适应调节，具有调节方便，稳定性好，寿命长等优点。

本发明风力发电机自适应调节轮毂装置的工作原理和过程(参见图8)如下：工作时，主轴8与后面的齿轮箱和发电机相连，齿轮箱将轮毂较低的转速提高后作为发电机的输入，使发电机发电。当风速变化时，为了能够更加充分的利用风能，或者为了保护风机不被损坏，需要对风机的桨距角和风轮扫略面的角度进行调节，当风力作用在叶片11上时，叶片11产生一定的扭矩，由于叶片轴承10和止推轴承5的作用能保证叶片11能够在壳体1上顺利的转动，且三个叶片11同时只能绕一个方向转动，由此叶片11产生的转矩会经过小锥齿轮6传递到大锥齿轮4，大锥齿轮4会通过固定安装孔4.1带动调节拨叉2绕着拨叉弹簧铰接孔1.5转动，进而使得拨叉弹簧3拉长，形成一定的反作用力与叶片11产生的扭矩达到平衡状态；当风速较大时，叶片11会产生较大的转矩，该转矩与拨叉弹簧3的拉力达到力平衡状态，相应的转过较大的角度；相反当风速较小时，叶片11则会转过较小的角度，这样就实现了桨距角的自适应调节。当风向变化时，则风会对整个叶轮的迎风面产生力的作用，由于保持架7和壳体1之间有支撑弹簧9的作用会使叶轮迎风面沿着风向的变化产生一定角度的偏移，风向改变较大时，角度变化较大，反之角度变化较小，这样就实现了叶轮迎风面的自适应调节。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种风力发电机自适应调节轮毂装置，其特征在于该轮毂装置包括壳体、三个调节拨叉、三个拨叉弹簧、大锥齿轮、止推轴承、三个小锥齿轮、保持架、主轴、六个支撑弹簧、叶片轴承和三个叶片；壳体为整个轮毂装置的主体骨架，大锥齿轮、三个调节拨叉和三个拨叉弹簧依次固定在壳体的正面上，在壳体背面上通过保持架和支撑弹簧固定有主轴，三个叶片依次通过相应的叶片轴承、止推轴承和小锥齿轮固定在壳体的圆周面上，叶片轴承、止推轴承和小锥齿轮从外到内依次安装在相应叶片的根部，大锥齿轮与三个小锥齿轮相互啮合，所述小锥齿轮的直径与叶片回转轴线到大锥齿轮所在平面的距离相等。

2.根据权利要求1所述的风力发电机自适应调节轮毂装置，其特征在于所述壳体包括圆柱体外壳、圆凹槽和三个轮辐，外壳与圆凹槽同轴心，通过三个轮辐将外壳与圆凹槽连接在一起；在外壳的外圆周面上沿周向均匀分布有三个叶片轴承安装孔，且三个叶片轴承安装孔正对三个轮辐之间的间隙，三个叶片轴承安装孔之间互呈120°，且每个叶片轴承安装孔均为阶梯孔；所述圆凹槽背面上设有六个主轴固定孔，且六个主轴固定孔均为通孔，且主轴固定孔沿圆凹槽周向均匀分布；在三个轮辐与外壳内侧交界的位置上且位于壳体的背面，三个轮辐沿周向分别分布有一组支撑弹簧安装孔，每组支撑弹簧安装孔上都有两个支撑弹簧安装孔，每组支撑弹簧安装孔呈120°分布，且三个叶片轴承安装孔与三组支撑弹簧安装孔呈间隔分布，且每个支撑弹簧安装孔均为盲孔；在外壳内侧圆周边缘上且位于壳体的正面，沿周向均匀分布有三个调节拨叉安装孔，且三个调节拨叉安装孔与三个叶片轴承安装孔间隔分布；在圆凹槽上且位于主轴固定孔的外围上均匀分布有三个拨叉弹簧铰接孔；

所述保持架为Y型，有三个支叉，相邻支叉间的夹角为120°，每个支叉上均设有两个支撑弹簧配合孔；保持架的中心设有一个主轴过孔，在主轴过孔的圆周上均匀分布有六个与主轴配合固定安装孔；支撑弹簧一端通过支撑弹簧配合孔与保持架固定，另一端与壳体的支撑弹簧安装孔接触固定；所述主轴一端的端面上设有主轴安装孔，在该端的外侧连接有一个十字万向节，通过该十字万向节将主轴与壳体的主轴固定孔相连，主轴的另一端与后面齿轮箱和发电机相连；设有十字万向节的主轴端穿过保持架的主轴过孔并通过主轴安装孔及与主轴配合固定安装孔和保持架固定连接；

所述调节拨叉为弧形，弧形的一端上设有与壳体配合安装孔和与大锥齿轮配合安装孔，另一端设有拨叉弹簧安装孔；与壳体配合安装孔与壳体上的调节拨叉安装孔配合将调节拨叉安装在壳体上，通过拨叉弹簧安装孔和壳体上的拨叉弹簧铰接孔将拨叉弹簧固定在壳体上，壳体、调节拨叉、小锥齿轮和大锥齿轮之间形成了空间四杆机构；

所述大锥齿轮上设有均匀分布的三个固定安装孔和一个轴套，轴套位于大锥齿轮的中心，且通过轴套将大锥齿轮固定在壳体的圆凹槽的正面上；三个固定安装孔分别与相应的调节拨叉上的与大锥齿轮配合安装孔配合连接，将大锥齿轮同时与三个调节拨叉连接；

所述小锥齿轮上设有固定键槽；叶片轴承和止推轴承通过相应的叶片轴承安装孔将相应的叶片安装在壳体的外壳上，插入壳体内的叶片根部通过小锥齿轮上的固定键槽将小锥齿轮与叶片固定连接，小锥齿轮与大锥齿轮互相啮合。

3.根据权利要求1所述的风力发电机自适应调节轮毂装置，其特征在于所述大锥齿轮的直径为300mm、小锥齿轮的直径为100mm。