专利名称：风电机组磁触变柔性刹车装置及风电机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及风电装备技术领域，特别涉及一种风电机组主传动系统的柔性刹车装置。
背景技术：
风电机组的刹车装置是风电机组主传动系统及偏航系统的重要组成部分，是保障风电机组安全运行及停车的重要环节。尤其是主传动系统，其刹车装置的性能及安装位置 对主传动系统的安全运行、可靠性、检修方便性、使用寿命等风机关键参数均有重要影响。目前，风电机组的主传动刹车系统使用的主要是叶尖空气动力刹车与机械刹车组合制动的方式。在正常刹车、安全刹车、以及紧急刹车状态下，通过叶尖空气动力刹车和机械刹车动作时间差实现不同运行工况下的刹车需求。一般而言，叶尖空气动力刹车作为主刹车方式在液压压力作用下首先动作，然后液压系统高压作用于机械刹车的制动盘形成辅助刹车，完成主传动系统的刹车。作为辅助刹车的机械刹车装置在风电机组系统的安装有两种方式，安装在低速轴上和安装在高速轴上。安装在低速轴上虽然可以更可靠的实现上述三种刹车需求，对齿轮箱及电机造成的振动小，有利于齿轮箱寿命的提高，但由于在低速轴上刹车需要高压的液压系统提供压力，造成液压泵站庞大、系统密封性能高、易漏油、不方便维护等问题。因此，一般就将机械刹车装置安装在高速轴上。在风机正常运行情况下，安装在高速轴上的刹车装置虽然可以降低刹车系统液压系统的要求，实现小力矩刹车，但是在机械刹车对高速主轴动作过程中，齿轮箱在突然制动力矩的作用下冲击、振动以及对电机主轴的脉动激振问题将不可避免的发生，造成轮齿点蚀、磨损，齿轮箱寿命下降，部分零部件提前老化等问题。风电机组高速轴刹车存在的问题，成为近年来风电机组刹车系统研究的热点问题，为了降低或克服上述问题，需要一种用于风电机组高速轴制动的柔性刹车装置，提高刹车效率、机组运行寿命、降低制造及维护成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种刹车效率高、制造及维护成本低的柔性刹车装置。为实现上述目的，本发明提供了一种风电机组磁触变柔性刹车装置，其特征在于，包括法兰支架、制动轮、磁轭、共轭线圈绕组、连接磁轭、磁触变胶、以及密封装置，其中，所述法兰支架连接在所述磁轭上并固定到所述风电机组的机架上；所述制动轮与所述风电机组的传动主轴连接；所述磁轭与连接磁轭连接而形成线圈绕组腔，所述共轭线圈绕组安装在所述线圈绕组腔内；所述磁轭和所述连接磁轭的工作面与所述制动轮的工作面之间形成有磁隙，所述磁隙内填充有所述磁触变胶，且所述密封装置设置所述磁轭的工作面与所述制动轮的工作面之间；以及所述共轭线圈绕组通电时，激励所述磁触变胶使得所述磁触变胶发生流变成固体或类固体。优选地，所述制动轮由两个制动轮构成，两个所述制动轮组合形成一环形槽，所述环形槽用于容纳所述连接磁轭。优选地，所述连接磁轭为环状件，在环形外周壁上一体突出有用于将所述连接磁轭固定到所述磁轭的凸齿，在所述连接磁轭的外周壁与内周壁之间的两侧壁上还分别设有从两侧壁一体突出的两个环形壁，且所述磁轭上设有与所述凸齿配合的齿槽。优选地，所述磁轭包括对称布置在所述制动轮两侧的两个磁轭。本发明的一实施例中，所述制动轮由两个制动轮构成，两个所述制动轮组合形成 一环形槽，所述环形槽用于容纳所述连接磁轭；所述磁轭包括对称布置在所述制动轮两侧的两个磁轭；所述连接磁轭固定到所述两个磁轭，并同时插入所述环形槽，在所述连接磁轭与所述两个磁轭之间形成有两个用于容纳所述共轭线圈绕组的所述线圈绕组腔；以及所述两个磁轭和所述连接磁轭与所述两个制动轮之间有磁隙，所述磁隙中填充有所述磁触变胶。优选地，所述制动轮的圆柱工作面上均匀地对称分布有大沟槽和小沟槽，所述大沟槽和小沟槽用于容纳所述磁触变胶，且所述大沟槽还用于磁路导向。优选地，在所述连接磁轭和所述磁轭与所述制动轮之间形成有多对工作面，所述多对工作面包括一对圆柱工作面、两对端面工作面和两对槽工作面；且所述密封装置在所述两对端面工作面之间。优选地，所述多对工作面中每对工作面之间形成的磁隙间距为O. 8mm至2. Omm之间，所述磁触变胶密闭在所述磁隙中；更优选地，所述多对工作面中每对工作面之间形成的磁隙间距为I. 2mm。优选地，所述密封装置包括内层密封和外层密封，所述内层密封采用硅橡胶圈，且所述外层密封采用毛毡圈。优选地，所述共轭线圈绕组通过所述连接磁轭上的线路孔连接到外部电源和控制器。本发明还提供了一种风电机组，该风电机组包括了上述的磁触变柔性刹车装置。本发明的风电机组磁触变柔性刹车装置中，采用新型软磁性功能材料磁触变胶作为工质，磁触变胶在电磁场激磁作用下，其粘度可以在毫秒之间发生改变，从而使磁触变胶从胶体存在状态变成固体或类固体状态，显著增强了抵抗机械变形的能力，瞬间增大了工作阻尼，这种随磁场变化的阻尼力连续均匀的作用于制动轮工作面上，形成柔性刹车的阻力矩，当磁场消失，磁触变胶又恢复原来的胶体状态，且剩磁致阻尼小，刹车释放。磁触变胶的胶体状态使其能够均匀的分布在磁隙内，不像固体磁粉或磁流变液那样受重力影响而沉积在壳体底部，随负载的变形协调能力好，工作可靠。而且避免了传统机械刹车刚性接触制动所引起的齿轮箱振动冲击、造成轮齿损坏的问题，有效提高了齿轮箱寿命，降低风机运营成本。此外，通过巧妙的结构设计，即在制动轮之间形成多对工作面，使得与传统的风电机组刹车装置相比，在达到同样的制动力情况下，本发明的刹车装置的体积大大降低，由此进一步降低了生产成本。
图I是本发明的风电机组磁触变柔性刹车装置的一实施例的结构侧视图；图2是图I的刹车装置的正视图，局部剖切以示出内部结构；图3和图4是图I中的刹车装置的结构的局部放大剖视图；图5是图I的剖切线A-A剖切的刹车装置的结构的剖视图，为清楚起见，仅示出1/4结构。附图标记说明 I轴承盖；2法兰支架；3磁轭；4硅橡胶圈；5共轭线圈绕组；6连接磁轭；7磁触变胶；8磁轭；9导线；10接线柱；11毛毡圈；12制动轮；13主轴；14轴承；15大沟槽；16小沟槽；17减重圆孔；18齿槽；61凸齿；62、63环形壁。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。图中相同或相似的部分采用相同的附图标记表示。图1-5示出根据本发明的风电机组磁触变柔性刹车装置100的一个实施例的结构示意图。如图1-2所示，本实施例的风电机组磁触变柔性刹车装置100包括法兰支架2、磁轭3、共轭线圈绕组5、连接磁轭6、磁触变胶7、磁轭8、制动轮12。制动轮12与传动主轴13平键连接，并通过两端对称分布的阶梯轴承14将轴承支撑在法兰支架2上。主轴13的两端分别与风电机组中的齿轮箱输出端和电机主轴输入端(图中未不出)相连接。主轴13的轴承14安装位置呈对称布置，使大、小轴承14呈梯度承载分布，并通过轴承盖I及密封件进行密封。这里，齿轮箱、电机主轴13、轴承14、轴承盖I、以及制动轮12到主轴13的固定、轴承14的安装、法兰支架2的安装等均为现有技术或可以通过本领域普通技术人员已知的方式进行，在此不再详述。如图2所示，制动轮12包括左右两个制动轮，安装完成后，在两个制动轮12的中间形成有用于容纳连接磁轭6的环形槽(下文将更详细描述)。两个制动轮12轴向对称布置形成的圆柱工作面上均匀地对称分布有大沟槽15和小沟槽16。其中，小沟槽16既有对磁触变胶7的存储作用，使刹车工作时有足够的磁触变胶参与工作，又兼有当刹车指令终止时，刹车终止迅速响应的作用。而位于共轭线圈绕组5 (下文将更详细描述)下方的两个大沟槽15则除了容纳磁触变胶之外，还与法兰支架2共同形成磁路的导向功能，使绕共轭线圈绕组5的磁力线有效的穿过工作面之间的磁触变胶7，提高刹车效果，降低能耗。此外，制动轮12上还均布有减重圆孔17，如图5所示，以进一步降低整个刹车装置重量。参见图2以及图5，连接磁轭6为环状件，在环形外周壁上一体突出有用于将连接磁轭6固定到磁轭3和8的凸齿61,可根据风电机组的大小设置对应数量的凸齿61,本实施例中凸齿的数量为4个，但也可以设置诸如3个、5个、6个等适当数量的凸齿。此外，在连接磁轭6的外周壁与内周壁之间的两侧壁上还分别设有从侧壁一体突出的环形壁62和环形壁63，在环形壁62和环形壁63的顶部分别设有与磁轭3和磁轭8桥接的台阶。还如图2和图5所示，磁轭3和磁轭8亦为环形件，对称布置在制动轮12的两侧，并通过内螺栓36相互连接。在磁轭3和磁轭8上设有与连接磁轭6上的凸齿61配合的齿槽18。凸齿61与齿槽18配合使得连接磁轭牢牢地固定在磁轭3和磁轭8上。在磁轭3的面对连接磁轭6的一侧上一体延伸出与环形壁62配合的环形壁31，环形壁31上设有与环形壁62上的台阶配合的台阶。同样，磁轭8的面对连接磁轭6的一侧上也一体延伸出与环形壁63配合的环形壁81，环形壁81上也设有与环形壁63上的台阶桥接的台阶。法兰支架2通过螺栓连接在磁轭3和磁轭8上并固定到风电机组的机架上，且具有绝磁功能，较佳地，法兰支架2由钢、铝合铸组合件材料制成。 安装完成后，如图2-4所示，环形连接磁轭6通过凸齿61和齿槽18的配合而固定在磁轭中，同时，连接磁轭6的一部分容纳在由两个制动轮形成的环形槽中。这样，在磁轭3、磁轭8与制动轮12之间形成有用于容纳共轭线圈绕组5的环形线圈绕组腔。而且，在磁轭3、磁轭8、连接磁轭6与制动轮12之间有五对工作面，即，圆柱面工作面5a、两对端面工作面5b和5c、以及两对槽工作面5d和5e，如图3和图4所示。各对工作面之间形成有磁隙，磁隙中填充有磁触变胶7。较佳地，每对工作面之间的磁隙间距为O. 8_至2. Omm之间，更佳地磁隙间距为I. 2mm。此外，在两对端面工作面5b和5c上，设有密封装置，内层密封采用硅橡胶圈4，外层密封采用毛毡圈11，使磁触变胶7封闭在由各对工作面形成的磁隙中。密封装置可通过在磁轭3和磁轭8上设置环形密封沟槽，并将硅橡胶圈4和毛毡圈11植入密封沟槽中来实现。正常工作时，通过导线9和接线柱10与外部控制系统(诸如风电机组的控制装置)及电源相连接的励磁共轭线圈绕组5处于零磁场状态。此时，上述制动轮12圆柱面上的磁触变胶7为弱阻尼胶体状态，在高速离心力作用下与制动轮12圆柱面相脱离，制动轮12两端面及槽面上的磁触变胶7粘附在磁轭3及磁轭8的工作面上，制动轮12处于无阻尼自然工作状态。当控制系统接到刹车指令，共轭线圈绕组5进行励磁，磁轭3、磁轭8及连接磁轭6导向的磁力线穿过磁隙间的磁触变胶7，在磁场作用下，磁触变胶7发生流变成链柱状的固体或类固体，机械阻尼性能瞬间增强，磁轭3、磁轭8及连接磁轭6承受磁触变胶7流变传递的阻力矩作用，通过连接的法兰支架2将阻力传递给机舱机架，形成力的闭合回路，制动轮12受到阻力矩的作用，转速开始下降，柔性刹车进行。刹车结束后，断开电源，磁场消失，磁触变胶又恢复原来的胶体状态，且剩磁致阻尼小，刹车释放。上述实施例中，共轭线圈绕组5为由连接磁轭6隔离的一对绕组，线圈匝数相同，通电时，线圈内部电流方向相反，由此为阻力矩的产生提供足够的磁场强度，又使共轭线圈绕组5产生的反向磁场同向穿过连接磁轭6而不会造成磁场的相互削弱。上述实施例中，磁轭3、磁轭8以及连接磁轭6较佳地由软磁材料制成。本发明与传统的风电机组主传动刹车系统的机械刹车装置相比较，结构简单紧凑，刹车动力系统采用电流源替代了原液压系统，解决了液压系统重量大及液压油泄露及密封问题，有效降低了风电机组主传动刹车系统成本。采用磁触变胶在磁场下流变致阻尼的工作原理，使刹车过程成为胶状柔性阻尼逐渐增强变化的过程，避免了传统机械刹车刚性接触制动所引起的齿轮箱振动冲击、造成轮齿损坏的问题，有效提高了齿轮箱寿命，降低风机运营成本。此外，通过巧妙的结构设计，即在制动轮之间形成多对工作面，使得与传统的风电机组刹车装置相比，在达到同样的制动力情况下，本发明的刹车装置的体积大大降低，由此进一步降低了生产成本。最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。例如，此结构同样适用于垂直轴风电机组刹车系统。或者，用于风电机组的偏航系统的刹车，而且结构可以更加紧凑，可以有效降低或消除风电机组的机舱在偏航过程中振动冲击及齿轮啮合噪声问题。术语“工作面”指在本发明的刹车装置动作时，磁轭、连接磁轭和制动轮的对刹车起作用的表面。 另外，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种风电机组磁触变柔性刹车装置，其特征在于，包括法兰支架、制动轮、磁轭、共轭线圈绕组、连接磁轭、磁触变胶、以及密封装置，其中， 所述法兰支架连接在所述磁轭上并固定到所述风电机组的机架上； 所述制动轮与所述风电机组的传动主轴连接； 所述磁轭与所述连接磁轭连接而形成线圈绕组腔，所述共轭线圈绕组安装在所述线圈绕组腔内； 所述磁轭和所述连接磁轭的工作面与所述制动轮的工作面之间形成有磁隙，所述磁隙 内填充有所述磁触变胶，且所述密封装置设置所述磁轭的工作面与所述制动轮的工作面之间；以及 所述共轭线圈绕组通电时，激励所述磁触变胶使得所述磁触变胶发生流变成固体或类固体。
2.根据权利要求I所述的刹车装置，其特征在于所述制动轮由两个制动轮构成，两个所述制动轮组合形成一环形槽，所述环形槽用于容纳所述连接磁轭。
3.根据权利要求I所述的刹车装置，其特征在于所述连接磁轭为环状件，在环形外周壁上一体突出有用于将所述连接磁轭固定到所述磁轭的凸齿，在所述连接磁轭的外周壁与内周壁之间的两侧壁上还分别设有从两侧壁一体突出的两个环形壁，且所述磁轭上设有与所述凸齿配合的齿槽。
4.根据权利要求I所述的刹车装置，其特征在于所述磁轭包括对称布置在所述制动轮两侧的两个磁轭。
5.根据权利要求I所述的刹车装置，其特征在于 所述制动轮由两个制动轮构成，两个所述制动轮组合形成一环形槽，所述环形槽用于容纳所述连接磁轭； 所述磁轭包括对称布置在所述制动轮两侧的两个磁轭； 所述连接磁轭固定到所述两个磁轭，并同时插入所述环形槽，在所述连接磁轭与所述两个磁轭之间形成有两个用于容纳所述共轭线圈绕组的所述线圈绕组腔；以及 所述两个磁轭和所述连接磁轭与所述两个制动轮之间有磁隙，所述磁隙中填充有所述磁触变胶。
6.根据权利要求I或5所述的刹车装置，其特征在于所述制动轮的圆柱工作面上均匀地对称分布有大沟槽和小沟槽，所述大沟槽和小沟槽用于容纳所述磁触变胶，且所述大沟槽还用于磁路导向。
7.根据权利要求I或5所述的刹车装置，其特征在于在所述连接磁轭和所述磁轭与所述制动轮之间形成有多对工作面，所述多对工作面包括一对圆柱工作面、两对端面工作面和两对槽工作面；且所述密封装置在所述两对端面工作面之间。
8.根据权利要求7所述的刹车装置，其特征在于所述多对工作面中每对工作面之间形成的磁隙间距为O. 8mm至2. Omm之间，所述磁触变胶密闭在所述磁隙中。
9.根据权利要求7所述的刹车装置，其特征在于所述密封装置包括内层密封和外层密封，所述内层密封采用硅橡胶圈，且所述外层密封采用毛毡圈。
10.根据权利要求I或5所述的刹车装置，其特征在于所述共轭线圈绕组通过所述连接磁轭上的线路孔连接到外部电源和控制器。
11. 一种风电机组，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的刹车装置。
全文摘要
本发明公开了一种风电机组磁触变柔性刹车装置及风电机组。该刹车装置包括法兰支架、制动轮、磁轭、共轭线圈绕组、连接磁轭、磁触变胶、以及密封装置。其中，制动轮与风电机组的传动主轴连接。磁轭与连接磁轭连接而形成线圈绕组腔，共轭线圈绕组安装在线圈绕组腔内；磁轭和连接磁轭的工作面与制动轮的工作面之间形成磁隙，磁隙内填充有磁触变胶。共轭线圈绕组通电时，激励磁触变胶使得磁触变胶发生流变成固体或类固体，提高阻力。本发明的刹车装置避免了传统机械刹车刚性接触制动所引起的齿轮箱振动冲击、造成轮齿损坏的问题，有效提高了齿轮箱寿命，降低风机运营成本。
文档编号F16D65/14GK102661244SQ20121015093
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者吕宏展, 陈希良 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所