CN116104699A - 行星传动三轴联动同步变桨系统及风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种行星传动三轴联动同步变桨系统及风力发电机，包括分别安置于风轮的三个叶片根部的行星轴锥齿轮，安置于风力发电机的主轴前端并与所有行星轴锥齿轮啮合传动的太阳轴传动机构，以及安置于风力发电机的机舱内的用于驱动太阳轴传动机构的行星驱动机构，所述太阳轴传动机构通过轴承套置于主轴上并与主轴转动连接，在风轮转动时与行星轴锥齿轮保持相对静止的状态，在变桨时所述行星驱动机构向太阳轴传动机构输出变桨驱动作用力改变太阳轴传动机构的转速来带动各行星轴锥齿轮转动使各叶片进行同步变桨。本发明将变桨系统的大部分结构都转移到机舱内，减轻了风轮部分的重量，使风力机重量更好地传递到塔架，并且简化了结构。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地讲，是涉及一种行星传动三轴联动同步变桨系统及其构成的风力发电机。
背景技术
风能是空气流动所产生的动能，是太阳能的一种转化形式，属于清洁能源。合理有效地利用风能是缓解碳排放问题的一大途径。风力发电机是将风能转换为电能的系统，其原理是利用风力带动风轮叶片旋转，通过主轴旋转使风能转换为机械能，再通过调速机构使主轴转速保持稳定，联接到发电机上将机械能转换为电能，实现发电。由于风力的大小和方向经常变化，这会使风轮输出转速不稳定，并且不能充分利用风能，因此通常还会配置偏航系统和变桨系统，偏航系统是用来匹配风力方向，使风力发电机的迎风面始终正对来风的方向，变桨系统是用来匹配风力的大小，通过调节风轮叶片的节距角，改变气流对叶片的攻角，从而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率，实现相对固定的转速输出。
随着风力机的容量越来越大，内部结构也是变得愈发复杂，从而大大加重了风力机内部的重量，尤其是风轮部分的重量。在风力发电机系统的力学分析中，风轮部分的自重会严重影响到风力发电机组的平衡，因此如何优化风轮结构减轻重量，是风力发电机组结构设计中的一大难点，目前风力机组是采用将主轴与水平线倾斜的方式，来保证将风轮的重力传递到载荷上。大型风力发电机组的风轮系统轮毂内的变桨结构通常采用三电机驱动，随着时间的推移，电机老化程度不同，从而导致机组变桨角度出现偏差，使得风轮受力不均，影响风力发电机组的安全性，可靠性以及试用寿命，维护人员修理或更换变桨电机及其他变桨系统也会产生诸多不便。因此，本发明从变桨系统的角度出发，通过结构改进优化设计实现风轮部分的自重减轻。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明提供一种行星传动三轴联动同步变桨系统，将控制和驱动部分移至机舱内统一安置，通过行星传动和锥齿轮传动结合的方式联动传动三个叶片，有效地减少了风轮部分的重量，并通过物理结构方式而非联动控制方式实现同步变桨。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种行星传动三轴联动同步变桨系统，包括分别安置于风轮的三个叶片根部的行星轴锥齿轮，安置于风力发电机的主轴前端并与所有行星轴锥齿轮啮合传动的太阳轴传动机构，以及安置于风力发电机的机舱内的用于驱动太阳轴传动机构的行星驱动机构，所述太阳轴传动机构通过轴承套置于主轴上并与主轴转动连接，在主轴驱动风轮转动时随风轮和主轴同步转动，与行星轴锥齿轮保持相对静止的状态，在变桨时所述行星驱动机构向太阳轴传动机构输出变桨驱动作用力改变太阳轴传动机构的转速来带动各行星轴锥齿轮转动使各叶片进行同步变桨。
具体地，所述太阳轴传动机构包括套置于主轴前端的内环套，内侧卡置固定于内环套上的转动轴承组件，卡置固定于转动轴承组件外侧的传动环体，安置于传动环体前端的太阳轴锥齿轮，设置于传动环体后端并与主轴保持固定间隔的传动连接部，以及安置于传动连接部上的传动齿圈，其中所述太阳轴锥齿轮与所有行星轴承锥齿轮啮合传动，所述传动齿圈与行星驱动机构啮合传动，在风力发电机的风轮转动时，传动环体在转动轴承组件作用下随风轮转动，使太阳轴锥齿轮与行星轴承锥齿轮保持相对静止的状态；所述行星驱动机构提供的变桨驱动作用力通过传动齿圈传递至传动环体来改变传动环体相对于风轮的转速，使太阳轴锥齿轮相对于各行星轴锥齿轮转动，带动各叶片同时转动实现同步变桨。
具体地，所述行星驱动机构包括固定安置于风力发电机的机舱内的驱动支架，安置于驱动支架上的变桨驱动电机，以及与变桨驱动电机传动连接的并与传动齿圈啮合的行星驱动齿轮，所述变桨驱动电机输出驱动行星驱动齿轮转动形成变桨驱动作用力，从而带动传动齿圈转动。
进一步地，所述变桨驱动电机和行星驱动齿轮配置至少一套，当配置多套时沿传动齿圈圆周均布。
进一步地，所述变桨驱动电机的输出端还配置有减速机。
更进一步地，本发明还提供了一种风力发电机，采用上述的行星传动三轴联动同步变桨系统，还包括塔架，安置于塔架上的机舱，以及安置于机舱前端的风轮系统，所述风轮系统通过主轴连接机舱内的发电机组。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明针对现有大型风力发电机(如3MW及以上风力机)的风轮部分自重较大的问题进行结构优化设计，将变桨系统的大部分结构都转移到机舱内，有效地减轻了风轮部分的自重，使风力发电机的重量更好地传递到塔架上，提高了大型风力发电机的运行稳定性，适于在大型风力发电机上应用。
(2)本发明巧妙设置了太阳轴传动机构传递来自机舱内设置的行星驱动机构提供的变桨驱动作用力，配合行星轴锥齿轮将变桨驱动作用力同时传动到每个风轮叶片上实现同步变桨，并利用转动轴承组件实现了与主轴部分的转动连接，在不变桨时可以随风轮和主轴同步转动而不影响风力机正常运行，变桨时则利用变桨驱动作用力改变太阳轴传动机构与风轮的转速差，使太阳轴锥齿轮与行星轴锥齿轮之间形成啮合传动实现同步变桨操作。
(3)本发明通过对传动结构的改进，最少只需一套变桨驱动电机即可实现三个叶片的同步变桨，有效地节省了变桨驱动电机的数量，进一步实现了结构简化的效果，整体上降低了风力机的自重。
(4)本发明设置的行星驱动机构，配合传动齿圈的设计实现了机舱内相对自由位置的驱动部件安置，也使得行星驱动机构不会受到太阳轴传动机构自身转动的影响，保证了变桨驱动作用力的稳定传递。
附图说明
图1为本发明-实施例的整体结构示意图。
图2为本发明-实施例中太阳轴传动机构部分的结构示意图。
图3为本发明-实施例中行星驱动机构部分的结构示意图。
图4为本发明-实施例中多电机配置的结构示意图。
图5为本发明-实施例中风力发电机的结构示意图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-主轴，2-叶片，3-机舱，4-塔架，5-风轮系统，10-行星轴锥齿轮，
20-太阳轴传动机构，21-内环套，22-转动轴承组件，23-传动环体，24-太阳轴锥齿轮，25-传动连接部，26-传动齿圈，
30-行星驱动机构，31-驱动支架，32-变桨驱动电机，33-行星驱动齿轮，34-减速机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图4所示，该行星传动三轴联动同步变桨系统，包括分别安置于风轮的三个叶片2根部的行星轴锥齿轮10，安置于风力发电机的主轴1前端并与所有行星轴锥齿轮啮合传动的太阳轴传动机构20，以及安置于风力发电机的机舱3内的用于驱动太阳轴传动机构的行星驱动机构30，所述太阳轴传动机构通过轴承套置于主轴上并与主轴转动连接，在主轴驱动风轮转动时随风轮和主轴同步转动，与行星轴锥齿轮保持相对静止的状态，在变桨时所述行星驱动机构向太阳轴传动机构输出变桨驱动作用力改变太阳轴传动机构的转速来带动各行星轴锥齿轮转动使各叶片进行同步变桨。
具体结构如下：
所述太阳轴传动机构20包括套置于主轴前端的内环套21，内侧卡置固定于内环套上的转动轴承组件22，卡置固定于转动轴承组件外侧的传动环体23，安置于传动环体前端的太阳轴锥齿轮24，设置于传动环体后端并与主轴保持固定间隔的传动连接部25，以及安置于传动连接部上的传动齿圈26，其中所述太阳轴锥齿轮与所有行星轴承锥齿轮啮合传动，所述传动齿圈与行星驱动机构啮合传动，在风力发电机的风轮转动时，传动环体在转动轴承组件作用下随风轮转动，使太阳轴锥齿轮与行星轴承锥齿轮保持相对静止的状态；所述行星驱动机构提供的变桨驱动作用力通过传动齿圈传递至传动环体来改变传动环体相对于风轮的转速，使太阳轴锥齿轮相对于各行星轴锥齿轮转动，带动各叶片同时转动实现同步变桨。其中，内环套和传动环体均可采用分体结构并相互连接固定，以便于安装卡接住转动轴承组件；转动轴承组件可以采用单一的轴承，也可以采用轴承组的形式实现。
具体地，所述行星驱动机构30包括固定安置于风力发电机的机舱内的驱动支架31，安置于驱动支架上的变桨驱动电机32，以及与变桨驱动电机传动连接的并与传动齿圈啮合的行星驱动齿轮33，所述变桨驱动电机输出驱动行星驱动齿轮转动形成变桨驱动作用力，从而带动传动齿圈转动。所述变桨驱动电机的输出端还配置有减速机34，以保证低速稳定的驱动力输出。进一步地，所述变桨驱动电机和行星驱动齿轮配置至少一套，当配置多套时沿传动齿圈圆周均布。
如图5所示，本发明还提供了一种风力发电机，采用上述的行星传动三轴联动同步变桨系统，还包括塔架4，安置于塔架上的机舱3，以及安置于机舱前端的风轮系统5，所述风轮系统通过主轴连接机舱内的发电机组。
通过上述对变桨系统的结构改进设计，优化了风力发电机的结构，尤其是简化了风轮部分的结构，减轻了风轮部分的重量，使风力发电机可以承受更大的载荷，且承受能力强，对于3MW以上的风力发电机均可以应用，并且更便于维护，维保人员无需再攀爬风轮，直接在机舱即可进行相关部分的检修维保工作。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种行星传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，包括分别安置于风轮的三个叶片根部的行星轴锥齿轮(10)，安置于风力发电机的主轴前端并与所有行星轴锥齿轮(10)啮合传动的太阳轴传动机构(20)，以及安置于风力发电机的机舱内的用于驱动太阳轴传动机构(20)的行星驱动机构(30)，所述太阳轴传动机构(20)通过轴承套置于主轴上并与主轴转动连接，在主轴驱动风轮转动时随风轮和主轴同步转动，与行星轴锥齿轮(10)保持相对静止的状态，在变桨时所述行星驱动机构(30)向太阳轴传动机构(20)输出变桨驱动作用力改变太阳轴传动机构(20)的转速来带动各行星轴锥齿轮(10)转动使各叶片进行同步变桨。
2.根据权利要求1所述的行星传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述太阳轴传动机构(20)包括套置于主轴前端的内环套(21)，内侧卡置固定于内环套(21)上的转动轴承组件(22)，卡置固定于转动轴承组件(22)外侧的传动环体(23)，安置于传动环体(23)前端的太阳轴锥齿轮(24)，设置于传动环体(23)后端并与主轴保持固定间隔的传动连接部(25)，以及安置于传动连接部(25)上的传动齿圈(26)，其中所述太阳轴锥齿轮(24)与所有行星轴承锥齿轮啮合传动，所述传动齿圈(26)与行星驱动机构(30)啮合传动，在风力发电机的风轮转动时，传动环体(23)在转动轴承组件(22)作用下随风轮转动，使太阳轴锥齿轮(24)与行星轴承锥齿轮保持相对静止的状态；所述行星驱动机构(30)提供的变桨驱动作用力通过传动齿圈(26)传递至传动环体(23)来改变传动环体(23)相对于风轮的转速，使太阳轴锥齿轮(24)相对于各行星轴锥齿轮(10)转动，带动各叶片同时转动实现同步变桨。
3.根据权利要求2所述的行星传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述行星驱动机构(30)包括固定安置于风力发电机的机舱内的驱动支架(31)，安置于驱动支架(31)上的变桨驱动电机(32)，以及与变桨驱动电机(32)传动连接的并与传动齿圈(26)啮合的行星驱动齿轮(33)，所述变桨驱动电机(32)输出驱动行星驱动齿轮(33)转动形成变桨驱动作用力，从而带动传动齿圈(26)转动。
4.根据权利要求3所述的行星传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述变桨驱动电机(32)和行星驱动齿轮(33)配置至少一套，当配置多套时沿传动齿圈(26)圆周均布。
5.根据权利要求3所述的行星传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述变桨驱动电机(32)的输出端还配置有减速机。
6.一种风力发电机，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的行星传动三轴联动同步变桨系统。
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