CN116677559B - 一种风力发电机的变桨距设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是一种风力发电机的变桨距设备，包括转动套筒、轮毂、若干叶片组件和传动机构；转动套筒转动安装在底座上，轮毂固定安装在转动套筒上，若干叶片组件均活动安装在轮毂的外侧、且环绕着轮毂等距分布；传动机构安装在轮毂内侧、以驱使叶片组件进行活动。本发明可以使得不同的叶片处在不同风速位置时通过改变桨距角来补偿风的不均匀性引起的附加载荷，从而降低叶片上的力矩的波动，减弱叶片和机舱上的不平衡载荷，保证风力发电机在高风速段保持功率平稳输出。

Description

一种风力发电机的变桨距设备
技术领域
本发明涉及风力发电机的变桨距设备技术领域，尤其涉及一种风力发电机的变桨距设备。
背景技术
目前，利用风能的设备主要有水平轴和垂直轴风力机两种发电装置，垂直轴风力机有无需对风的优点，但是，在气动性能上，大功率的升力型垂直轴风力机普遍难以实现变桨距，或变桨距十分困难，从而在启动和制动方面有着难以克服的短板；
对此，市场上出现一些可变桨距的垂直轴风力机，例如中国专利申请号为CN201610326213.2中公开了“一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置包括底座、轮毂、导流罩、发电机和多个叶片，发电机安装在底座上，轮毂安装在发电机的主轴上，导流罩盖在轮毂上，它还包括电滑环和与叶片数量相一致的多个变桨装置；每个变桨装置包括变桨电机和齿轮副”；
该类专利通过“变桨电机”的驱动所有“叶片”自转实现统一变桨距工作；但是，由于风力机的“叶片”的面积较大，所以“叶片”扫略的面积很大，“叶片”在转动过程中会到达不同的位置，而自然风存在不均匀性，这就使得“叶片”在不同位置受到的风力不同，而“叶片”统一变桨无法使得所有的“叶片”能够补偿风的不均匀性引起的附加载荷，这就使得“叶片”上力矩的波动较大而无法平稳转动。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在叶片无法平稳转动的缺点，而提出的一种风力发电机的变桨距设备。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种风力发电机的变桨距设备，包括转动套筒、轮毂、若干叶片组件和传动机构；所述转动套筒转动安装在底座上，所述轮毂固定安装在转动套筒上，若干所述叶片组件均活动安装在轮毂的外侧、且环绕着轮毂等距分布；所述传动机构安装在轮毂内侧、以驱使叶片组件进行活动。
优选的，所述叶片组件包括空心轴、转盘、安装座、转动座和叶片；所述空心轴贯穿轮毂的侧壁、且与轮毂转动连接，所述转盘固定安装在空心轴的一端，所述安装座固定安装在转盘上，所述转动座的一端通过销轴与安装座转动连接，所述转动座的另一端与叶片固定连接。
优选的，所述叶片组件还包括第一转轴、第一锥齿轮和第二锥齿轮；所述第一转轴贯穿空心轴、且与空心轴转动连接，所述第一锥齿轮固定安装在第一转轴的一端，所述第二锥齿轮与转动座同轴固定连接、且与第一锥齿轮啮合。
优选的，所述传动机构包括若干齿圈、若干第二转轴、若干第一齿轮、若干第一万向联轴器和若干第三转轴；若干所述齿圈固定安装在相应的空心轴的另一端，若干所述第二转轴均转动安装在轮毂的内侧，若干所述第一齿轮固定安装在相应的第二转轴的一端、且与相应的齿圈啮合，若干所述第三转轴均贯穿轮毂的底壁、且与轮毂转动连接，若干所述第三转轴的顶端与相应的第二转轴通过相应的第一万向联轴器固定连接。
优选的，所述底座上固定安装有若干与第三转轴相对应的第一电机，若干所述第一电机的输出轴与相应的第三转轴固定连接。
优选的，所述齿圈的齿数大于第一齿轮。
优选的，所述传动机构还包括安装架、若干第二万向联轴器、若干第四转轴和传动件；所述安装架固定安装在轮毂内侧，若干所述第四转轴均贯穿安装架、且与安装架转动连接，若干所述第四转轴的顶端通过相应的第二万向联轴器与相应的第一转轴固定连接，所述传动件安装在安装架的底部。
优选的，所述传动件包括第五转轴、中心齿轮和若干第二齿轮；所述第五转轴转动安装在安装架的底部，所述中心齿轮固定安装在第五转轴上，若干所述第二齿轮分别固定安装在相应的第四转轴的底部、且均与中心齿轮啮合。
优选的，所述底座的中心位置固定安装有第二电机，所述第二电机的输出轴与第五转轴固定连接。
本发明提出的一种风力发电机的变桨距设备，有益效果在于：通过单独驱动其中一个叶片相应的空心轴转动，这样可以使得转盘带动安装座转动，这样可以使得叶片发生自转，从而改变该叶片的桨距角，进而可以使得不同的叶片处在不同风速位置时通过改变桨距角来补偿风的不均匀性引起的附加载荷，从而降低叶片上的力矩的波动，减弱叶片和机舱上的不平衡载荷，保证风力发电机在高风速段保持功率平稳输出。
附图说明
图1为本发明提出的一种风力发电机的变桨距设备的结构示意图；
图2为本发明提出的一种风力发电机的变桨距设备的局部剖视图；
图3为本发明提出的一种风力发电机的变桨距设备的叶片组件的结构示意图；
图4为本发明提出的一种风力发电机的变桨距设备的传动机构的结构示意图；
图5为本发明提出的一种风力发电机的变桨距设备的传动件的结构示意图
图6为本发明提出的一种风力发电机的变桨距设备的局部结构示意图。
图中：底座1、转动套筒2、轮毂3、叶片组件4、空心轴41、转盘42、安装座43、转动座44、叶片45、第一转轴46、第一锥齿轮47、第二锥齿轮48、传动机构5、齿圈51、第二转轴52、第一齿轮53、第一万向联轴器54、第三转轴55、安装架56、第二万向联轴器57、第四转轴58、传动件59、第五转轴591、中心齿轮592、第二齿轮593、第一电机6、第二电机7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
参照图1-3，一种风力发电机的变桨距设备，包括底座1、转动套筒2、轮毂3、若干叶片组件4和传动机构5；转动套筒2转动安装在底座1上，转动套筒2与发电机的输出主轴连接；轮毂3固定安装在转动套筒2上，若干叶片组件4均活动安装在轮毂3的外侧、且环绕着轮毂3等距分布；传动机构5安装在轮毂3内侧、以驱使叶片组件4进行活动；
叶片组件4包括空心轴41、转盘42、安装座43、转动座44和叶片45；空心轴41贯穿轮毂3的侧壁、且与轮毂3转动连接，转盘42固定安装在空心轴41的一端，安装座43固定安装在转盘42上，转动座44的一端通过销轴与安装座43转动连接，转动座44的另一端与叶片45固定连接；通过单独驱动其中一个叶片45相应的空心轴41转动，这样可以使得转盘42转动，转盘42可以带动安装座43转动，安装座43可以带动转动座44跟随转盘42的进行轴向转动，也就可以使得转动座44跟随转盘42的进行轴向转动，从而改变该叶片45的桨距角，进而可以使得不同的叶片45处在不同风速位置时通过改变桨距角来补偿风的不均匀性引起的附加载荷，从而降低叶片45上的力矩的波动，减弱叶片45和机舱上的不平衡载荷，保证风力发电机在高风速段保持功率平稳输出。
实施例2：
在实施例1中，叶片45与轮毂3之间的夹角一定，由于叶片45的长度较长，所以叶片45在竖直方向上扫略的面积很大，在自然环境下，不同区域的风速存在差异，叶片45所在位置可能是风速最小区域，这就导致叶片45无法充分利用风能；
参照图1-3，作为本发明的另一优选实施例，与实施例1的区别在于，叶片组件4还包括第一转轴46、第一锥齿轮47和第二锥齿轮48；第一转轴46贯穿空心轴41、且与空心轴41转动连接，第一锥齿轮47固定安装在第一转轴46的一端，第二锥齿轮48与转动座44同轴固定连接、且与第一锥齿轮47啮合。通过驱动第一转轴46可以使得第一锥齿轮47转动，由于第一锥齿轮47与第二锥齿轮48啮合，所以第二锥齿轮48会带动转动座44转动，第一锥齿轮47与第二锥齿轮48之间的传动可以避免直接在安装座43上增加驱动装置导致叶片45负重过大无法顺利实现自转变桨距工作的问题，同时齿轮传动效率高，可以保证传动机构5驱动第一转轴46的动力稳定传输到转动座44上；
转动座44转动时会带动叶片45同步转动，这就可以调整叶片45与轮毂3之间的夹角，这样可以使得叶片45可以处于不同的区域位置，从而可以根据自然风的风速和风向的变化改变叶片45与轮毂3之间的夹角，进而保证叶片45始终处于风速最大的区域位置，在通过叶片45的独立变桨距来保持叶片45稳定，这样可以使得充分利用风能使得叶片45获得最大动能，也就使得发电机组能够输出最大电能。
实施例3：
在实施例2中，叶片45的变桨的一般采用伺服电机直接驱动，而伺服电机直接安装在轮毂3中，这样可以可以提高传动效率，但是，随着叶片45在风力的作用下会使得轮毂3发生高速转动，这就使得轮毂3内部的伺服电机出现较大的震动，从而使得伺服电机很容易出现故障，进而使得叶片45的变桨距工作无法稳定实现；
参照图1-6，作为本发明的另一优选实施例，与实施例1或实施例2的区别在于，传动机构5包括若干齿圈51、若干第二转轴52、若干第一齿轮53、若干第一万向联轴器54、若干第三转轴55、安装架56、若干第二万向联轴器57、若干第四转轴58和传动件59；若干齿圈51固定安装在相应的空心轴41的另一端，若干第二转轴52均转动安装在轮毂3的内侧，若干第一齿轮53固定安装在相应的第二转轴52的一端、且与相应的齿圈51啮合，若干第三转轴55均贯穿轮毂3的底壁、且与轮毂3转动连接，若干第三转轴55的顶端与相应的第二转轴52通过相应的第一万向联轴器54固定连接；底座1上固定安装有若干与第三转轴55相对应的第一电机6，若干第一电机6的输出轴与相应的第三转轴55固定连接；齿圈51的齿数大于第一齿轮53；
叶片45变桨距时：
启动与需要变桨距的叶片45相对应的第一电机6，而第一电机6设置在轮毂3外，相较于直接设置在轮毂3内具备较好的稳定性，这样可以避免轮毂3在转动过程中对第一电机6造成剧烈震动而损坏的问题；
第一电机6可以驱动相应的第三转轴55发生转动，由于第三转轴55与相应的第二转轴52通过第一万向联轴器54固定连接，所以第三转轴55会带动第一万向联轴器54和第二转轴52同步转动，第二转轴52可以带动第一齿轮53转动，由于第一齿轮53与齿圈51啮合，所以齿圈51会跟随第一齿轮53转动，而齿圈51会带动空心轴41转动；这样可以使得转盘42带动安装座43转动，也就可以使得叶片45发生自转，从而改变该叶片45的桨距角，进而可以使得不同的叶片45处在不同风速位置时通过改变桨距角来补偿风的不均匀性引起的附加载荷，从而降低叶片45上的力矩的波动；减弱叶片45和机舱上的不平衡载荷，保证风力发电机在高风速段保持功率平稳输出；
其中，通过第一万向联轴器54连接第三转轴55与第二转轴52，这样可以将第一电机6的驱动力直接传递到第二转轴52，从而使得空心轴41能够及时获得动力而实现叶片45的变桨距，大大降低了操纵的延迟性；齿圈51的齿数大于第一齿轮53，所以齿圈51的转速小于第一齿轮53，这就可以降低空心轴41的转速，从而使得叶片45自爱能够缓慢的改变桨距角，进而使得叶片45能够准确的调整到所需桨距角，这就可以降低叶片45的桨距角的调整难度；
安装架56固定安装在轮毂3内侧，若干第四转轴58均贯穿安装架56、且与安装架56转动连接，若干第四转轴58的顶端通过相应的第二万向联轴器57与相应的第一转轴46固定连接；传动件59包括第五转轴591、中心齿轮592和若干第二齿轮593；第五转轴591转动安装在安装架56的底部，中心齿轮592固定安装在第五转轴591上，若干第二齿轮593分别固定安装在相应的第四转轴58的底部、且均与中心齿轮592啮合；底座1的中心位置固定安装有第二电机7，第二电机7的输出轴与第五转轴591固定连接。
叶片45调整与轮毂3夹角时：
通过启动第二电机7驱动第五转轴591转动，而第二电机7设置在轮毂3外，相较于直接设置在轮毂3内具备较好的稳定性，这样可以避免轮毂3在转动过程中对第二电机7造成剧烈震动而损坏的问题；
第五转轴591可以带动中心齿轮592转动，由于所有的第二齿轮593均与中心齿轮592啮合，所以中心齿轮592会带动所有的第二齿轮593同步转动，从而使得第二齿轮593带动相应的第四转轴58同步转动；第二电机7直接驱动中心齿轮592转动，而多个第二齿轮593均与中心齿轮592啮合，这样可以保证多个第二齿轮593转动同步性，同时齿轮传动效率高，也就使得第二齿轮593能够及时获得第二电机7的驱动力，降低了动力的延迟性；
第四转轴58可以带动相应的第二万向联轴器57转动，第二万向联轴器57可以带动相应的第一转轴46转动，也就使得第一转轴46带动第一锥齿轮47转动，由于第一锥齿轮47与第二锥齿轮48啮合，所以第一锥齿轮47带动第二锥齿轮48转动，进而使得第二锥齿轮48带动转动座44转动，这就可以调整叶片45与轮毂3之间的夹角，也就可以使得叶片45可以处于不同的区域位置，从而可以根据自然风的风速和风向的变化改变叶片45与轮毂3之间的夹角；进而保证叶片45始终处于风速最大的区域位置，在通过叶片45的独立变桨距来保持叶片45稳定，这样可以使得充分利用风能使得叶片45获得最大动能，也就使得发电机组能够输出最大电能；
其中，第二万向联轴器57可以将第四转轴58的动力直接传递到第一转轴46，这样可以使得所有的第一转轴46保持同步转动，也就使得所有的叶片45同步改变与轮毂3夹角且夹角相同，进而使得所有的叶片45处于同一风速环境下，也就所有的叶片45能够获得最大动能，进而大大提升风能的利用率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风力发电机的变桨距设备，其特征在于，包括转动套筒(2)、轮毂(3)、若干叶片组件(4)和传动机构(5)；所述转动套筒(2)转动安装在底座(1)上，所述轮毂(3)固定安装在转动套筒(2)上，若干所述叶片组件(4)均活动安装在轮毂(3)的外侧、且环绕着轮毂(3)等距分布；所述传动机构(5)安装在轮毂(3)内侧、以驱使叶片组件(4)进行活动；
所述叶片组件(4)包括空心轴(41)、转盘(42)、安装座(43)、转动座(44)和叶片(45)；所述空心轴(41)贯穿轮毂(3)的侧壁、且与轮毂(3)转动连接，所述转盘(42)固定安装在空心轴(41)的一端，所述安装座(43)固定安装在转盘(42)上，所述转动座(44)的一端通过销轴与安装座(43)转动连接，所述转动座(44)的另一端与叶片(45)固定连接；
所述叶片组件(4)还包括第一转轴(46)、第一锥齿轮(47)和第二锥齿轮(48)；所述第一转轴(46)贯穿空心轴(41)、且与空心轴(41)转动连接，所述第一锥齿轮(47)固定安装在第一转轴(46)的一端，所述第二锥齿轮(48)与转动座(44)同轴固定连接、且与第一锥齿轮(47)啮合；
所述传动机构(5)包括若干齿圈(51)、若干第二转轴(52)、若干第一齿轮(53)、若干第一万向联轴器(54)和若干第三转轴(55)；若干所述齿圈(51)固定安装在相应的空心轴(41)的另一端，若干所述第二转轴(52)均转动安装在轮毂(3)的内侧，若干所述第一齿轮(53)固定安装在相应的第二转轴(52)的一端、且与相应的齿圈(51)啮合，若干所述第三转轴(55)均贯穿轮毂(3)的底壁、且与轮毂(3)转动连接，若干所述第三转轴(55)的顶端与相应的第二转轴(52)通过相应的第一万向联轴器(54)固定连接；
所述底座(1)上固定安装有若干与第三转轴(55)相对应的第一电机(6)，若干所述第一电机(6)的输出轴与相应的第三转轴(55)固定连接。
2.根据权利要求1所述的风力发电机的变桨距设备，其特征在于，所述齿圈(51)的齿数大于第一齿轮(53)。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电机的变桨距设备，其特征在于，所述传动机构(5)还包括安装架(56)、若干第二万向联轴器(57)、若干第四转轴(58)和传动件(59)；所述安装架(56)固定安装在轮毂(3)内侧，若干所述第四转轴(58)均贯穿安装架(56)、且与安装架(56)转动连接，若干所述第四转轴(58)的顶端通过相应的第二万向联轴器(57)与相应的第一转轴(46)固定连接，所述传动件(59)安装在安装架(56)的底部。
4.根据权利要求3所述的风力发电机的变桨距设备，其特征在于，所述传动件(59)包括第五转轴(591)、中心齿轮(592)和若干第二齿轮(593)；所述第五转轴(591)转动安装在安装架(56)的底部，所述中心齿轮(592)固定安装在第五转轴(591)上，若干所述第二齿轮(593)分别固定安装在相应的第四转轴(58)的底部、且均与中心齿轮(592)啮合。
5.根据权利要求4所述的风力发电机的变桨距设备，其特征在于，所述底座(1)的中心位置固定安装有第二电机(7)，所述第二电机(7)的输出轴与第五转轴(591)固定连接。
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