风力发电机组驱动链及包括其的风力发电机组的制作方法

1.本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组驱动链及包括其的风力发电机组。


背景技术：

2.目前的电网友好风电技术以前置无极调速技术为核心，采用恒速同步发电机，使发电机的转速始终保持在同步转速附近，发电机和电网之间没有变流器，发电机发出的电能直接并网。
3.前置无极调速技术主要有液力变距调速、电磁耦合调速及差动齿轮调速等三大技术。其中的差动齿轮调速主要是利用运动合成的原理将两个输入运动合成为一个输出运动。具体而言，风轮通过增速齿轮箱驱动调速机构行星架旋转，为输入转速；调速电机驱动调速机构的太阳轮旋转，为调速转速；调速机构差动行星轮将输入转速与调速转速合成后形成调速机构齿圈恒定的转速输出至同步发电机。
4.相关技术中的一种风力发电机组，驱动链的布局方式是将调速电机和同步发电机放置在差动行星调速齿轮箱的同一侧，齿圈和同步发电机的连接轴、太阳轮和调速电机的连接轴以及风力发电机组驱动链中布置有变桨驱动动力电缆及信号线的空心管轴三轴同轴设置。这样的结构布置很难实现，同时调速电机的速度变化幅度大，灵敏度不高。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服相关技术中齿圈与同步发电机的连接轴、太阳轮与调速电机的连接轴、空心管轴三轴同轴，从而引发的结构布置困难的缺陷，提供一种风力发电机组驱动链及包括其的风力发电机组。
6.第一方面，本发明提供一种风力发电机组驱动链，采用如下的技术方案：
7.一种风力发电机组驱动链，包括差动行星调速齿轮箱，同步发电机和调速电机，所述差动行星调速齿轮箱的第一输入端用于与风力发电机组的风轮连接，所述差动行星调速齿轮箱的第二输入端与所述调速电机连接，所述差动行星调速齿轮箱的输出端与所述同步发电机连接；
8.所述差动行星调速齿轮箱包括齿圈、小齿轮、行星轮和太阳轮，所述小齿轮与所述齿圈转动连接，所述小齿轮设于所述齿圈的外侧；所述太阳轮通过所述行星轮与齿圈同轴转动连接，所述太阳轮设于所述齿圈的内侧；所述小齿轮的输入轴为所述差动行星调速齿轮箱的第二输入端，所述小齿轮的输入轴与所述调速电机的输出轴连接；所述太阳轮的输出轴为所述差动行星调速齿轮箱的输出端，所述太阳轮的输出轴与所述同步发电机的输入轴连接。
9.在本方案中，在差动行星调速齿轮箱中增加了用于和调速电机连接的小齿轮，小齿轮设置在齿圈的外侧，小齿轮和调速电机的连接轴在齿圈的外侧，用于和同步发电机连接的太阳轮在齿圈的内侧，因此太阳轮和同步发电机的连接轴位于齿圈的内侧，从而使得
调速电机的连接轴与同步发电机的连接轴不在一条轴线上，降低了结构布置的难度。
10.较佳地，所述太阳轮与所述齿圈同轴。
11.较佳地，所述调速电机与所述同步发电机均设置在所述差动行星调速齿轮箱远离所述风轮的一侧。
12.在本方案中，由于差动行星调速齿轮箱朝向风轮的一侧可能要安装增速齿轮箱，把同步发电机和调速电机放在差动行星调速齿轮箱远离风轮的一侧(即与增速齿轮箱不在一侧)，可以避免和增速齿轮箱可能出现干涉的问题。
13.较佳地，所述齿圈的外周面上具有外齿，所述外齿与所述小齿轮啮合连接。
14.在本方案中，齿圈的外齿和小齿轮啮合连接，通过小齿轮的转动带动齿圈的转动，在第一输入端输入的风力不稳定的时候，调速电机可以通过驱动小齿轮旋转从而保证差动行星调速齿轮箱的输出轴转速恒定，从而让同步发电机输出的电频率恒定。
15.较佳地，所述调速电机的数量为多个，多个所述调速电机沿着所述齿圈的周向间隔设置，所述差动行星调速齿轮箱包括多个所述小齿轮，所述小齿轮的数量与所述调速电机的数量相同，所述调速电机与所述小齿轮一一对应。
16.在本方案中，调速电机是用来作为第二输入端来保证差动行星调速齿轮箱的输出转速恒定的，通过设置多个调速电机，一方面降低了单个调速电机的功率，使得调速电机的制造难度降低；另一方面提高了容错能力，在一个调速电机出现故障的时候另外的调速电机也可以工作。而小齿轮的作用是将调速电机的动力传递给齿圈，因而齿轮的数量和调速电机的数量是一一对应的。
17.较佳地，所述差动行星调速齿轮箱还包括行星架，所述行星架的输入轴为所述差动行星调速齿轮箱的第一输入端，用于连接所述风轮，所述行星架与所述行星轮连接，并驱动所述行星轮公转，所述行星轮环绕所述太阳轮设置，与所述太阳轮啮合连接，且所述行星轮与所述齿圈转动连接。
18.在本方案中，行星架输入轴为差动行星调速齿轮箱的第一输入端，方便与风轮间接或者直接的连接，行星架用于驱动行星轮公转，行星轮受到来自风轮的驱动，同时再经过由调速电机驱动的齿圈动力调节，从而使与行星轮转动连接的太阳轮、同步发电机转子转速达到恒定的预设值，进而使得输出的电频率恒定。
19.较佳地，所述齿圈的内周面上具有内齿，所述行星轮位于所述太阳轮和所述齿圈之间并与所述齿圈和所述太阳轮啮合连接。
20.所述齿圈的转速nr的计算公式为：
[0021][0022]
其中，k为齿圈的齿数与太阳轮的齿数比，n
pc
为行星架的转速，nr为齿圈的转速，ns为太阳轮的转速。
[0023]
较佳地，所述齿圈的转速nr＝0时，所述太阳轮的转速与所述行星架的转速之间满足下式：
[0024]ns
＝(1+k)
·npc
[0025]
其中，ns为太阳轮的转速，k为齿圈的齿数与太阳轮的齿数比，n
pc
为行星架的转速。
[0026]
较佳地，所述k值大于或等于2。
[0027]
第二方面，本发明提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括风轮和如上所述的风力发电机组驱动链，所述风轮与所述风力发电机驱动链连接。
[0028]
本发明的积极进步效果在于：
[0029]
本发明的差动行星调速齿轮箱包括小齿轮，小齿轮设置在齿圈的外侧，太阳轮设置在齿圈的内侧，使得连接小齿轮的调速电机位于齿圈的外侧，连接同步发电机的太阳轮位于齿圈的内侧，从而使得调速电机的连接轴与同步发电机的连接轴相互错开，不在一条轴线上，即调速电机的连接轴与同步发电机的连接轴、布置有变桨驱动动力电缆及信号线的空心管轴分离，由此降低了结构布置的难度。
附图说明
[0030]
图1为相关技术中的风力发电机组传动链的示意图。
[0031]
图2为本发明的一较佳实施例的风力发电机组的示意图。
[0032]
图3为本发明的一较佳实施例的风力发电机组传动链的示意图。
[0033]
图4为本发明的一较佳实施例的差动行星调速齿轮箱的结构示意图。
[0034]
附图标记说明：
[0035]
增速齿轮箱100
[0036]
同步发电机200
[0037]
差动行星调速齿轮箱300
[0038]
第一输入端310
[0039]
第二输入端320
[0040]
箱体330
[0041]
齿圈340
[0042]
小齿轮350
[0043]
太阳轮360
[0044]
行星轮370
[0045]
行星架380
[0046]
调速电机400
[0047]
风轮500
具体实施方式
[0048]
下面通过实施例的方式并且结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0049]
如图2所示，本实施例提供一种风力发电机组，风力发电机组包括风轮500和风力发电机组驱动链，风轮500与风力发电机组驱动链连接，风力发电机组驱动链用于将风轮500产生的动能转化为电能。
[0050]
参照图2和图3，风力发电机组驱动链包括增速齿轮箱100、同步发电机200、差动行星调速齿轮箱300和调速电机400。差动行星调速齿轮箱300具有用于供增速齿轮箱100连接的第一输入端310、用于供调速电机400连接的第二输入端320和用于连接同步发电机200并驱动同步发电机200发电的输出端。
[0051]
其中，增速齿轮箱100位于风轮500和差动行星调速齿轮箱300之间，增速齿轮箱100的输入端与风力发电机组的风轮500连接，增速齿轮箱100的输出端与差动行星调速齿轮箱300的第一输入端310相连，从而将风轮500输入的转动传递至差动行星调速齿轮箱300。
[0052]
在风轮500转速较低的情况下，风轮500的转动以较低的转速从增速齿轮箱100的输入端输入并经增速齿轮箱100变速，增速齿轮箱100的输出端以较高的转速输出给差动行星调速齿轮箱300一个转动，从而使得风轮500转速较小时输入差动行星调速齿轮箱300的转动的转速也能达到所需的转速。
[0053]
在本实施例中，增速齿轮箱100和差动行星调速齿轮箱300分体设计，增速齿轮箱100可从差动行星调速齿轮箱300上拆分，以便于运输。在其他实施方式中，根据情况可以将增速齿轮箱100和差动行星调速齿轮箱300组合设计成一体，增速齿轮箱100和差动行星调速齿轮箱300组成一个整体的调速齿轮箱，并不局限于本实施例。
[0054]
参照图3和图4，差动行星调速齿轮箱300包括箱体330、转动设置在箱体330内的齿圈340、转动设置在齿圈340的外侧的小齿轮350、转动设置在齿圈340内侧的太阳轮360、转动设置在太阳轮360和齿圈340的内圈之间行星轮370和用于支撑所述行星轮370的行星架380。
[0055]
具体的，在本实施例中，差动行星调速齿轮箱300的第一输入端310为行星架380的输入轴，差动行星调速齿轮箱300的第二输入端320为小齿轮350的输入轴，差动行星调速齿轮箱300的输出端为太阳轮360的输出轴。行星架380的输入轴与增速齿轮箱100连接，小齿轮350的输入轴与调速电机400的输出轴连接，太阳轮360的输出轴与同步发电机200的输入轴连接。
[0056]
参照图1，相关技术中，齿圈340与同步发电机200的连接轴、太阳轮360与调速电机400的连接轴同轴设置，另外风电机组传动链中心还会设置一个用于布置为风轮500变桨系统提供动力和控制信号的动力线缆及信号线的空心管轴(图中未标示)。因此，太阳轮360与调速电机400的连接轴、齿圈340与同步发电机200的连接轴以及空心管轴依次套设，使得风力发电机组驱动链的结构布置较为困难。
[0057]
参照图2至图4，本实施例中，调速电机400与小齿轮350的连接轴位于齿圈340的外侧，太阳轮360与同步发电机200的连接轴位于齿圈340的内侧。由此使得调速电机400与小齿轮350的连接轴、太阳轮360与同步发电机200的连接轴不在同一轴线上，从而降低了结构布置的难度。
[0058]
其中，太阳轮360位于齿圈340的中心且太阳轮360与齿圈340同轴设置。齿圈340的内周设置有内齿，太阳轮360的外周设置有外齿，行星轮370同时与齿圈340和太阳轮360啮合。在行星架380转动时，行星轮370能够绕太阳轮360公转，同时自转，并在齿圈340的内齿的作用下驱动太阳轮360相对齿圈340转动。由此差动行星调速齿轮箱300将风轮500的转动变速并传递给同步发电机200进行发电。
[0059]
参照图2至图4，行星轮370的数量可为一个或多个，具体可依据需求进行设计。本实施例中行星架380上轴向均匀间隔设置有三个行星轮370，相对于只设置一个行星轮370的方式，这种布置方式能够增加差动行星调速齿轮箱300运行时的稳定性。
[0060]
本实施例中，齿圈340的外周均匀间隔设置有用于啮合小齿轮350的外齿，小齿轮
350与齿圈340通过啮合传动。此外，在其他的一些实施例中，小齿轮350也可采用链传动等其他合适的方式与齿圈340转动连接并传递转动。
[0061]
由此，在风轮500转速较小的时候，与差动行星调速齿轮箱300的第二输入端320连接的调速电机400可以进一步为差动行星调速齿轮箱300提供动力，以增加差动行星调速齿轮箱300的输出端的转速。同步发电机200和差动行星调速齿轮箱300的输出端连接由此使得同步发电机200的输入轴的转速能够保持稳定。从而差动行星调速齿轮箱300与同步发电机200配合能够将不同转速的风轮500输入的动能输出转化成稳定的电能。
[0062]
小齿轮350的数量与调速电机400的数量相同，调速电机400与小齿轮350对应连接，通过调速电机400带动小齿轮350转动，以驱动齿圈340转动从而调节太阳轮360的输出转速使得太阳轮360的输出转速恒定。调速电机400加装有调频器，通过调频器调节调速电机400的转速，从而调节小齿轮350的转速，进而使得不同风轮500转速下的同步发电机200能够保持稳定的转速进行发电。
[0063]
在一些实施例中，差动行星调速齿轮箱300包括一个小齿轮350，齿圈340的外周设置有一个调速电机400；在一些实施例中，齿圈340的外周沿周向布置有多个小齿轮350，调速电机400的数量与小齿轮350相同并与小齿轮350一一对应连接。本实施例中具体以齿圈340外周设置两个小齿轮350，每个小齿轮350对应连接一个调速电机400的方式加以示出。通过设置多个调速电机400能够提高了该差动行星调速齿轮箱300的容错能力，在一个调速电机400出现故障的时候另外的调速电机400也可以工作。
[0064]
对于陆上机组，两个调速电机400也可以共用一个变频器以节约成本；对于海上机组，两个调速电机400可以用两个变频器单独控制，以提高系统的可靠性。
[0065]
参照图1，相关技术中，调速电机400连接在太阳轮360上，太阳轮360的转速为调速转速。动力从行星架380的输入轴输入，行星架380的转速为输入转速。同步发电机200的输入轴与齿圈340相连，齿圈340的转速为输出转速。
[0066]
调速转速(太阳轮360的转速)与行星架380的转速的关系为：
[0067]ns
＝(k+1)
·npc-k
·
nr[0068]
式中：k为齿圈340的齿数与太阳轮360的齿数比，n
pc
为行星架380的转速，nr为齿圈340的转速，ns为太阳轮360的转速。
[0069]
根据此式，当k与nr为定值时，太阳轮360的转速变化是行星架380转速变化的(k+1)倍，一般的行星齿轮传动，k值均大于2，所以太阳轮360的转速变化至少是行星架380的转速变化的3倍，即调速电机400的转速变化至少是输入转速变化的3倍。这种特性导致调速电机400的速度变化幅度大，使得调速电机400的灵敏度不高。
[0070]
依据调速转速与行星架380的转速的关系式，调速转速ns为0时，齿圈转速nr与行星架转速n
pc
的关系为：
[0071][0072]
一般k值均大于2，则齿圈340的转速最大是行星架380的转速的1.5倍，即差动行星调速齿轮箱300的输出的转速最大为输入的转速的1.5倍，齿圈340和行星架380的转速相差较小，调速齿轮箱的增速效果不明显。
[0073]
参照图3，本实施例中，行星架380的转速为输入转速，太阳轮360的转速为输出转
速。齿圈340的转速为调速转速，调速转速与行星架380的转速的关系为：
[0074][0075]
式中：k为齿圈340的齿数与太阳轮360的齿数比，n
pc
为行星架380的转速，nr为齿圈340的转速(调速转速)，ns为太阳轮360的转速。
[0076]
根据此式，当k与ns为定值时，齿圈340的转速变化是行星架380的转速变化的(1+1/k)倍，一般行星齿轮传动，k值均大于2，所以齿圈340的转速(即调速转速)变化至多是行星架380的转速变化的1.5倍；其中，调速转速是由调速电机400提供的，由此，使得调速电机400的速度变化幅度降低，增大了调速电机400的灵敏度。
[0077]
依据调速转速与行星架380的转速的关系式，当调速转速nr为0时，太阳轮360的转速ns与行星架380转速n
pc
的关系为：
[0078]ns
＝(1+k)
·npc
[0079]
一般k值均大于2，则太阳轮360的最小转速是行星架380转速的3倍。即太阳轮360和行星架380的转速相差比较大，差动行星调速齿轮箱300的增速效果明显。
[0080]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种风力发电机组驱动链，包括差动行星调速齿轮箱，同步发电机和调速电机，其特征在于，所述差动行星调速齿轮箱的第一输入端用于与风力发电机组的风轮连接，所述差动行星调速齿轮箱的第二输入端与所述调速电机连接，所述差动行星调速齿轮箱的输出端与所述同步发电机连接；所述差动行星调速齿轮箱包括齿圈、小齿轮、行星轮和太阳轮；所述小齿轮与所述齿圈转动连接，所述小齿轮设于所述齿圈的外侧；所述太阳轮通过所述行星轮与齿圈同轴转动连接，所述太阳轮设于所述齿圈的内侧；所述小齿轮的输入轴为所述差动行星调速齿轮箱的第二输入端，所述小齿轮的输入轴与所述调速电机的输出轴连接；所述太阳轮的输出轴为所述差动行星调速齿轮箱的输出端，所述太阳轮的输出轴与所述同步发电机的输入轴连接。2.如权利要求1所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述太阳轮与所述齿圈同轴。3.如权利要求1所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述调速电机与所述同步发电机均设置在所述差动行星调速齿轮箱远离所述风轮的一侧。4.如权利要求1所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述齿圈的外周面上具有外齿，所述外齿与所述小齿轮啮合连接。5.如权利要求1所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述调速电机的数量为多个，多个所述调速电机沿着所述齿圈的周向间隔设置，所述差动行星调速齿轮箱包括多个所述小齿轮，所述小齿轮的数量与所述调速电机的数量相同，所述调速电机与所述小齿轮一一对应。6.如权利要求1所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述差动行星调速齿轮箱还包括行星架，所述行星架的输入轴为所述差动行星调速齿轮箱的第一输入端，用于连接所述风轮，所述行星架与所述行星轮连接，并驱动所述行星轮公转，所述行星轮环绕所述太阳轮设置，与所述太阳轮啮合连接，且所述行星轮与所述齿圈转动连接。7.如权利要求6所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述齿圈的转速n
r
的计算公式为：其中，k为齿圈的齿数与太阳轮的齿数比，n
pc
为行星架的转速，n
r
为齿圈的转速，n
s
为太阳轮的转速。8.如权利要求6所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述齿圈的转速n
r
＝0时，所述太阳轮的转速与所述行星架的转速之间满足下式：n
s
＝(1+k)
·
n
pc
其中，n
s
为太阳轮的转速，k为齿圈的齿数与太阳轮的齿数比，n
pc
为行星架的转速。9.如权利要求7或8所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述k值大于或等于2。10.如权利要求1所述的风力发电机组驱动链，其特征在于，所述风力发电机组驱动链还包括增速齿轮箱，所述增速齿轮箱连接于所述风轮和所述差动行星调速齿轮箱之间。11.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括风轮和如权利要求1-10中任意一项所述的风力发电机组驱动链，所述风轮与所述风力发电机组驱动链连接。

技术总结
本发明公开了一种风力发电机组驱动链及包括其的风力发电机组，涉及风力发电技术领域。风力发电机组驱动链包括差动行星调速齿轮箱，同步发电机和调速电机，差动行星调速齿轮箱的输出端与所述同步发电机连接；差动行星调速齿轮箱包括齿圈、小齿轮、行星轮和太阳轮，小齿轮与齿圈转动连接，太阳轮通过行星轮与齿圈同轴转动连接，小齿轮设于所述齿圈的外侧，太阳轮设于齿圈的内侧；小齿轮的输入轴与调速电机的输出轴连接，太阳轮的输出轴为差动行星调速齿轮箱的输出端，与同步发电机的输入轴连接。本发明的风力发电机组驱动链具有结构布置合理、调速灵敏、增速比大等优点。调速灵敏、增速比大等优点。调速灵敏、增速比大等优点。


技术研发人员：孙永岗 许移庆 蒋勇 刘嘉明 钟云龙
受保护的技术使用者：上海电气风电集团股份有限公司
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/6/28