一种多片多驱动桨叶风力机结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多片多驱动桨叶风力机结构，该结构由轮毂、风力机旋转轴、三个空间对称的大叶片组成；每个大叶片由一个锥形旋转轴、三段小叶片、三套伺服电机组成；伺服电机为外转子永磁同步电机，伺服电机外转子与叶片固定连接，伺服电机的内定子与锥形旋转轴固定；伺服电机驱动器安装在轮毂内，伺服电机驱动器由公共直流母线供电。该结构最大的特点在于每个大叶片由一根旋转轴和三个小叶片组成，三个小叶片可以分别被伺服电机驱动进行控制。该结构具有控制灵活、响应快，姿态多变、可适应风能的不均匀分布，有效风速范围宽、不易产生应力、寿命长，叶片制造、运输、安装容易等诸多特点。
【专利说明】一种多片多驱动桨叶风力机结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及ー种风カ机，尤其涉及一种多片多驱动桨叶的风カ机结构。
【背景技术】
[0002]在风カ发电系统中，由于风カ的随机波动，对风力机捕获风能提出苛刻的要求。传统的定桨距风力机桨叶和轮毂是固定连接的，它的桨距角是固定不变的。在风カ的方向与強度随机变化的情况下，难以获得最佳的风能利用率。变桨距风カ机，叶片可以绕中心轴旋转，桨距角能在一定的范围内随着风速的大小调整，其风能转换率较高，受到普遍的重视和应用。但是对于大型风カ机，桨叶尺寸大，桨叶控制具有较大的滞后效应，灵活性不够，控制精度和稳定性差，难以获得满意的控制效果；其次，整块叶片在制造过程中整体成型，制造、运输、安装难度大；在叶片扫掠的面积上(这个面积可能远大于10?2)，受风剪切、塔影效应和湍流的影响，风速的分布不可能是均匀连续的，单一整块叶片难以适应风カ的这种不均匀性和随机变化。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种多片多驱动桨叶的风カ机结构。
[0004]本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的:一种多片多驱动桨叶风カ机结构,它主要由三个叶片、轮毂、塔架、机舱、主轴、主轴轴承、整流电源和齿轮箱组成；其中,所述轮毂通过主轴法兰与主轴相连，主轴通过主轴轴承与齿轮箱的低速轴相连，齿轮箱的高速轴与发电机的转子轴相连。发电机、齿轮箱、主控制器和整流电源均安装在机舱的内部；三个叶片具有相同的结构，空间相间120度对称安装在轮毂上；每个叶片由锥形轴、尖部子叶片、尖部伺服电机、根部子叶片和根部伺服电机组成；锥形轴由两段构成，尖部为圆柱体，根部为空心圆锥体；尖部伺服电`机和根部伺服电机的内定子均套在锥形轴的圆柱体上，尖部子叶片与尖部伺服电机的外转子固定连接，根部子叶片与根部伺服电机的外转子固定连接。
[0005]进ー步地，所述轮毂为鼓型三通结构，在轮毂侧壁上对称分布着相距120度的三个叶片安装孔，孔ロ有安装法兰；轮毂的背面铺设两条环形直流母线，电刷压在环形直流母线上，弹簧片一端压在电刷上，另一端固定在固定块上，固定块与机舱固定在一起，电刷与软连接母线连接，软连接母线与机舱内的整流电源相接；轮毂的背面中心位置安装主轴法
AA
—.0
[0006]进ー步地，所述轮毂内部安装六个伺服驱动器，伺服驱动器的进线经过穿线孔与轮毂背面的环形直流母线连接，伺服驱动器的出线经过轮毂侧壁的叶片安装孔与尖部伺服电机或根部伺服电机相接。
[0007]进ー步地，所述尖部伺服电机和根部伺服电机的结构相同，外转子上装有圆形夹板，内定子空心，内定子上绕制三相绕组，磁钢固定在外转子的内側。[0008]本实用新型的有益效果是:
[0009]1.将原来的大叶片改变成两个小叶片，对小叶片采用分布式驱动，控制灵活，能够适应风力的随机变化，提高了风能利用率。
[0010]2.小叶片驱动电机采用细长型空心外转子永磁同步电机，转动惯量小，动态响应快，控制精度高。
[0011]3.叶片轴为圆柱体与锥体的结合体，锥形结构增强了轴根部的机械强度，锥体做成空腔为伺服电机接线提供方便，。
[0012]4.小叶片与伺服电机外转子固定连接，伺服电机空心内定子套在叶片中心轴上，与其固定；在锥形部分，叶片轴铣有叶片旋转的窗ロ，为叶片的旋转提供便利。
[0013]5.伺服电机驱动器分布安装在轮毂的内部，与轮毂和叶片同步旋转，伺服驱动器的电机驱动电缆线和编码器信号线经过桨叶中心轴空腔连接到伺服电机。
[0014]6.伺服电机驱动器采用直流电源供电，在轮毂内部铺设环形直流母线，伺服驱动器的直流电源输入端直接连到环形直流母线上，环形直流母线经过弹簧片和软连接线与直流电源相接，直流电源安装在机舱内。
[0015]7.直流电源由发电机输出的交流电经过可控整流得到。
[0016]8.主控制器安装在机舱内，通过无线网络与轮毂内的伺服驱动器通信，简化了布线。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是多片多驱动桨叶风カ机总装配正视图；
[0018]图2是多片多驱动桨叶风カ机总装配左视图；
[0019]图3是轮毂背视图；
[0020]图4是轮毂内视图；
[0021]图5是锥形轴与单叶片结构图；
[0022]图6是锥形轴根部与伺服电机的结构图；
[0023]图7是外转子伺服电机结构图；
[0024]图8是多驱动伺服电机电气控制结构图；
[0025]图9是主控制器电路图与无线网络图；
[0026]图10是伺服驱动器电路图；
[0027]图11是子节点电路框图；
[0028]图12是子节点单片机与nRF2401接ロ电路图；
[0029]图中，锥形轴1、叶片2、尖部子叶片3、尖部伺服电机4、根部子叶片5、根部伺服电机6、轮毂7、环形直流母线8、叶片安装孔9、安装法兰10、主轴11、电刷12、塔架13、主轴轴承14、整流电源15、机舱16、主控制器17、发电机18、转子轴19、齿轮箱20、弹簧片21、软连接母线22、固定块23、主轴法兰24、伺服驱动器25、永磁体26、内定子27、磁钢28、穿线孔29、圆形夹板30、轴承31、绕组32、同步动态随机存储器33、数据总线34、地址总线35、主控芯片36、JTAG接ロ 37、FLASH存储器38、无线收发模块39、子叶片控制单元40、电流传感器41、角度编码器42、无线模块43、无线信号收发单元44、单片机45、D/A转换器46、地址锁存器47、第一双向电压转换器48、A/D转换器49,第二双向电压转换器50、第三双向电压转换器51。
【具体实施方式】
[0030]如图1所示，本实用新型的多片多驱动桨叶风カ机结构主要由三个叶片2、轮毂7、塔架13、机舱16、主轴11、主轴轴承14、整流电源15、齿轮箱20组成。三个叶片2具有相同的结构，空间相间120度对称安装在轮毂7上。叶片2由锥形轴1、尖部子叶片3、尖部伺服电机4、根部子叶片5、根部伺服电机6组成。
[0031]如图2所示，轮毂7通过主轴法兰24与主轴11相连，主轴11通过主轴轴承14与齿轮箱20的低速轴相连，齿轮箱20的高速轴与发电机18的转子轴19相连。发电机18、齿轮箱20、主控制器17和整流电源15均安装在机舱16的内部。
[0032]如图3所示，轮毂7采用鼓型三通结构，在轮毂7侧壁上对称分布着相距120度的三个叶片安装孔9，孔ロ有安装法兰10 ;轮毂7的背面铺设两条环形直流母线8，电刷12压在环形直流母线8上,弹黃片21 —端压在电刷12上,另一端固定在固定块23上，固定块23与机舱16固定在一起，电刷12与软连接母线22连接，软连接母线22与机舱内的整流电源15相接；轮毂7的背面中心位置安装主轴法兰24。
[0033]如图4所示，轮毂7内部安装6个伺服驱动器25，伺服驱动器25的进线经过穿线孔29与轮毂7背面的环形直流母线8连接，伺服驱动器25的出线经过轮毂7侧壁的叶片安装孔9与尖部伺服电机4和根部伺服电机6相接。
[0034]如图1和图5所示，每个叶片2由锥形轴1、尖部子叶片3、尖部伺服电机4、根部子叶片5、根部伺服电机6、圆形夹板30、轴承31组成；锥形轴I由两段构成，尖部为圆柱体，根部为空心圆锥体，圆锥体部分开有旋转窗ロ，便于叶片的旋转。
[0035]如图5和图6所示，尖部伺服电机4和根部伺服电机6的内定子均套在锥形轴I的圆柱体上，尖部子叶片3通过螺栓与尖部伺服电机4的外转子固定连接，根部子叶片5通过螺栓与根部伺服电机6的外转子固定，尖部伺服电机4和根部伺服电机的外转子上装有圆形夹板30，用于固定叶片；圆形夹板30通过轴承31套在锥形轴I的圆柱体上，尖部子叶片3和根部子叶片5通过螺栓与圆形夹板30固定连接。
[0036]如图7所示，尖部伺服电机4和根部伺服电机6的结构相同，均采用外转子结构，外转子28上装有圆形夹板30，内定子27为空心的，内定子上绕制三相绕组32，磁钢28固定在外转子的内側。
[0037]在这种结构设计中，有两个关键环节，ー个是叶片的中心轴，另ー个是分叶片的长度。为了增加叶片中心轴的强度，在中心轴的根部，采用锥形结构，锥形长度8m，小端与圆柱体相接，外径38mm，大端外径180mm。圆柱长度25m，对应风力发电机额定功率200kW。叶尖部子叶片的长度为18m，叶根部子叶片的长度为15m。
[0038]驱动伺服电机采用具有自锁功能的细长型的外转子电机，伺服电机功率取决于分叶片所承受的风载荷。针对本实用新型所提出的发电机功率以及子叶片尺寸，尖部子叶片所对应的伺服电机功率3kw,电机长350mm,电机外径80mm,根部子叶片所对应的伺服电机功率1.8kw,电机电机长300mm,电机外径80mm。
[0039]如图8所示，本实用新型所述的ー种多片多驱动桨叶风カ机结构的电气控制拓扑结构，发电机18输出的三相交流电输入到整流电源15变换为直流电，电流电经过电刷12接到环形直流母线8上，六个伺服驱动器25直接与环形直流母线8相接，六个伺服驱动器25的输出分别接到三个尖部伺服电机4和三个根部伺服电机6上。
[0040]如图9所示主控制器电路图与无线网络图，主控制器17由主芯片36，同步动态随机存储器SDRAM33，FLASH存储器38，数据总线34，地址总线35，JTAG接ロ 37，无线收发模块(nRF2401)39组成。其中主芯片36采用三星RAM芯片S3C45IOB。无线网路拓扑结构是星状结构，其中以主控制器17为主节点，各子叶片控制単元40为子节点。子叶片控制単元40由nRF2401无线模块43和伺服驱动器25组成。
[0041]主控制器17的工作原理:FLASH存储器38用于存储程序代码，SDRAM33用于存储采集到的实时数据，JTAG接ロ 37用于调试和下载程序，无线收发模块(nRF2401)39用于收发各子节点的数据。
[0042]如图10所示伺服驱动器电路图，伺服驱动器25采用三闭环控制系统，由电流控制器，速度控制器，角度控制器构成，电流传感器41采样电机电流并反馈给电流控制器，电机轴上装有角度编码器42，用作采集子叶片转动角度，并将角度信号反馈至角度控制器，角度信号的微分作为速度信号反馈至速度控制器。
[0043]如图11所示子节点电路框图，nRF2401无线模块43由单片机45和nRF2401无线信号收发单元44组成。
[0044]伺服驱动器(25)与nRF2401无线模块43的通信原理是:伺服驱动器25采集电流信号和角度信号，并将电流信号和角度信号送到nRF2401无线模块43中的单片机45，单片机45将电流信号和角度信号分别转为为风速信号和风向信号，送给nRF2401无线收发单元44，nRF2401无线收发单元44通过无线网络发送数据到主控制器节点17。nRF2401无线收发单元44通过无线网络接收主控制器节点17发送的角度命令，并将角度命令送给单片机45，单片机45将角度命令转换为伺服驱动器25的角度给定，控制子叶片的旋转角度。根据空气动力学原理，子叶片所受扭矩与风速平方成正比，伺服电机的电流与子叶片的扭矩成正比，因此可以根据伺服电机的电流大小确定风速的大小。
[0045]如图12所示子节点单片机与nRF2401接ロ电路图，nRF2401无线模块43由单片机(AT89S52) 45，D/A 转换器(DAC0932) 46，A/D 转换器(ADC0809) 49，地址锁存器(74LS373)47，双向电压转换器48、50、51，nRF2401无线收发芯片44组成。nRF2401无线收发芯片44工作于全双エ模式，既可以发射数据，也可以接收数据。从伺服驱动器25来的角度反馈信号和电流反馈信号是模拟量，经过AD转换器49转换为数字量送给单片机45，单片机45经过软件处理将角度反馈信号和电流反馈信号变换为风速信号和风向信号，再送到nRF2401无线收发芯片44进行发射。nRF2401无线收发芯片44接收到主节点17发送来的角度命令送给单片机45，单片机45经过软件处理转换为角度给定数据送给D/A转换器(DAC0932)46，D/A转换器(DAC0932) 46转换为模拟量的角度给定，再送给伺服驱动器25，用于控制子叶片的旋转。双向电压转换器48采用芯片(74LVC4245)，采用双电源供电，可以实现5V电平和3.3V电平之间的双向转换，通过控制引脚DIR控制电压转换的方向，当DIR为高电平时，数据流向是从A端ロ迸，B端ロ出，当DIR为低电平时，数据流向相反。双向电压转换器50和51采用芯片74LVC2T45，74LVC2T45实现2位的电压转换。由于nRF2401无线收发芯片44的CE、PWR_UP、CS、CLKl脚的电流方向是从单片机45至(nRF2401) 44，而DRl脚的电流流向是从URF2401) 44至单片机45，DATA脚的数据流向是双向的，因此电路中增加了三部分的电压转换电路，其中Pl.5控制DATA脚的数据流向。
【权利要求】
1.一种多片多驱动桨叶风カ机结构，其特征在于，它主要由三个叶片(2)、轮毂(7)、塔架(13 )、机舱(16 )、主轴(11)、主轴轴承(14 )、整流电源(15 )和齿轮箱(20 )组成；其中，所述轮毂(7)通过主轴法兰(24)与主轴(11)相连，主轴(11)通过主轴轴承(14)与齿轮箱(20)的低速轴相连，齿轮箱(20)的高速轴与发电机(18)的转子轴(19)相连；发电机(18)、齿轮箱(20)、主控制器(17)和整流电源(15)均安装在机舱(16)的内部；三个叶片(2)具有相同的结构，空间相间120度对称安装在轮毂(7)上；每个叶片(2)由锥形轴(I)、尖部子叶片(3)、尖部伺服电机(4)、根部子叶片(5)和根部伺服电机(6)组成；锥形轴(I)由两段构成，尖部为圆柱体，根部为空心圆锥体；尖部伺服电机(4)和根部伺服电机(6)的内定子均套在锥形轴(I)的圆柱体上，尖部子叶片(3)与尖部伺服电机(4)的外转子固定连接，根部子叶片(5)与根部伺服电机(6)的外转子固定连接。
2.根据权利要求1所述多片多驱动桨叶风カ机结构，其特征在于，所述轮毂(7)为鼓型三通结构，在轮毂(7)侧壁上对称分布着相距120度的三个叶片安装孔(9)，孔ロ有安装法兰(10);轮毂(7)的背面铺设两条环形直流母线(8)，电刷(12)压在环形直流母线(8)上，弹簧片(21) —端压在电刷(12)上,另一端固定在固定块(23)上，固定块(23)与机舱(16)固定在一起，电刷(12 )与软连接母线(22 )连接，软连接母线(22 )与机舱内的整流电源(15 )相接；轮毂(7)的背面中心位置安装主轴法兰(24)。
3.根据权利要求1所述多片多驱动桨叶风カ机结构，其特征在于，所述轮毂(7)内部安装六个伺服驱动器(25)，伺服驱动器(25)的进线经过穿线孔(29)与轮毂(7)背面的环形直流母线(8)连接，伺服驱动器(25)的出线经过轮毂(7)侧壁的叶片安装孔(9)与尖部伺服电机(4)或根部伺服电机(6)相接。
4.根据权利要求1所述多片多驱动桨叶风カ机结构，其特征在于，所述尖部伺服电机(4)和根部伺服电机(6)的结构相同，包括内定子(27)和外转子(28)，外转子(28)上装有圆形夹板(30)，内定子(27)空心，内定子上绕制三相绕组(32)，磁钢(28)固定在外转子(28)的内侧。
【文档编号】F03D9/00GK203383981SQ201320349056
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2013年6月17日
【发明者】屈稳太, 应蓓华 申请人:浙江大学宁波理工学院