TWI489040B - 動力傳動裝置及具有此動力傳動裝置之風力機 - Google Patents

Description

動力傳動裝置及具有此動力傳動裝置之風力機

本提案係有關於一種傳動裝置，特別是一種風力機之動力傳動裝置。

隨著天然資源的日益饋乏，目前各先進國家莫不積極投入替代能源或再生能源的開發，其中風力為一種具有乾淨、零污染、成本低廉以及取之不盡等優點的永續能源，因此被廣泛的應用於生產電力的用途上。

風力機便是藉由風力來產生電力的一種發電裝置。一般風力機的組成元件包含有葉輪(rotor)、機艙(naoelle)與塔架(tower)等，其中葉輪及機艙分別位於風力機的塔頂，並且風力機的塔頂元件包含如葉片(blade)及輪轂(hub)等葉輪的組成元件、動力傳動裝置以及發電機(generator)等。而習知動力傳動裝置之組成元件包含一基座(main frame)，基座上設置有一主軸承，並且在基座內設置有包含內齒輪及行星齒輪等元件所組成的齒輪箱(gearbox)，其中主軸承的外環聯結一行星架，葉輪之輪轂即固定於行星架上。此外，內齒輪的外緣聯結於主軸承內環上，同時內齒輪透過一固定座結合在基座上。如此，當葉輪藉由輪轂相對基座轉動時，葉輪本身的重量、旋轉時的慣性力以及風力所產生的複雜外力等，將經由內齒輪及固定座傳送至基座，使內齒輪直接承受這些外力的作用而容易變形，並嚴重影響齒輪箱輸出功率的穩定性。

同時，由於輪轂與內齒輪聯結，因此當內齒輪及行星齒輪箱等元件需要進行維修或更換時，則必需先將葉輪以重機具自基座上吊掛移除，或使用額外的裝置將葉輪撐托固定後，才能拆解齒輪箱，將齒輪箱自基座內拆除或進行維修。因此，時常造成齒輪箱的維修及更換困難，並且在維修過程中必需配合重機具的使用，徒然增加維修作業的複雜度及困難度，並導致齒輪箱的維修成本難以降低。

鑒於以上的問題，本提案提供一種動力傳動裝置及具有此動力傳動裝置的風力機，藉以改良習知風力機所配置的傳動鏈不易自基座上組裝及拆除的問題，以及習知傳動鏈容易受到葉輪的重力、旋轉時的慣性力及受風力吹動時的側向力等外力以及葉輪所產生的扭力外用，所造成習知傳動鏈因負載過大而易於變形損毀的問題。

本提案揭露一種動力傳動裝置，包含有一基座、一主軸承、一扭力輸入件、一連結件及至少一齒輪箱。主軸承之外環固聯在基座上，扭力輸入件係可轉動的設置於主軸承的內環，並且扭力輸入件具有一軸心。連結件係於基座內固定於扭力輸入件上。齒輪箱可拆卸的設置於基座內，齒輪箱可沿扭力輸入件的軸心結合於連結件，而聯結於基座內；或者是沿扭力輸入件的軸心自連結件上分離，而脫離於基座。

本提案並揭露一種風力機，包含有一動力傳動裝置、一葉輪及一發電機。動力傳動裝置包含一基座、一主軸承、一扭力輸入件、一連結件及至少一齒輪箱。主軸承之外環固聯在基座上，扭力輸入件係可轉動的設置於主軸承的內環，並且扭力輸入件具有一軸心。連結件係於基座內固定於扭力輸入 件上。齒輪箱固定於基座上，並利用連結件聯結扭力輸入件的軸心；或者是沿扭力輸入件的軸心自連結件上分離，而脫離於基座。葉輪固定於扭力輸入件相對連結件的另一側，並藉由主軸承支撐於基座上。發電機連接於齒輪箱相對葉輪的另一側。

本提案提出一種優於習知風力機傳動鏈之動力傳動裝置，此動力傳動裝置只有配置一主軸承，使用較少的傳動元件，達到使動力傳動裝置減重之目的，進而節省風力機之安裝成本。同時具有易組裝之便利性，可節省風力機安裝時間。此外，動力傳動裝置是利用一主軸承外環固定在基座上，並且以主軸承之內環直接支承葉輪，再使用法蘭或聯軸器等連接件聯結葉輪之輪轂與齒輪箱。因此，當風力機之齒輪箱需要維修時，不需將風力機之葉輪拆除，即不需重新吊裝葉輪，即可直接將齒輪箱拆除維修，可節省齒輪箱的保養時間與成本。

並且，齒輪箱採用多功率流設計，可將來自於葉輪的大扭力轉換為複數個小扭力，以降低動力傳動裝置於運作時所承受的負載，並且去除高成本之內齒輪元件，使本提案所揭露之動力傳動裝置具有較少的傳動元件及易組裝之特點，可大幅降低動力傳動裝置之製造、組裝及維修成本。

以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。

10‧‧‧動力傳動裝置

110‧‧‧基座

111‧‧‧主軸承

120‧‧‧扭力輸入件

121‧‧‧軸心

130‧‧‧連結件

140‧‧‧齒輪箱

141‧‧‧箱體

142‧‧‧第一齒輪

1421‧‧‧第一端

1422‧‧‧第二端

143‧‧‧齒輪軸

144‧‧‧第二齒輪

145‧‧‧輸出齒輪

140'‧‧‧齒輪箱

142'‧‧‧第一齒輪

145'‧‧‧輸出齒輪

150‧‧‧行星齒輪組

151‧‧‧輸入端

152‧‧‧輸出端

20‧‧‧葉輪

210‧‧‧輪轂

220‧‧‧葉片

30‧‧‧發電機

40‧‧‧風力機

第1圖為本提案第一實施例之側視示意圖。

第2圖為本提案第二實施例之側視示意圖。

第3圖和第4圖為本提案其他實施例之側視示意圖。

本提案所揭露之動力傳動裝置係應用於風力機上，用以做為風力機之葉輪及發電機之間動力傳遞的媒介，使葉輪所產生的動力可傳遞至發電機以轉換為電力輸出。

如「第1圖」所示，本提案第一實施例所揭露的動力傳動裝置10係用以和一葉輪20及一發電機30組合形成一風力機40，其中葉輪20具有一輪轂210，並且在輪轂210上設置有至少一葉片220。動力傳動裝置10包含有一基座110、一扭力輸入件120、一連結件130及一齒輪箱140，基座110之一端配置有一主軸承111，主軸承111之外環係固聯於基座110的內壁面。扭力輸入件120與主軸承111之內環聯結，使扭力輸入件120可轉動的設置在主軸承111上，並具有一軸心121。葉輪20之輪轂210係固定於扭力輸入件120上，以藉由主軸承111做為支點而支撐於基座110上，並且可藉由扭力輸入件120相對基座110旋轉。

連結件130設置於扭力輸入件120與第一齒輪142之間，以聯結扭力輸入件120與第一齒輪142。連結件130可以是但不侷限於法蘭(flange)或聯軸器(coupling)，在本實施例中係以連結件130為設置於扭力輸入件120之軸心121位置上的聯軸器做為舉例說明，但並不以此為限。

齒輪箱140包含一箱體141，齒輪箱140係利用箱體141固定於基座110上。齒輪箱140並包含一第一齒輪142、複數個齒輪軸143、複數個第二齒輪144以及一輸出齒輪145，並且第一齒輪142及輸出齒輪145具有相同的軸心。其中，第一齒輪142具有一第一端1421及一第二端1422，第一齒輪142 之第一端1421與複數個齒輪軸143形成外齒嚙合，第一齒輪142之第二端1422與連結件130相互結合。

複數個齒輪軸143環繞設置於第一齒輪142之第一端1421，並且複數個齒輪軸143的軸心與第一齒輪142及輸出齒輪145的軸心相互平行。齒輪軸143的另一端則用以設置第二齒輪144。複數個第二齒輪144與輸出齒輪145形成外齒嚙合，輸出齒輪145的另一端連接於發電機30。

齒輪箱140是沿扭力輸入件120的軸心121結合於連結件130，使第一齒輪142的第二端1422嵌合於連結件130，並且與扭力輸入件120具有相同的軸心。同樣地，若欲將齒輪箱140自基座110上卸除時，齒輪箱140亦可沿扭力輸入件120的軸心121從連結件130上分離，使齒輪箱140可輕易的組裝在基座110上或是從基座110上卸除。

因此，在本提案中，當設置於基座110內的齒輪箱140需更換內部組成元件或者是為了進行維修作業而必須從基座110內取出時，使用者在解除連結件130與齒輪箱140之間的結合狀態後，即可直接的沿著扭力輸入件120的軸心121，朝向相反於連結件130的方向將齒輪箱140從基座110內卸除。由於在此過程中，不必預先將扭力輸入件120連同葉輪20自基座110上卸除或者是預先將位於齒輪箱140上方的基座殼板拆除，便可以讓齒輪箱140不受阻礙的從基座110內移除，因此可以免除葉輪20在脫離基座110時的吊掛作業以及基座殼板的拆除作業，即可達到讓齒輪箱140易於組裝及拆卸的功效，如此，除了可簡化卸除作業的操作流程及時間外，並能有效降低齒輪箱140的維修及保養成本。

此外，在本提案所揭露的動力傳動裝置10中，由於只配置一主 軸承111，並且省略了習知風力機中所使用的內齒輪，因此有效簡化了動力傳動裝置10的組成元件，而達到使動力傳動裝置10輕量化的目的。並且，藉由主軸承111做為扭力輸入件120及葉輪20在基座110上的支點，使葉輪20及扭力輸入件120的重量由主軸承111所承受，因此可避免齒輪箱140內所配置的齒輪遭受葉輪20本身的重力、葉輪20轉動時的慣性力及葉輪20受風力作用所產生的側向力等外力作用而損壞。

另外，由於在齒輪箱140中設置有複數個齒輪軸143及複數個第二齒輪144，因此當葉輪20相對基座110轉動時所產生的扭力(或輸入功率)，在經由扭力輸入件120及連結件130傳遞至第一齒輪142後，可藉由第一齒輪142與複數個齒輪軸143相互嚙合的配置方式，使複數個齒輪軸143在齒輪箱140內部形成多個輸入功率流動路徑，用以將葉輪所產生的扭力分散至每一齒輪軸143上，而形成複數個小扭力。之後，再藉由與輸出齒輪145相互嚙合的複數個第二齒輪144將這些小扭力傳遞至輸出齒輪145。最後，再透過輸出齒輪145集中輸出至發電機30，以轉換為電力。因此，透過複數個齒輪軸143所提供的多功率流動路徑，使大扭力分散成小扭力，以減輕齒輪所承受的負載。

同時，為了提高傳動裝置的速比，在本提案的其他實施例中，另可於動力傳動裝置中設置複數個齒輪箱，以藉由複數個齒輪箱的協同作用來提高齒輪箱的輸出轉速，以配合不同發電機之額定轉速。例如「第2圖」所示，本提案第二實施例所揭露的動力傳動裝置包含有二齒輪箱140、140’，其中一齒輪箱140’以第一齒輪連接於另一齒輪箱140的輸出齒輪145，使二齒輪箱140、140’串聯設置於基座110內，以提高輸出至發電機30的轉速。或者是如「第3圖」及「第4圖」所示，在本提案的其他實施例中，是藉由在基座110 內設置齒輪組150的方式來提高傳動裝置10的輸出轉速，齒輪組150的相對二側面分別具有一輸入端151及一輸出端152，輸入端151及輸出端152可採用同軸方式，例如利用行星齒輪組(如「第3圖」所示)；或者是以平行軸方式設置(如「第4圖」所示)。齒輪組150以輸入端151連接於齒輪箱140的輸出齒輪145，並且以輸入端151連接於發電機30，以藉由齒輪組150與齒輪箱140的協同作用提高輸出轉速，以配合發電機30的額定轉速。

本提案之功效在於，齒輪箱是沿扭力輸入件的軸心組裝於連結件或者是從連結件上拆除，讓齒輪箱在進行維修或更換零組件時，在不必預先從基座上拆除葉輪及扭力輸入件；或者是預先拆除基座上與齒輪箱相對應的殼板，便能即時的將齒輪箱從基座上卸除，因此可簡化齒輪箱在基座內的組裝或拆卸程序，並可節省齒輪箱的維修成本。同時，由於齒輪箱中只使用單一主軸承並省略了習知內齒輪的配置，因此減輕了動力傳動裝置的重量，如此，有助於動力傳動裝置的運送以及自風力機上組裝或拆卸時的吊掛作業，使動力傳動裝置的運送及組裝成本降低。

再則，由於主軸承可做為葉輪的支點而支撐於基座上，使葉輪本身的重量、轉動時的慣性力以及受風力吹動時的側向力等外力，可經由主軸承分散至基座，可避免葉輪所產生的外力作用於齒輪箱所造成齒輪箱之齒輪損毀的情形發生。並且，藉由齒輪箱中設置複數個齒輪軸及複數個第二齒輪的配置方式，讓齒輪箱具有複數個功率流動路徑，可分散葉輪所產生的扭力，以避免扭力過度集中於第一齒輪及輸出齒輪上，因此可減輕齒輪箱所承受的負載。

雖然本提案之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本提案，任何熟習相關技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，舉凡依本提案申請範 圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧動力傳動裝置

110‧‧‧基座

111‧‧‧主軸承

120‧‧‧扭力輸入件

121‧‧‧軸心

130‧‧‧連結件

140‧‧‧齒輪箱

141‧‧‧箱體

142‧‧‧第一齒輪

1421‧‧‧第一端

1422‧‧‧第二端

143‧‧‧齒輪軸

144‧‧‧第二齒輪

145‧‧‧輸出齒輪

20‧‧‧葉輪

210‧‧‧輪轂

220‧‧‧葉片

30‧‧‧發電機

40‧‧‧風力機

Claims (16)

1. 一種動力傳動裝置，包含有：一基座，配置有一主軸承；一扭力輸入件，可轉動的設置於該主軸承之內環，且該扭力輸入件具有一軸心；一連結件，於該基座內固定於該扭力輸入件上；以及至少一齒輪箱，可拆卸的設置於該基座內，該齒輪箱係沿該軸心結合於該連結件而聯結於該基座內，或者是沿該軸心自該連結件分離，而脫離於該基座；其中，該齒輪箱包含有：一箱體，可拆卸的設置於該基座內；一第一齒輪，可轉動的設置於該箱體，該第一齒輪具有一第一端及一第二端，該第一端設置於該箱體內，該第二端可拆卸的結合於該連結件；複數個齒輪軸，可轉動的設置於該箱體內，且該複數個齒輪軸之一端嚙合於該第一齒輪之該第一端，該複數個齒輪軸環繞於該第一齒輪及該輸出齒輪；複數個第二齒輪，對應設置於該複數個齒輪軸之另一端；以及一輸出齒輪，可轉動的設置於該箱體，該輸出齒輪之一端嚙合於該複數個第二齒輪，另一端穿過該箱體相對該連結件之另一側；其中，該扭力輸入件經由該連結件驅動該第一齒輪轉動，一併帶動該複數個齒輪軸及該複數個第二齒輪轉動，令該複數個第二齒輪驅動該 輸出齒輪轉動。
2. 一種動力傳動裝置，包含有：一基座，配置有一主軸承；一扭力輸入件，可轉動的設置於該主軸承之內環，且該扭力輸入件具有一軸心；一連結件，於該基座內固定於該扭力輸入件上；以及至少一齒輪箱，可拆卸的設置於該基座內，該齒輪箱係沿該軸心結合於該連結件而聯結於該基座內，或者是沿該軸心自該連結件分離，而脫離於該基座；其中，該齒輪箱包含有：一箱體，可拆卸的設置於該基座內；一第一齒輪，可轉動的設置於該箱體，該第一齒輪具有一第一端及一第二端，該第一端設置於該箱體內，該第二端可拆卸的結合於該連結件；複數個齒輪軸，可轉動的設置於該箱體內，且該複數個齒輪軸之一端嚙合於該第一齒輪之該第一端；複數個第二齒輪，對應設置於該複數個齒輪軸之另一端；以及一輸出齒輪，可轉動的設置於該箱體，該輸出齒輪之一端嚙合於該複數個第二齒輪，另一端穿過該箱體相對該連結件之另一側；其中，該扭力輸入件經由該連結件驅動該第一齒輪轉動，一併帶動該複數個齒輪軸及該複數個第二齒輪轉動，令該複數個第二齒輪驅動該輸出齒輪轉動； 其中，該動力傳動裝置包含一行星齒輪組，該行星齒輪組的相對二側分別具有一輸入端及一輸出端，該行星齒輪組係以該輸入端連接於該輸出齒輪。
3. 如請求項1或2所述之動力傳動裝置，其中該連結件為法蘭或聯軸器。
4. 如請求項1或2所述之動力傳動裝置，其中該扭力輸入件、該第一齒輪及該輸出齒輪具有相同之軸心。
5. 如請求項1或2所述之動力傳動裝置，其中該複數個齒輪軸之軸心及該第一齒輪之軸心相互平行。
6. 如請求項1或2所述之動力傳動裝置，包含有二該齒輪箱，二該齒輪箱之間係藉由該輸出齒輪及該第一齒輪相互連接。
7. 如請求項2所述之動力傳動裝置，其中該輸入端及該輸出端係同軸設置於該行星齒輪組。
8. 如請求項1或2所述之動力傳動裝置，更包含一平行軸齒輪組，連接於該輸出齒輪。
9. 一種風力機，包含有：一動力傳動裝置，包含有：一基座，配置有一主軸承；一扭力輸入件，可轉動的設置於該主軸承之內環，且該扭力輸入件具有一軸心；一連結件，於該基座內固定於該扭力輸入件上；以及至少一齒輪箱，可拆卸的設置於該基座內，該齒輪箱係沿該軸心結合於該連結件而聯結於該基座內，或者是沿該軸心自該連結件分離，而 脫離於該基座；一葉輪，固定於該扭力輸入件相對該連結件之另一側，並藉由該主軸承支撐於該基座上；以及一發電機，連接於該齒輪箱相對該葉輪之另一側；其中，該齒輪箱包含有：一箱體，可拆卸的設置於該基座內；一第一齒輪，可轉動的設置於該箱體，該第一齒輪具有一第一端及一第二端，該第一端設置於該箱體內，該第二端可拆卸的結合於該連結件；複數個齒輪軸，可轉動的設置於該箱體內，且該複數個齒輪軸之一端嚙合於該第一齒輪之該第一端，該複數個齒輪軸環繞於該第一齒輪及該輸出齒輪；複數個第二齒輪，對應設置於該複數個齒輪軸之另一端；以及一輸出齒輪，可轉動的設置於該箱體，該輸出齒輪之一端嚙合於該複數個第二齒輪，另一端穿過該箱體相對該連結件之另一側，而連接於該發電機；其中，該扭力輸入件經由該連結件驅動該第一齒輪轉動，一併帶動該複數個齒輪軸及該複數個第二齒輪轉動，令該複數個第二齒輪驅動該輸出齒輪轉動。
10. 一種風力機，包含有：一動力傳動裝置，包含有：一基座，配置有一主軸承； 一扭力輸入件，可轉動的設置於該主軸承之內環，且該扭力輸入件具有一軸心；一連結件，於該基座內固定於該扭力輸入件上；以及至少一齒輪箱，可拆卸的設置於該基座內，該齒輪箱係沿該軸心結合於該連結件而聯結於該基座內，或者是沿該軸心自該連結件分離，而脫離於該基座；一葉輪，固定於該扭力輸入件相對該連結件之另一側，並藉由該主軸承支撐於該基座上；以及一發電機，連接於該齒輪箱相對該葉輪之另一側；其中，該齒輪箱包含有：一箱體，可拆卸的設置於該基座內；一第一齒輪，可轉動的設置於該箱體，該第一齒輪具有一第一端及一第二端，該第一端設置於該箱體內，該第二端可拆卸的結合於該連結件；複數個齒輪軸，可轉動的設置於該箱體內，且該複數個齒輪軸之一端嚙合於該第一齒輪之該第一端；複數個第二齒輪，對應設置於該複數個齒輪軸之另一端；以及一輸出齒輪，可轉動的設置於該箱體，該輸出齒輪之一端嚙合於該複數個第二齒輪，另一端穿過該箱體相對該連結件之另一側，而連接於該發電機；其中，該扭力輸入件經由該連結件驅動該第一齒輪轉動，一併帶動該複數個齒輪軸及該複數個第二齒輪轉動，令該複數個第二齒輪驅動該 輸出齒輪轉動；其中，該動力傳動裝置包含有一行星齒輪組，該行星齒輪組的相對二側分別具有一輸入端及一輸出端，該行星齒輪組係以該輸入端連接於該輸出齒輪。
11. 如請求項9或10所述之風力機，其中該連結件為法蘭或聯軸器。
12. 如請求項9或10所述之風力機，其中該扭力輸入件、該第一齒輪及該輸出齒輪具有相同之軸心。
13. 如請求項9或10所述之風力機，其中該複數個齒輪軸之軸心及該第一齒輪之軸心相互平行。
14. 如請求項9或10所述之風力機，包含有二該齒輪箱，二該齒輪箱之間係藉由該輸出齒輪及該第一齒輪相互連接。
15. 如請求項10所述之風力機，其中該輸入端及該輸出端係同軸設置於該行星齒輪組。
16. 如請求項9或10所述之風力機，更包含一平行軸齒輪組，連接於該輸出齒輪。