丝杆传动三轴联动同步变桨系统及风力发电机的制作方法

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体地讲，是涉及一种丝杆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：

2.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。
3.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。变桨系统通常是设置于风力机前端的风轮上，以便直接对风轮叶片进行调控，风轮上的叶片一般是配置为圆周均布的三个，以保持平衡。现有的变桨系统大都是对每个叶片分别控制，即是为每个叶片各配置一套变桨系统，然后联动实现同步控制变桨的效果，这也就导致了风轮部分的系统构造复杂，重量大。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。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的问题，本发明提供一种丝杆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，并通过丝杆传动方式联动传动三个叶片，使用一个变桨电机即可实现对各叶片的同步变桨，有效地减少了风轮部分的重量。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种丝杆传动三轴联动同步变桨系统，包括变桨底架、丝杆驱动机构、调向连杆机构、传动环机构和三轴联动机构，所述变桨底架固定安置于风力发电机的机舱主架上，所述丝杆驱动机构铰接于变桨底架一端，并通过丝杆传动连接调向连杆机构，所述调向连杆机构铰接于变桨底架另一端，并将丝杆驱动机构通过丝杆传动产生的旋转力转化为推拉力作用于传动环机构上，所述传动环机构套置于风力发电机的主轴前端上，并将来自调向连杆机构的推拉力沿主轴轴向传递到三轴联动机构上，所述三轴联动机构通过连杆结构分别连接到风轮的每个叶片尾部设置的同步凸轮上，并将来自传动环机构的推拉力作用到各同步凸轮使其旋转带动各叶片进行同步变桨，其中所述传动环机构中连接三轴联动机构的部分与连接调向连杆机构的部分之间通过轴承转动连接。
6.具体地，所述丝杆驱动机构包括驱动电机，安置于驱动电机输出轴一端的连接传动套，安置于连接传动套上并通过联轴器与驱动电机输出轴连接的驱动丝杆，以及套置于连接传动套上并与变桨底架铰接的驱动支架，其中所述驱动丝杆与调向连杆机构丝杆传动连接。
7.具体地，所述调向连杆机构包括中部与变桨底架铰接的调向支架，铰接于调向支架一端的并与丝杆驱动机构丝杆传动连接的螺纹套筒，以及一端铰接于调向支架另一端且另一端与传动环机构铰接的推拉连杆，所述螺纹套筒在丝杆驱动机构产生的旋转力作用下沿丝杆驱动机构的输出轴轴向移动形成推拉力，带动调向支架以其铰接点转动，并使推拉连杆向螺纹套筒相反的方向移动，实现对传动环机构的推拉力联动。
8.进一步地，所述调向连杆机构上还连接有助力缓冲机构，该助力缓冲机构包括固定套置于主轴上的定位套环，以及一端与定位套环铰接的助力液压杆，该助力液压杆的另一端与调向支架连接推拉连杆的一端铰接。
9.具体地，所述传动环机构包括套置于主轴前端的内环套，套置于内环套上的转动轴承，套置于内环套上并将转动轴承下部卡接的传动连接环，安置于传动连接环上并与调向连杆机构铰接的推拉连接耳，套置并卡接于转动轴承上部的传动外环体，以及安置于传动外环体上用于连接三轴联动机构的联动连接耳，所述传动连接环在通过推拉连接耳承受来自调向连杆机构的推拉力时，传动环机构整体在推拉力作用下沿主轴移动，由联动连接耳向三轴联动机构提供沿主轴方向的推拉力，在风力发电机的风轮转动时，传动外环体在转动轴承作用下随风轮转动，保持对三轴联动机构的稳定作用力。
10.具体地，所述三轴联动机构包括与风轮的叶片数量匹配的联动杆，每个联动杆对应一个叶片，该联动杆的一端与传动环机构的联动连接耳采用球铰链铰接，另一端与风轮叶片尾部的同步凸轮的凸部采用球铰链铰接，多个所述联动杆将来自联动连接耳的推拉力同时传递到各同步凸轮的凸部，使各同步凸轮转动，带动风轮叶片同时转动实现同步变桨。
11.进一步地，所述传动连接环和传动外环体上均设置有限位连接组件，该限位连接组件包括依次铰接的第一固定头、第一连接臂、第二连接臂和第二固定头，当第一固定头连接于传动连接环上时，对应限位连接组件的第二固定头安置于机舱内安置主轴的支架上，当第一固定头连接于传动外环体上时，对应限位连接组件的第二固定头安置于风轮上。
12.进一步地，在所述传动环机构沿主轴移动的方向上还设有限位开关，对应叶片变桨角度为-2
°
～92
°
。
13.更进一步地，本发明还提供了一种风力发电机，采用上述的丝杆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，所述机舱内还设有与塔架连接的偏航系统。
14.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，适于在风力发电机上应用。
15.（2）本发明巧妙设置了传动环机构传递来自机舱部分的变桨驱动作用力，配合三轴联动机构将变桨驱动作用力同时传递到每个风轮叶片上，结合叶片尾端设置的同步凸轮
使沿主轴直线方向的变桨驱动作用力转化为对叶片变桨的转动作用力，由此也有效地简化了驱动电机的数量，只需配置一个驱动电机即可完成三个叶片的同步变桨操作，同时该传动环机构还利用转动轴承实现了前后端部分的转动连接，这样使三轴联动机构可以匹配地随着风轮一起转动又不会影响到变桨驱动作用力沿主轴方向的传递，保证驱动电机部分在机舱内的平稳运行。
16.（3）本发明设置的丝杆驱动机构，先将驱动电机的旋转力直接作用于驱动丝杆实现丝杆转动，配合调向连杆机构利用丝杆传动连接将驱动丝杆的转动转化为沿丝杆轴向的移动，结合调向连杆机构的杠杆作用将移动产生的推拉作用力传递到推拉连杆，巧妙地实现了电机驱动作用力的方向转化，更好地匹配了设计的变桨驱动作用力的传递。
17.（4）本发明为调向连杆机构配置助力缓冲机构，利用助力液压杆稳定调向支架的作用力传递，保证了推拉连杆将推拉力稳定地传递到传动环机构。
18.（5）本发明还设置了限位连接组件来保证传动环机构在主轴前端稳定的位置而不会发生过度偏离的情况，同时结合限位开关的布置使变桨驱动作用力能够准确地控制变桨角度的最大幅度。
附图说明
19.图1为本发明-实施例的整体结构示意图。
20.图2为本发明-实施例中同步变桨系统部分的结构示意图。
21.图3为本发明-实施例中丝杆驱动机构部分的结构示意图。
22.图4为本发明-实施例中调向连杆机构部分的结构示意图。
23.图5为本发明-实施例中传动环机构部分的剖视结构示意图。
24.图6为本发明-实施例中三轴联动机构部分的结构示意图。
25.图7为本发明-实施例中同步凸轮的连接结构示意图。
26.图8为本发明-实施例中限位连接组件部分的结构示意图。
27.图9为本发明-实施例中风力发电机的结构示意图。
28.上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：1-机舱主架，2-主轴，3-叶片，4-同步凸轮，5-塔架，6-机舱，7-风轮系统，8-发电机组，9-偏航系统，10-变桨底架，11-限位开关，20-丝杆驱动机构，21-驱动电机，22-连接传动套，23-联轴器，24-驱动丝杆，25-驱动支架，30-调向连杆机构，31-调向支架，32-螺纹套筒，33-套筒支架，34-推拉连杆，35-辅助连接块，40-传动环机构，41-内环套，42-转动轴承，43-传动连接环，44-推拉连接耳，45-传动外环体，46-联动连接耳，47-凸起部，50-三轴联动机构，51-联动杆，60-助力缓冲机构，61-定位套环，62-助力液压杆，70-限位连接组件，71-第一固定头，72-第一连接臂，73-第二连接臂，74-第二固定头。
具体实施方式
29.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。
30.如图1至图8所示，该丝杆传动三轴联动同步变桨系统，包括变桨底架10、丝杆驱动机构20、调向连杆机构30、传动环机构40和三轴联动机构50，所述变桨底架10固定安置于风力发电机的机舱主架1上，所述丝杆驱动机构20铰接于变桨底架10一端，并通过丝杆传动连接调向连杆机构30，所述调向连杆机构30铰接于变桨底架10另一端，并将丝杆驱动机构20通过丝杆传动产生的旋转力转化为推拉力作用于传动环机构40上，所述传动环机构40套置于风力发电机的主轴2前端上，并将来自调向连杆机构30的推拉力沿主轴2轴向传递到三轴联动机构50上，所述三轴联动机构50通过连杆结构分别连接到风轮的每个叶片3尾部设置的同步凸轮4上，并将来自传动环机构40的推拉力作用到各同步凸轮4使其旋转带动各叶片3进行同步变桨，其中所述传动环机构40中连接三轴联动机构50的部分与连接调向连杆机构30的部分之间通过轴承转动连接。
31.具体结构如下：所述变桨底架10一般配置为平行设置的两个，分别固定在机舱主架1的两条主梁上，如此可以从两侧稳定地连接丝杆驱动机构20和调向连杆机构30。
32.所述丝杆驱动机构20包括驱动电机21，安置于驱动电机21输出轴一端的连接传动套22，安置于连接传动套22上并通过联轴器23与驱动电机21输出轴连接的驱动丝杆24，以及套置于连接传动套22上并与变桨底架10铰接的驱动支架25，其中所述驱动丝杆24与调向连杆机构30丝杆传动连接，驱动电机21及驱动丝杆24的轴向与风力发电机的主轴2方向同在竖向平面内，优选设置于主轴2的正下方且斜向上朝向主轴2前端。
33.所述调向连杆机构30包括中部与变桨底架10铰接的调向支架31，铰接于调向支架31一端的并与驱动丝杆24采用丝杆传动连接的螺纹套筒32，以及一端铰接于调向支架31另一端且另一端与传动环机构40铰接的推拉连杆34，所述螺纹套筒32在丝杆驱动机构20产生的旋转力作用下沿丝杆驱动机构20的输出轴轴向移动形成推拉力，带动调向支架31以其铰接点转动，并使推拉连杆34向螺纹套筒32相反的方向移动，实现对传动环机构40的推拉力联动。其中调向支架31呈h形状，螺纹套筒32与驱动丝杆24匹配，并通过套筒支架33铰接于h形状的下端中间位置，推拉连杆34配置为两根，分别铰接于h形状上端的两个分支上，并可利用辅助连接块35来匹配推拉连杆34的连接位置以便更好地传递作用力，推拉连杆34的两端可采用球铰链铰接以便适配驱动作用力传递方向，减少驱动作用力对结构部件本身的强度影响。对于推拉连杆34本身，可以采用长度可调的结构形式，以便于安装时适配准确的连接位置。
34.为了提高调向支架31转动时传递作用力的稳定性，所述调向连杆机构30上还连接有助力缓冲机构60，该助力缓冲机构60包括固定套置于主轴2上的定位套环61，以及一端与定位套环61铰接的助力液压杆62，该助力液压杆62的另一端与调向支架31连接推拉连杆34的一端铰接，该助力液压杆62也对应推拉连杆34配置为两根。
35.所述传动环机构40包括套置于主轴2前端的内环套41，套置于内环套41上的转动轴承42，套置于内环套41上并将转动轴承42下部卡接的传动连接环43，安置于传动连接环43上并与推拉连杆34铰接的推拉连接耳44，套置并卡接于转动轴承42上部的传动外环体
45，以及安置于传动外环体45上用于连接三轴联动机构50的联动连接耳46，所述传动连接环43在通过推拉连接耳44承受来自调向连杆机构30的推拉力时，传动环机构40整体在推拉力作用下沿主轴2移动，由联动连接耳46向三轴联动机构50提供沿主轴2方向的推拉力，在风力发电机的风轮转动时，传动外环体45在转动轴承42作用下随风轮转动，保持对三轴联动机构50的稳定作用力。其中，内环套41的内环侧与主轴2滑动套接以便于沿主轴2移动，外环侧的一端设置有一凸起部47，以便于与传动连接环43配合完成对转动轴承42的卡接；转动轴承42可以采用单一的轴承，也可以采用轴承组的形式实现，以保证稳定的传动和转动；传动外环体45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42上部；联动连接耳46一般按照风轮叶片3数量配置为三个，其环状均匀布置后的角度也与风轮叶片3的位置匹配。
36.所述三轴联动机构50包括与风轮的叶片3数量匹配的联动杆51，每个联动杆51对应一个叶片3，一般风力机具有三个叶片3即配置三个联动杆51，该联动杆51的一端与传动环机构40的联动连接耳46采用球铰链铰接，另一端与风轮叶片3尾部的同步凸轮4的凸部采用球铰链铰接，多个所述联动杆51将来自联动连接耳46的推拉力同时传递到各同步凸轮4的凸部，使各同步凸轮4转动，带动风轮叶片3同时转动实现同步变桨。对于联动杆51本身，可以采用长度可调的结构形式，以便于安装时适配准确的连接位置。
37.所述传动连接环43和传动外环体45上均设置有限位连接组件70，该限位连接组件70包括依次铰接的第一固定头71、第一连接臂72、第二连接臂73和第二固定头74，当第一固定头71连接于传动连接环43上时，对应限位连接组件70的第二固定头74安置于机舱6内安置主轴2的支架上，当第一固定头71连接于传动外环体45上时，对应限位连接组件70的第二固定头74安置于风轮上。利用传动环机构40前后方向的限位连接组件70对位置的限定作用，可以从物理结构上避免传动环机构40过度移动，保证对风轮叶片3变桨最大幅度的控制；图8所示为限位连接组件70连接于传动连接环43上的情况示意。并且对于传动环机构40沿主轴2移动的方向上还设有限位开关11，可以配合限位连接组件70设置，从而更好地结合控制系统对驱动电机21的控制，其中限位开关11的设置位置对应叶片3变桨角度为-2
°
～92
°
，此处在0度～90度的变桨范围内正负各增加2度，给予了物理结构移动过程中的余量，起到保护结构的目的。例如在同步开桨叶和同步收桨叶的运动过程中，当传动环机构40沿主轴2移动触发限位开关11后，控制系统驱动传动环机构40再反方向移动2度，将实际变桨范围限制到0度～90度。
38.如图9所示，本发明还提供了一种风力发电机，采用上述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统，还包括塔架5，安置于塔架5上的机舱6，以及安置于机舱6前端的风轮系统7，所述风轮系统7通过主轴2连接机舱6内的发电机组8，所述机舱6内还设有与塔架5连接的偏航系统9。
39.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。
40.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。

技术特征：
1.一种丝杆传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，包括变桨底架(10)、丝杆驱动机构(20)、调向连杆机构(30)、传动环机构(40)和三轴联动机构(50)，所述变桨底架(10)固定安置于风力发电机的机舱主架上，所述丝杆驱动机构(20)铰接于变桨底架(10)一端，并通过丝杆传动连接调向连杆机构(30)，所述调向连杆机构(30)铰接于变桨底架(10)另一端，并将丝杆驱动机构(20)通过丝杆传动产生的旋转力转化为推拉力作用于传动环机构(40)上，所述传动环机构(40)套置于风力发电机的主轴前端上，并将来自调向连杆机构(30)的推拉力沿主轴轴向传递到三轴联动机构(50)上，所述三轴联动机构(50)通过连杆结构分别连接到风轮的每个叶片尾部设置的同步凸轮(4)上，并将来自传动环机构(40)的推拉力作用到各同步凸轮(4)使其旋转带动各叶片进行同步变桨，其中所述传动环机构(40)中连接三轴联动机构(50)的部分与连接调向连杆机构(30)的部分之间通过轴承转动连接。2.根据权利要求1所述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述丝杆驱动机构(20)包括驱动电机(21)，安置于驱动电机(21)输出轴一端的连接传动套(22)，安置于连接传动套(22)上并通过联轴器(23)与驱动电机(21)输出轴连接的驱动丝杆(24)，以及套置于连接传动套(22)上并与变桨底架(10)铰接的驱动支架(25)，其中所述驱动丝杆(24)与调向连杆机构(30)丝杆传动连接。3.根据权利要求1所述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述调向连杆机构(30)包括中部与变桨底架(10)铰接的调向支架(31)，铰接于调向支架(31)一端的并与丝杆驱动机构(20)丝杆传动连接的螺纹套筒(32)，以及一端铰接于调向支架(31)另一端且另一端与传动环机构(40)铰接的推拉连杆(34)，所述螺纹套筒(32)在丝杆驱动机构(20)产生的旋转力作用下沿丝杆驱动机构(20)的输出轴轴向移动形成推拉力，带动调向支架(31)以其铰接点转动，并使推拉连杆(34)向螺纹套筒(32)相反的方向移动，实现对传动环机构(40)的推拉力联动。4.根据权利要求3所述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述调向连杆机构(30)上还连接有助力缓冲机构(60)，该助力缓冲机构(60)包括固定套置于主轴上的定位套环(61)，以及一端与定位套环(61)铰接的助力液压杆(62)，该助力液压杆(62)的另一端与调向支架(31)连接推拉连杆(34)的一端铰接。5.根据权利要求1所述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述传动环机构(40)包括套置于主轴前端的内环套(41)，套置于内环套(41)上的转动轴承(42)，套置于内环套(41)上并将转动轴承(42)下部卡接的传动连接环(43)，安置于传动连接环(43)上并与调向连杆机构(30)铰接的推拉连接耳(44)，套置并卡接于转动轴承(42)上部的传动外环体(45)，以及安置于传动外环体(45)上用于连接三轴联动机构(50)的联动连接耳(46)，所述传动连接环(43)在通过推拉连接耳(44)承受来自调向连杆机构(30)的推拉力时，传动环机构(40)整体在推拉力作用下沿主轴移动，由联动连接耳(46)向三轴联动机构(50)提供沿主轴方向的推拉力，在风力发电机的风轮转动时，传动外环体(45)在转动轴承(42)作用下随风轮转动，保持对三轴联动机构(50)的稳定作用力。6.根据权利要求5所述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述三轴联动机构(50)包括与风轮的叶片数量匹配的联动杆(51)，每个联动杆(51)对应一个叶片，该联动杆(51)的一端与传动环机构(40)的联动连接耳(46)采用球铰链铰接，另一端与风轮叶片尾部的同步凸轮(4)的凸部采用球铰链铰接，多个所述联动杆(51)将来自联动连接耳(46)
的推拉力同时传递到各同步凸轮(4)的凸部，使各同步凸轮(4)转动，带动风轮叶片同时转动实现同步变桨。7.根据权利要求5所述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，所述传动连接环(43)和传动外环体(45)上均设置有限位连接组件(70)，该限位连接组件(70)包括依次铰接的第一固定头(71)、第一连接臂(72)、第二连接臂(73)和第二固定头(74)，当第一固定头(71)连接于传动连接环(43)上时，对应限位连接组件(70)的第二固定头(74)安置于机舱内安置主轴的支架上，当第一固定头(71)连接于传动外环体(45)上时，对应限位连接组件(70)的第二固定头(74)安置于风轮上。8.根据权利要求5所述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统，其特征在于，在所述传动环机构(40)沿主轴移动的方向上还设有限位开关(11)，对应叶片变桨角度为-2
°
～92
°
。9.一种风力发电机，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的丝杆传动三轴联动同步变桨系统。

技术总结
本发明公开了一种丝杆传动三轴联动同步变桨系统及风力发电机，包括变桨底架、丝杆驱动机构、调向连杆机构、传动环机构和三轴联动机构，所述变桨底架固定安置于风力发电机的机舱主架上，丝杆驱动机构和调向连杆机构分别铰接于变桨底架的两端，传动环机构套置于风力发电机的主轴前端上，丝杆驱动机构产生的旋转力由调向连杆机构转化为推拉力并作用于传动环机构上，使三轴联动机构将推拉力作用到风轮的每个叶片尾部设置的同步凸轮使其旋转带动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，并且只需一个驱动电机即可实现多叶片的同步变桨，简化了结构。构。构。


技术研发人员：魏业龙 苏善斌 万东兴 梁宝续 宗海军 苑帅 高照 王梓建 李涛
受保护的技术使用者：华能酒泉风电有限责任公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/6/7