CN114123717A - 一种大功率混合式风电齿轮箱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率混合式风电齿轮箱，属于风电领域。该齿轮箱包括低速级机械行星齿轮、中速级同轴磁齿轮、高速级同轴磁齿轮、第一联轴器、第二联轴器等；机械行星齿轮包括行星架、行星轮、齿圈、太阳轮、输出轴；同轴磁齿轮均包括外转子磁齿轮、内转子磁齿轮和调磁环以及主动轴、从动轴等。低速级机械行星齿轮的行星架与风轮主轴用收缩套连接，其输出轴通过第一联轴器与中速级同轴磁齿轮的主动轴相连；中速级从动轴通过第二联轴器与高速级同轴磁齿轮的主动轴相连，高速级从动轴通过联轴器与风力发电机转轴固定。本发明无需复杂笨重的注油润滑冷却系统，能耗小、重量轻、运维简便，可大大降低运维成本，尤其适合于双馈型和半直驱型风力发电机。

Description

一种大功率混合式风电齿轮箱
技术领域
本发明涉及一种风电齿轮箱，尤其是一种大功率混合式风电齿轮箱，属于风力发电技术领域。
背景技术
双馈型风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、双馈型发电机(DFIG)、变流器系统等构成。DFIG是一个高速、体积小的发电机，由于风轮低转速运行，因此通常采用高增速比的齿轮箱把较低的风轮转速提升到高速的发电机转子转速。
半直驱型风力发电系统采用低增速比的齿轮箱，以提高发电机的转速，从而使得半直驱型风力发电机的体积缩小。
但现有齿轮箱采用机械齿轮啮合，尤其是高速齿轮运行于高速啮合旋转中，需要复杂的注油润滑冷却系统，体积大、笨重、成本高、噪声大、故障率高，需要定期维护；一旦发生故障，则维修费用高昂、停机时间长，带来巨大经济损失。此外，双馈型风力发电系统和半直驱型风力发电系统的主要损耗来源于齿轮箱和变流器系统，其中有65％左右的系统损耗来源于齿轮箱。因此，迫切需要研发新型齿轮箱，以期降低系统的成本、损耗以及运维费用，提高系统运行性能及其可靠性。
鉴于目前风电齿轮箱存在上述缺陷，直驱型永磁风力发电系统不采用齿轮箱，但这导致直驱型永磁风力发电机体积大、笨重，尤其是随着海上风电的发展，这种风力发电机的容量越来越大，其体积和重量必然越来越大，不能满足海上风电轻量化、小型化的要求。如果新型齿轮箱克服了上述缺陷，则风力发电系统即可选用新型齿轮箱+高速永磁风力发电机，从而实现海上风电机组轻量化、小型化的目标。
磁齿轮具有物理隔离的特性，无机械接触，因而具有无磨损、免维护、无噪声、无需润滑、能够过载保护等优势，近年来得到越来越多的重视和应用。但现有磁齿轮传输转矩较小，不能适用于兆瓦级(MW级)大功率风电机组，影响其在风力发电系统中推广应用。
发明内容
本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本发明提供一种大功率混合式风电齿轮箱，低速级采用机械行星齿轮，中高速级采用磁性齿轮，因而兼有传输转矩大，而润滑系统简单的优势，重量轻、能耗低，从而可大大降低大型风电机组，尤其是双馈型风电机组的运行维护成本，提高系统运行性能和可靠性。
为了达到以上目的，本发明一种大功率混合式风电齿轮箱，包括：低速级机械行星齿轮、中速级同轴磁齿轮、高速级同轴磁齿轮、第一联轴器、第二联轴器、机座等。
所述机械行星齿轮包括：行星架、行星轮、齿圈、太阳轮、输出轴；所述行星架作为转矩输入端，所述行星轮安装在所述行星架上，同时与所述齿圈和所述太阳轮进行啮合传动，所述太阳轮的轴通过花键与所述输出轴固定。
所述同轴磁齿轮包括：外转子磁齿轮、内转子磁齿轮和调磁环，以及主动轴、主动轴轴承、从动轴、从动轴轴承、左端板、右端板、若干支架等；所述外转子磁齿轮包括外转子铁芯及外转子永磁体，所述外转子永磁体粘贴在所述外转子铁芯的内侧，所述外转子永磁体采用每极由一块径向磁化的永磁体和一块切向磁化的永磁体组成的Halbach永磁阵列；所述内转子磁齿轮包括内转子铁芯及内转子永磁体，所述内转子永磁体粘贴在所述内转子铁芯外侧，所述内转子永磁体采用每极由一块径向磁化的永磁体和分布在此径向磁化永磁体两边的两块磁化角度分别为α和-α(0°<α<90°)的永磁体组成的Halbach永磁阵列；所述调磁环包括调磁铁块和非导磁材料。
所述外转子磁齿轮与所述主动轴固定，所述内转子磁齿轮与所述从动轴固定；所述调磁环位于所述外转子磁齿轮和所述内转子磁齿轮之间，且通过绝缘垫片(或绝缘板)用螺栓固定安装在所述右端板上；所述支架的两端分别与所述左端板与所述右端板连接，所述左端板、所述右端板均为非导磁材料。所述主动轴轴承套装在所述主动轴外侧，并与所述左端板固定；所述从动轴轴承套装在所述从动轴外侧，并与所述右端板固定；所述左端板、右端板均与所述机座固定。
所述低速级机械行星齿轮的行星架、齿圈、太阳轮、输出轴，所有所述外转子磁齿轮、内转子磁齿轮、调磁环和所述主动轴、主动轴轴承、从动轴、从动轴轴承以及所述第一联轴器、第二联轴器均保持同轴；
所述低速级机械行星齿轮的行星架与风轮主轴用收缩套连接；所述低速级机械行星齿轮的输出轴通过第一联轴器与所述中速级同轴磁齿轮的主动轴相连；所述中速级同轴磁齿轮的从动轴通过第二联轴器与所述高速级同轴磁齿轮的主动轴相连，所述高速级同轴磁齿轮的从动轴通过发电机联轴器与风力发电机的转轴固定。
进一步地，去掉所述高速级同轴磁齿轮、第二联轴器，则本发明风电齿轮箱为两级增速箱，称为两级增速半直驱型混合式风电齿轮箱，用于驱动半直驱型永磁同步风力发电机，它包括低速级机械行星齿轮、中速级同轴磁齿轮、第一联轴器、机座等；所述低速级机械行星齿轮的行星架与风轮主轴用收缩套连接；所述低速级机械行星齿轮的输出轴通过所述第一联轴器与所述中速级同轴磁齿轮的主动轴相连；所述中速级同轴磁齿轮的从动轴通过发电机联轴器与半直驱型永磁同步风力发电机的转轴固定。
本发明的有益效果是：
1)中高速级磁齿轮无机械接触，实现机械隔离，风轮的机械振动不会传输到风力发电机，可有效解决共振问题；
2)集机械行星齿轮和同轴磁齿轮优势于一体，低速级采用机械行星齿轮，使得传输转矩大，传动刚度好；而中高速级采用同轴磁齿轮，无机械接触，可省却复杂笨重的注油润滑冷却系统，从而使齿轮箱体积缩小、重量轻、能耗低，可大大降低MW级双馈型风力发电机组和半直驱型风力发电机的运维成本，提高系统运行性能和可靠性。
附图说明
图1为本发明采用的双馈型风力发电系统拓扑结构示意图。
图2为本发明混合式风电齿轮箱结构示意图。
图3为本发明机械行星齿轮示意图。
图4为本发明同轴磁齿轮示意图。
图5为本发明同轴磁齿轮中的外转子磁齿轮、内转子磁齿轮和调磁环示意图。
图6为本发明采用的永磁同步风力发电系统拓扑结构示意图。
图7为本发明两级增速半直驱型混合式风电齿轮箱示意图。
图8为本发明采用的半直驱型永磁风力发电系统拓扑结构示意图。
其中，1-低速级同轴磁齿轮；2-中速级同轴磁齿轮；3-高速级同轴磁齿轮；4-第一联轴器；5-第二联轴器；6-机座；7-风轮，71-风轮主轴；8-发电机联轴器；9-双馈型风力发电机；10-高速永磁同步风力发电机；11-半直驱型永磁同步风力发电机；13-机械行星齿轮行星架；14-机械行星齿轮输出轴；15-机械行星齿轮输出轴轴承；16-机械行星齿轮齿圈；17-机械行星齿轮行星轮；18-机械行星齿轮太阳轮；21-外转子磁齿轮；22-内转子磁齿轮；23-调磁环；24-绝缘垫片；25-主动轴；26-主动轴轴承；27-从动轴；28-从动轴轴承；29-左端板；30-右端板；31-支架；211-外转子铁芯，212-外转子永磁体；221-内转子铁芯，222-内转子永磁体。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明采用的双馈型风力发电系统拓扑结构包括风轮7及其主轴71、本发明大功率混合式风电齿轮箱、发电机联轴器8和双馈型风力发电机9；
如图1、图2所示，本发明大功率混合式风电齿轮箱采用一级行星两级同轴磁齿轮传动，是一种三级增速箱，包括：低速级机械行星齿轮1、第一联轴器4、中速级同轴磁齿轮2、第二联轴器5、高速级同轴磁齿轮3、机座6等。
如图3所示，本发明低速级机械行星齿轮1包括：行星架13、输出轴14、输出轴轴承15、齿圈16、若干行星轮17、太阳轮18。行星架13作为转矩输入端，行星轮17安装在行星架13上，同时与齿圈16和太阳轮18进行啮合传动，太阳轮18的轴通过花键与输出轴14固定。
本发明中速级同轴磁齿轮2、高速级同轴磁齿轮3的结构相同，均如图4所示，包括：外转子磁齿轮21、内转子磁齿轮22和调磁环23、绝缘垫片24以及主动轴25、主动轴轴承26、从动轴27、从动轴轴承28、左端板29、右端板30、若干支架31。
如图4所示，外转子磁齿轮21由外转子铁芯211和外转子永磁体212组成，外转子永磁体212粘贴在外转子铁芯211内侧；内转子磁齿轮22由内转子铁芯221和内转子永磁体222组成，内转子永磁体222粘贴在内转子铁芯221外侧；调磁环23包括调磁铁块和非导磁材料。
外转子磁齿轮21与主动轴25固定，内转子磁齿轮22与从动轴27固定；调磁环23位于外转子磁齿轮21和内转子磁齿轮22之间，且通过绝缘垫片24(或绝缘板)用螺栓固定安装在右端板30上；支架31的两端分别与左端板29与右端板30连接，左端板29、右端板30均为非导磁材料。主动轴轴承26套装在主动轴25外侧，并与左端板29固定；从动轴轴承28套装在从动轴27外侧，并与右端板30固定；左端板29、右端板30均与机座6固定。
如图5所示，本发明同轴磁齿轮的外转子永磁体212和内转子永磁体222均采用Halbach永磁阵列；其中，外转子永磁体212的每极由一块径向磁化的永磁体和一块切向磁化的永磁体组成；内转子永磁体222的每极由一块径向磁化的永磁体和分布在此径向磁化永磁体两边的两块磁化角度分别为α和-α(0°<α<90°)的永磁体组成。
低速级机械行星齿轮1的行星架13、输出轴14、齿圈16、太阳轮18、中高速级磁齿轮的所有外转子磁齿轮21、内转子磁齿轮22和调磁环23、主动轴25、主动轴轴承26、从动轴27、从动轴轴承28、第一联轴器4、第二联轴器5以及风轮7、风轮主轴71均保持同轴；
如图1、图2所示，低速级机械行星齿轮1的行星架13与风轮7的主轴71用收缩套连接，其输出轴通过第一联轴器4与中速级同轴磁齿轮2的主动轴相连；中速级同轴磁齿轮2的从动轴通过第二联轴器5与高速级同轴磁齿轮3的主动轴相连，高速级同轴磁齿轮3的从动轴通过发电机联轴器8与双馈型风力发电机9的转轴固定。
如图1～图4所示，本发明混合式风电齿轮箱的工作过程是：当风速达到切入风速后，风力驱动风轮7旋转，风轮主轴71也随之旋转，从而带动低速级机械行星齿轮1的行星架13旋转，行星架13带动行星轮17旋转，行星轮17驱动太阳轮18旋转，进行第一级增速，太阳轮18的轴通过花键带动输出轴14转动，输出轴14通过第一联轴器4带动中速级同轴磁齿轮2主动轴旋转。中速级同轴磁齿轮2的主动轴旋转后，其外转子磁齿轮也随之旋转，外转子磁齿轮产生的磁场通过中速级同轴磁齿轮2的调磁环的调制，产生丰富的磁场谐波，通过磁场耦合，驱动中速级同轴磁齿轮2的内转子磁齿轮进而带动其从动轴以高于外转子磁齿轮的速度旋转，实现第二级增速，然后中速级同轴磁齿轮2的从动轴通过第二联轴器5驱动高速级同轴磁齿轮3主动轴旋转。与中速级同轴磁齿轮2增速原理一样，高速级同轴磁齿轮3进行第三级增速，高速级同轴磁齿轮3的从动轴(高速轴)输出转矩，它通过发电机联轴器8驱动双馈型风力发电机9的转轴旋转，使双馈型风力发电机9发电。
本发明混合式风电齿轮箱的增速比、输入输出转矩之间的关系分析如下：
本发明混合式风电齿轮箱的低速级机械行星齿轮1是增速比G1为：
Figure BDA0003405855590000041
式中，Za、Zb分别为太阳轮18、齿圈16的齿数。
设本发明同轴磁齿轮的外转子磁齿轮21的极对数为Po，内转子磁齿轮22的极对数为Pi，调磁环23的调磁铁块的数量为Ns，则三者之间的关系为：
Ns＝Po+Pi (2)
本发明同轴磁齿轮的增速比G为：
G＝Po/Pi (3)
则本发明磁齿轮箱的总增速比i为：
Figure BDA0003405855590000042
式中，G1、G2、G3分别为低速级机械行星齿轮1、中速级同轴磁齿轮2和高速级同轴磁齿轮3的增速比；Po2、Pi2分别为中速级同轴磁齿轮2的外转子极对数和内转子极对数，Po3、Pi3分别为高速级同轴磁齿轮3的外转子极对数和内转子极对数。
不考虑实际功率损耗，低速级机械行星齿轮1的输入转矩(即本发明混合式风电齿轮箱的输入转矩，即风轮主轴71的输出转矩)与其输出转矩应满足：
ωhTh＝ωaTa (5)
式中，ωh、ωa分别为低速级机械行星齿轮行星架13的机械角速度和输出轴14的机械角速度；Th、Ta分别为低速级机械行星齿轮1的输入转矩和输出转矩。
同样，不考虑实际功率损耗，同轴磁齿轮外转子的输入转矩(机械转矩)与内转子的输出转矩(磁力转矩)应满足：
ωiTi＝ωoTo (6)
式中，ωi、ωo分别为同轴磁齿轮内、外转子的机械角速度；Ti、To分别为同轴磁齿轮内转子输出转矩和外转子输入转矩。
其中，因磁场耦合作用，内转子上的磁力转矩(输出转矩)为：
Figure BDA0003405855590000051
式中，Lef为同轴磁齿轮的轴向长度，Riδ为内层气隙半径，μ0为真空磁导率，Bri、Bθi分别为内层气隙的径向与切向磁密。
本发明混合式风电齿轮箱传动系统的输入转矩与输出转矩之比可写为：
Figure BDA0003405855590000052
式中，Ti2、Ti3分别为中速级同轴磁齿轮2和高速级同轴磁齿轮3的内转子输出转矩，其中，Ti3也是本发明混合式风电齿轮箱的输出转矩。
忽略损耗，低速级机械行星齿轮1的输出转矩Ta等于中速级同轴磁齿轮2的外转子输入转矩To2，中速级同轴磁齿轮2的内转子输出转矩Ti2等于高速级同轴磁齿轮3的外转子输入转矩To3，即有：
Ta＝To2，Ti2＝To3 (9)
将式(9)代入式(8)，可得：
Figure BDA0003405855590000053
根据式(5)、式(6)，式(10)可改写为：
Figure BDA0003405855590000054
式中，ωi2、ωi3分别为中速级同轴磁齿轮2、高速级同轴磁齿轮3的内转子转速，ωo2、ωo3分别为中速级同轴磁齿轮2、高速级同轴磁齿轮3的外转子转速。
根据式(1)～式(4)、式(7)、式(11)及所需达到的技术参数，通过合理分配各级增速比和传输转矩，即可确定本发明混合式风电齿轮箱的结构参数。
下面用一个优选实施例对本发明做进一步说明。
以一台1.5MW的双馈型风力发电机(DFIG)为例，配以1台本发明混合式风电齿轮箱，两者技术参数如表1所示。
表1 1.5MW双馈型风力发电机及与之配套的混合式风电齿轮箱技术参数要求
Figure BDA0003405855590000061
根据表1的要求，遵循各级传动比分配一般的原则，即：使各级的承载能力大致相等，使齿轮箱的装配体积小、重量轻，减少传动误差与转矩脉动等，设计齿轮箱传动系统的结构参数如表2所示，其技术参数如表3所示。
表2与1.5MW DFIG配套的混合式风电齿轮箱传动系统结构参数
Figure BDA0003405855590000062
表3与1.5MW DFIG配套的混合式风电齿轮箱设计参数
Figure BDA0003405855590000063
作为一个实施例，本发明混合式风电齿轮箱也可用于高速永磁同步风力发电机机型，如图6所示，本发明采用的永磁同步风力发电系统拓扑结构包括风轮7及其主轴71、本发明混合式风电齿轮箱、联轴器8和高速永磁同步风力发电机10；其中，高速永磁同步风力发电机10额定转速高，因而其体积可大幅变小、重量大大减轻、成本显著降低。
作为特选例之一，如图7所示，本发明混合式风电齿轮箱也可去掉高速级同轴磁齿轮3和第二联轴器5，作为两级增速半直驱型混合式风电齿轮箱，即该两级增速半直驱型混合式风电齿轮箱包括低速级机械行星齿轮1、中速级同轴磁齿轮2、第一联轴器4、机座6等。
如图8所示，本发明采用的半直驱永磁风力发电系统拓扑结构包括风轮7及其主轴71、本发明两级增速半直驱型混合式风电齿轮箱、发电机联轴器8和半直驱永磁同步风力发电机11；低速级机械行星齿轮1的行星架13与风轮主轴71用收缩套连接；低速级机械行星齿轮1的输出轴14通过第一联轴器4与中速级同轴磁齿轮2的主动轴相连；中速级同轴磁齿轮2的从动轴通过发电机联轴器8与半直驱型永磁同步风力发电机11的转轴固定。在此情况下，由于使用了本发明半直驱型混合式风电齿轮箱，可提高永磁同步发电机的转速，从而使发电机直径减小、重量减轻、成本降低。
总之，由于本发明混合式风电齿轮箱低速级采用机械行星齿轮、中高速级采用同轴磁齿轮，集低速级机械行星齿轮可传输大转矩和同轴磁齿轮可高速无摩擦运转优势于一体，因而无需复杂笨重的注油润滑冷却系统，从而使齿轮箱能耗大大降低、重量减轻、成本低、运维简便、可靠性高。

Claims (2)

1.一种大功率混合式风电齿轮箱，其特征在于：包括：低速级机械行星齿轮、中速级同轴磁齿轮、高速级同轴磁齿轮、第一联轴器、第二联轴器、机座；
所述低速级机械行星齿轮包括：行星架、行星轮、齿圈、太阳轮、输出轴；所述行星架作为转矩输入端，所述行星轮安装在所述行星架上，同时与所述齿圈和所述太阳轮进行啮合传动，所述太阳轮的轴通过花键与所述输出轴固定；
所述同轴磁齿轮包括：外转子磁齿轮、内转子磁齿轮和调磁环，以及主动轴、主动轴轴承、从动轴、从动轴轴承、左端板、右端板、若干支架；所述外转子磁齿轮包括外转子铁芯及外转子永磁体，所述外转子永磁体粘贴在所述外转子铁芯的内侧，所述外转子永磁体采用每极由一块径向磁化的永磁体和一块切向磁化的永磁体组成的Halbach永磁阵列；所述内转子磁齿轮包括内转子铁芯及内转子永磁体，所述内转子永磁体粘贴在所述内转子铁芯外侧，所述内转子永磁体采用每极由一块径向磁化的永磁体和分布在此径向磁化永磁体两边的两块磁化角度分别为α和-α的永磁体组成的Halbach永磁阵列；所述调磁环包括调磁铁块和非导磁材料；
所述外转子磁齿轮与所述主动轴固定，所述内转子磁齿轮与所述从动轴固定；所述调磁环位于所述外转子磁齿轮和所述内转子磁齿轮之间，且通过绝缘垫片用螺栓固定安装在所述右端板上；所述支架的两端分别与所述左端板与所述右端板连接，所述左端板、所述右端板均为非导磁材料；所述主动轴轴承套装在所述主动轴外侧，并与所述左端板固定；所述从动轴轴承套装在所述从动轴外侧，并与所述右端板固定；所述左端板、右端板均与所述机座固定；
所述低速级机械行星齿轮的行星架、齿圈、太阳轮、输出轴，所有所述外转子磁齿轮、内转子磁齿轮、调磁环和所述主动轴、主动轴轴承、从动轴、从动轴轴承，以及所述第一联轴器、第二联轴器均保持同轴；
所述低速级机械行星齿轮的行星架与风轮主轴用收缩套连接；所述低速级机械行星齿轮的输出轴通过第一联轴器与所述中速级同轴磁齿轮的主动轴相连；所述中速级同轴磁齿轮的从动轴通过第二联轴器与所述高速级同轴磁齿轮的主动轴相连，所述高速级同轴磁齿轮的从动轴通过发电机联轴器与风力发电机的转轴固定。
2.根据权利要求1所述的一种大功率混合式风电齿轮箱，其特征在于：去掉所述高速级同轴磁齿轮、第二联轴器，则为两级增速半直驱型混合式风电齿轮箱，它包括：低速级机械行星齿轮、中速级同轴磁齿轮、第一联轴器、机座，用于驱动半直驱型永磁同步风力发电机；所述低速级机械行星齿轮的行星架与风轮主轴用收缩套连接；所述低速级机械行星齿轮的输出轴通过所述第一联轴器与所述中速级同轴磁齿轮的主动轴相连；所述中速级同轴磁齿轮的从动轴通过发电机联轴器与半直驱型永磁同步风力发电机的转轴固定。
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