CN114109721A - 一种用于风电偏航系统的阻尼装置及风电偏航系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于风电偏航系统的阻尼装置，阻尼装置包括：能够锁定风电偏航系统的机舱底座位置的钳式制动器，设置在机舱底座上。设置在风电偏航系统的塔筒上的刹车盘。能够在风电偏航系统发生对风偏转时，和刹车盘发生相对运动从而在刹车盘中产生阻止机舱底座对风偏转的阻尼力的永磁阻尼器，永磁阻尼器对应刹车盘设置。第二方面，本发明还提供一种风电偏航系统。其有益效果是，当机舱底座不偏航时，永磁阻尼器、刹车盘和钳式制动器同时工作，永磁阻尼器和刹车盘用于降低机舱底座对风偏转的速度，钳式制动器用于锁定机舱底座的位置。当机舱底座偏航时，钳式制动器不工作，仅由永磁阻尼器和刹车盘配合工作，以降低机舱底座对风偏转的速度。

Description

一种用于风电偏航系统的阻尼装置及风电偏航系统
技术领域
本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种用于风电偏航系统的阻尼装置及风电偏航系统。
背景技术
风电发电机组是一种利用风能进行发电的装置。在风电发电机组上设置风向仪，风向仪用于监测风向。在使用过程中，当风力发电机组的航向及风力发电机组中风轮主轴的轴向均分别与风向仪的指向偏离时视为风力发电机组偏航，此时，需要风电偏航系统保持风电发电机组偏航对风，以提高发电效率。当风电发电机组不偏航时，需要风电偏航系统控制风电发电机组停止偏航，防止机舱底座在偏航干扰力矩作用下发生偏航振动而损伤风电偏航系统中的偏航驱动组件。
图1为现有的风电偏航系统。风电偏航系统包括偏航制动器和刹车盘。偏航制动器包括制动衬块。通过制动衬块和刹车盘间的摩擦力为机舱底座提供制动力矩和偏航阻尼力矩，以控制风电发电机组停止对风偏转。在此过程中，制动衬块极易磨损，制动衬块的损耗达到极限厚度时，需及时更换偏航制动器，而风电发电机组体积较大，在风电发电机组上更换偏航制动器需要耗费大量人力和时间成本，还会导致风电发电机组暂停发电。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种用于风电偏航系统的阻尼装置及风电偏航系统，其解决了偏航制动器在控制风电发电机组停止偏航时，偏航制动器的制动衬块极易磨损，寿命较低，且在风电发电机组上更换偏航制动器需要耗费大量人力和时间成本，还会导致风电发电机组暂停发电的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种用于风电偏航系统的阻尼装置，阻尼装置包括：
能够锁定风电偏航系统的机舱底座位置的钳式制动器，设置在机舱底座上；
设置在风电偏航系统的塔筒上的刹车盘；
能够在风电偏航系统发生对风偏转时，和刹车盘发生相对运动从而在刹车盘中产生阻止机舱底座对风偏转的阻尼力的永磁阻尼器，永磁阻尼器对应刹车盘设置。
根据本发明，永磁阻尼器设置在机舱底座上；
永磁阻尼器包括背板、盘体和磁钢块；
背板和盘体均为扇形环，盘体的一侧设置用于容纳磁钢块的凹槽，背板用于封闭凹槽，至少一个磁钢块沿盘体的周向等间距固定设置于盘体上；
磁钢块能够和刹车盘间产生磁场，且在磁钢块和刹车盘发生相对运动时，刹车盘产生感应电流。
第二方面，本发明还提供一种风电偏航系统，包括能够相对固定设置的塔筒旋转以对风偏航从而处于迎风状态的机舱底座，阻尼装置以及能够在塔筒和机舱底座之间形成可转动悬浮支撑的悬浮支撑组件。
根据本发明，悬浮支撑组件包括轴承座、固定轴套、外磁环组和内磁环组；
轴承座、固定轴套、外磁环组和内磁环组均为环体；
轴承座固定在机舱底座的底部，且轴承座随机舱底座同步对风偏转；
固定轴套固定在塔筒上；
轴承座套设于固定轴套的外部；
外磁环组固定在轴承座的内周向侧壁上，内磁环组固定在固定轴套的外周向侧壁上，外磁环组和内磁环组相对设置，外磁环组能够沿轴承座的轴向相对内磁环组移动。
根据本发明，悬浮支撑组件还包括外支撑座和内支撑座；
外支撑座和内支撑座均为环体；
外支撑座固定在轴承座的内周向侧壁上，内轴承座固定在固定轴套的外周向侧壁上；
外磁环组固定在外支撑座的内周向侧壁上，内磁环组固定在内支撑座的内周向侧壁上。
根据本发明，外支撑座和内支撑座的两端分别设置轴承，且轴承位于轴承座和固定轴套之间；
轴承为无内圈挡边的圆柱滚子轴承。
根据本发明，外磁环组和内磁环组间存在气隙。
根据本发明，沿轴承座的轴向，外磁环组包括至少两个外磁环，内磁环组包括至少两个内磁环，相邻两个外磁环以及相邻两个内磁环的磁性均相反，相对设置的外磁环和内磁环的磁性相反。
根据本发明，相邻两个外磁环以及相邻两个内磁环均间隔设置；
相邻两个外磁环的间隙内以及相邻两个内磁环的间隙内均分别设置垫片，垫片为非导磁材料。
根据本发明，固定轴套的内周向侧壁设置齿圈；
风电偏航系统还包括偏航驱动组件；
偏航驱动组件包括转动件和驱动件，转动件设置在机舱底座上，转动件和齿圈啮合传动，驱动件能够驱动转动件绕其轴向转动，以带动机舱底座对风偏转。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的用于风电偏航系统的阻尼装置，所采用永磁阻尼器和刹车盘降低机舱底座对风偏转的速度的基本原理为电磁感应的楞次定律，具体为：当机舱底座不对风偏转时，永磁阻尼器和刹车盘不工作。当永磁阻尼器随机舱底座同步对风偏转时，永磁阻尼器和刹车盘相对运动，永磁阻尼器和刹车盘间的磁场发生变化，刹车盘中产生感应电流，并产生用于阻止机舱底座对风偏转的阻尼力，以降低机舱底座对风偏转的速度。当机舱底座带动永磁阻尼器相对刹车盘运动的速度越快时，刹车盘所产生的感应电流越大，其产生的阻尼力也越大，能够进一步降低机舱底座对风偏转的速度。
当机舱底座不偏航时，钳式制动器用于锁定机舱底座的位置。钳式制动器脱离刹车盘运行，以避免钳式制动器的磨损失效，进而提高阻尼装置的使用寿命。
在永磁阻尼器和刹车盘降低了机舱底座的对风偏转速度的前提下，钳式制动器锁定机舱底座位置时的锁紧压力较小，因此，钳式制动器在工作过程中的磨损较小，能够提高偏航制动组件的使用寿命，并降低维修和维护的成本。
当机舱底座不偏航时，永磁阻尼器、刹车盘和钳式制动器同时工作，永磁阻尼器和刹车盘用于降低机舱底座对风偏转的速度，钳式制动器用于锁定机舱底座的位置。在永磁阻尼器和刹车盘降低了机舱底座的对风偏转速度的前提下，钳式制动器锁定机舱底座位置时的锁紧压力较小，因此，钳式制动器在工作过程中的磨损较小，能够提高偏航制动组件的使用寿命，并降低维修和维护的成本。
当机舱底座偏航时，钳式制动器不工作，仅由永磁阻尼器和刹车盘配合工作，以降低机舱底座对风偏转的速度，避免机舱底座对风偏转的速度过快，导致偏航驱动组件受损。
钳式制动器脱离刹车盘运行，以避免钳式制动器的磨损失效，进而提高阻尼装置的使用寿命。
附图说明
图1为现有技术中的风电偏航执行机构的示意图；
图2为本发明的风电偏航执行机构的的剖视图；
图3为图2中的悬浮支撑组件未承受机舱底座的重量时的示意图；
图4为图2中的悬浮支撑组件承受机舱底座的重量时的示意图；
图5为图2中的悬浮支撑组件的另一视角的示意图；
图6为图2中的永磁阻尼器的示意图；
图7为图6中A-A向的剖视图；
图8为永磁阻尼器、固定轴套和阻尼器支架的装配图。
【附图标记说明】
1：机舱底座；
2：塔筒；
31：轴承座；32：固定轴套；321：伸出臂；322：导体盘；33：外支撑座；34：内支撑座；35：外磁环；36：内磁环；37：垫片；38：外压盖；39：轴承；
41：转动件；42：驱动件；
51：永磁阻尼器；5111：背板；5112：盘体；512：磁钢块；52：刹车盘；53：阻尼器支架；54：钳式制动器。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。本文所提及的“上”“下”以图8的定向为参照。
参照图2所示，本发明实施例提出一种风电偏航系统，风电偏航系统包括能够相对固定设置的塔筒2旋转以对风偏航从而处于迎风状态的机舱底座1，能够在塔筒2和机舱底座1之间形成可转动悬浮支撑的悬浮支撑组件，能够在机舱底座1偏航时，驱动机舱底座1对风偏转的偏航驱动组件，以及能够在机舱底座1不偏航时，驱动机舱底座1停止对风偏航的阻尼装置。
进一步，机舱底座1上设置叶片组件，机舱底座1能够带动叶片组件对风偏转。叶片组件包括风机轴系、叶片轮毂和外壳。
参照图2-5所示，进一步，悬浮支撑组件包括包括轴承座31、固定轴套32、外磁环组和内磁环组。
轴承座31、固定轴套32、外磁环组和内磁环组均为环体。轴承座31固定在机舱底座1的底部，且轴承座31随机舱底座1同步对风偏转。固定轴套32固定在塔筒2上。轴承座31套设于固定轴套32的外部。外磁环组固定在轴承座31的内周向侧壁上，内磁环组固定在固定轴套32的外周向侧壁上，外磁环组和内磁环组相对设置，外磁环组能够沿轴承座31的轴向相对内磁环组移动，以在外磁环组和内磁环组之间形成用于支撑机舱底座1重量的作用力。
具体地，外磁环组和内磁环组间存在气隙，以防止外磁环组和内磁环组间产生的磁力线短路，进而增强外磁环组和内磁环组间的磁场强度。
外磁环组的两端分别设置外压盖38，外压盖38固定在外支撑座33的两端，以固定和压紧外磁环组的位置。
沿轴承座31的轴向，外磁环组包括至少两个外磁环35，内磁环组包括至少两个内磁环36，相邻两个外磁环35以及相邻两个内磁环36的磁性均相反，相对设置的外磁环35和内磁环36的磁性相反。
当轴承座31未承受机舱底座1的重量时：相对设置的外磁环35和内磁环36的磁性相反，外磁环组和内磁环组之间产生沿二者径向方向延伸的吸力，且该吸力均布在外磁环组和内磁环组的周向侧壁，以使二者受力平衡。
当轴承座31承担机舱底座1的重量，且沿其轴向向靠近塔筒2的方向移动时：轴承座31带动外支撑座33和外磁环组同步移动，外磁环组相对内磁环组移动时，外磁环35移动至与相邻两个内磁环36相对设置，由于相邻两个内磁环36的磁性相反，该外磁环35向与其磁性相同的内磁环36施加向机舱底座1方向倾斜的斥力，该外磁环35向与其磁性相反的内磁环36施加向机舱底座1方向倾斜的引力，且引力和斥力相背延伸。斥力和引力在由塔筒2向机舱底座1延伸的方向上形成分力，该分力和机舱底座1的重力平衡，用于支撑机舱底座1的重量。
优选地，相邻两个外磁环35以及相邻两个内磁环36均分别间隔设置，相邻两个外磁环35的间隙内以及相邻两个内磁环36的间隙内均分别设置垫片37，垫片37为非导磁材料。垫片37用于隔离相邻两个外磁环35间的磁力线，或者相邻两个内磁环36间的磁力线，以避免部分磁力线在相邻两个外磁环35或者相邻两个内磁环36间传递造成的损失，进而提高外磁环35与内磁环36间磁力线的传递强度。同时，设置垫片37还能便于外磁环35与外支撑座33之间的装配，以及内磁环36与内支撑座34之间的装配。
垫片37优选为铝合金或者为不锈钢。
进一步，悬浮支撑组件还包括轴承39。两个轴承39位于轴承座31和固定轴套32之间，且分别位于外支撑座33和内支撑座34的两端。
通过设置外磁环组和内磁环组以支撑机舱底座1和叶片组件的重力，减轻了轴承39的支撑压力，本申请中的轴承39仅需承受风力作用在机舱底座1上的弯矩载荷，该弯矩载荷的方向沿轴承座31的径向延伸，因此，本申请中可选用小规格(约2-3米)的圆柱滚子轴承，相较于现有的风电偏航系统中所采用的大直径(约4米)的轴承39，降低了轴承39的制造难度。
具体地，轴承39为无内圈挡边的圆柱滚子轴承，允许机舱底座1向靠近塔筒2的方向移动，进而带动外磁环组相对内磁环组移动。
参照图2所示，进一步，偏航驱动组件包括转动件41和驱动件42，转动件41固定在机舱底座1上，转动件41和位于固定轴套32内周向侧壁上的齿圈啮合传动，驱动件42能够驱动转动件41和机舱底座1同步绕转动件41的轴向转动，以带动机舱底座1对风偏转。转动件41优选为齿轮。驱动件42优选为电机。
进一步，阻尼装置包括设置在塔筒2上的刹车盘52，能够在风电偏航系统发生对风偏转时，和刹车盘52发生相对运动从而在刹车盘52中产生阻止机舱底座1对风偏转的阻尼力的永磁阻尼器51，永磁阻尼器51对应刹车盘52设置，以及能够锁定风电偏航系统的机舱底座1位置的钳式制动器54，钳式制动器54设置在机舱底座1上。
参照图2和图6-8所示，具体地，至少一个永磁阻尼器51通过阻尼器支架53设置在机舱底座1上。
永磁阻尼器51包括背板5111、盘体5112和磁钢块512。背板5111和盘体5112均为扇形环，盘体5112的一侧设置用于容纳磁钢块512的凹槽，背板5111用于封闭盘体5112上的凹槽。至少一个磁钢块512沿盘体5112的周向等间距固定设置于盘体5112。
磁钢块512能够和刹车盘52间产生磁场，且在磁钢块512和刹车盘52发生相对运动时，刹车盘52产生感应电流，并在刹车盘52和磁钢块512之间产生感应磁场，进而产生阻止磁钢块512转动的阻尼力，因永磁阻尼器51与机舱底座1固定连接，因此该阻尼力阻止机舱底座1对风偏转。
永磁阻尼器51和刹车盘52降低机舱底座1对风偏转的速度的基本原理为电磁感应的楞次定律，具体为：当机舱底座1不对风偏转时，永磁阻尼器51和刹车盘52不工作；当永磁阻尼器51随机舱底座1同步对风偏转时，永磁阻尼器51和刹车盘52相对运动，刹车盘52中产生感应电流，并产生用于阻止机舱底座1对风偏转的阻尼力，以降低机舱底座1对风偏转的速度。当机舱底座1带动永磁阻尼器51相对刹车盘52运动的速度越快时，刹车盘52所产生的感应电流越大，其产生的阻尼力也越大，能够进一步降低机舱底座1对风偏转的速度。
永磁阻尼器51和刹车盘52采用非接触的方式，将永磁阻尼器51的转动力转换为阻止机舱底座1对风偏转的阻尼力，该过程中无能量损耗，降低了运行成本。
盘体5112用于固定磁盘的位置，避免永磁阻尼器51随机舱底座1转动时晃动磨损。盘体5112为非导磁材料，以避免磁钢块512所产生的磁力线由盘体5112流失，进而提高磁钢块512与刹车盘52之间的磁场强度。
固定轴套32的内周向侧壁沿其径向向内延伸形成伸出臂321，至少一个永磁阻尼器51围绕伸出臂321设置，伸出臂321的周向侧壁设置导体盘322，导体盘322和磁钢块512相对设置。导体盘322为非导磁材料，以避免磁钢块512所产生的磁力线在磁钢块512间传递造成损耗，进而提高磁钢块512与刹车盘52之间的磁场强度。
磁钢块512优选为钕铁硼磁钢。盘体5112优选为铝盘。导体盘322优选为铜盘或者铝盘。
在实际应用中，可以根据实际需求选择如下设置，以调整阻尼力强度：
采用钢制刹车盘52，以增大阻尼力大小；
在刹车盘52的周向设置铜环或者铝环，以增大阻尼力大小；
设置多个永磁阻尼器51，多个永磁阻尼器51相对设置在阻尼器支架53的上下两侧，以增大永磁阻尼器51与刹车盘52间的磁场强度，进而增大阻尼力大小。优选设置两个永磁阻尼器51。
具体地，钳式制动器54通过安装座固定在机舱底座1上。
当机舱底座1不偏航时，永磁阻尼器51、刹车盘52和钳式制动器54同时工作，永磁阻尼器51和刹车盘52用于降低机舱底座1对风偏转的速度，钳式制动器54用于锁定机舱底座1的位置。在永磁阻尼器51和刹车盘52降低了机舱底座1的对风偏转速度的前提下，钳式制动器54锁定机舱底座1位置时的锁紧压力较小，因此，钳式制动器54在工作过程中的磨损较小，能够提高偏航制动组件的使用寿命，并降低维修和维护的成本。
当机舱底座1偏航时，钳式制动器54不工作，仅由永磁阻尼器51和刹车盘52配合工作，以降低机舱底座1对风偏转的速度，避免机舱底座1对风偏转的速度过快，导致偏航驱动组件受损。
钳式制动器54脱离刹车盘52运行，以避免钳式制动器54的磨损失效，进而提高阻尼装置的使用寿命。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于风电偏航系统的阻尼装置，其特征在于，所述阻尼装置包括：
能够锁定风电偏航系统的机舱底座(1)位置的钳式制动器(54)，设置在所述机舱底座(1)上；
设置在所述风电偏航系统的塔筒(2)上的刹车盘(52)；
能够在所述风电偏航系统发生对风偏转时，和所述刹车盘(52)发生相对运动从而在所述刹车盘(52)中产生阻止所述机舱底座(1)对风偏转的阻尼力的永磁阻尼器(51)，所述永磁阻尼器(51)对应所述刹车盘(52)设置。
2.如权利要求1所述的用于风电偏航系统的阻尼装置，其特征在于，所述永磁阻尼器(51)设置在所述机舱底座(1)上；
所述永磁阻尼器(51)包括背板(5111)、盘体(5112)和磁钢块(512)；
所述背板(5111)和所述盘体(5112)均为扇形环，所述盘体(5112)的一侧设置用于容纳所述磁钢块(512)的凹槽，所述背板(5111)用于封闭所述凹槽，至少一个所述磁钢块(512)沿所述盘体(5112)的周向等间距固定设置于所述盘体(5112)上；
所述磁钢块(512)能够和所述刹车盘(52)间产生磁场，且在所述磁钢块(512)和所述刹车盘(52)发生相对运动时，所述刹车盘(52)产生感应电流。
3.一种风电偏航系统，其特征在于，包括能够相对固定设置的所述塔筒(2)旋转以对风偏航从而处于迎风状态的所述机舱底座(1)，权利要求1或2所述的阻尼装置以及能够在所述塔筒(2)和所述机舱底座(1)之间形成可转动悬浮支撑的悬浮支撑组件。
4.如权利要求3所述的风电偏航系统，其特征在于，所述悬浮支撑组件包括轴承座(31)、固定轴套(32)、外磁环组和内磁环组；
所述轴承座(31)、所述固定轴套(32)、所述外磁环组和所述内磁环组均为环体；
所述轴承座(31)固定在所述机舱底座(1)的底部，且所述轴承座(31)随所述机舱底座(1)同步对风偏转；
所述固定轴套(32)固定在所述塔筒(2)上；
所述轴承座(31)套设于所述固定轴套(32)的外部；
所述外磁环组固定在所述轴承座(31)的内周向侧壁上，所述内磁环组固定在所述固定轴套(32)的外周向侧壁上，所述外磁环组和所述内磁环组相对设置，所述外磁环组能够沿所述轴承座(31)的轴向相对所述内磁环组移动。
5.如权利要求4所述的风电偏航系统，其特征在于，所述悬浮支撑组件还包括外支撑座(33)和内支撑座(34)；
所述外支撑座(33)和所述内支撑座(34)均为环体；
所述外支撑座(33)固定在所述轴承座(3)的内周向侧壁上，所述内轴承座(3)固定在所述固定轴套(32)的外周向侧壁上；
所述外磁环组固定在所述外支撑座(33)的内周向侧壁上，所述内磁环组固定在所述内支撑座(34)的内周向侧壁上。
6.如权利要求5所述的风电偏航系统，其特征在于，所述外支撑座(33)和所述内支撑座(34)的两端分别设置轴承(39)，且所述轴承(39)位于所述轴承座(3)和所述固定轴套(32)之间；
所述轴承(39)为无内圈挡边的圆柱滚子轴承。
7.如权利要求5所述的风电偏航系统，其特征在于，所述外磁环组和所述内磁环组间存在气隙。
8.如权利要求4-7任一项所述的风电偏航系统，其特征在于，沿所述轴承座(3)的轴向，所述外磁环组包括至少两个外磁环(35)，所述内磁环组包括至少两个内磁环(36)，相邻两个所述外磁环(35)以及相邻两个所述内磁环(36)的磁性均相反，相对设置的所述外磁环(35)和所述内磁环(36)的磁性相反。
9.如权利要求8所述的风电偏航系统，其特征在于，相邻两个所述外磁环(35)以及相邻两个所述内磁环(36)均间隔设置；
相邻两个所述外磁环(35)的间隙内以及相邻两个所述内磁环(36)的间隙内均分别设置垫片(37)，所述垫片(37)为非导磁材料。
10.如权利要求4所述的风电偏航系统，其特征在于，所述固定轴套(32)的内周向侧壁设置齿圈；
所述风电偏航系统还包括偏航驱动组件；
所述偏航驱动组件包括转动件(41)和驱动件(42)，所述转动件(41)设置在所述机舱底座(1)上，所述转动件(41)和所述齿圈啮合传动，所述驱动件(42)能够驱动所述转动件(41)绕其轴向转动，以带动所述机舱底座(1)对风偏转。
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