一种差动串接无级调速器的制作方法

本发明属于行星轮机构调速技术领域，具体涉及一种差动串接无级调速器。

背景技术：

风力发电机发电的发电转子转速必须恒定在标准高转速，而风机叶轮输出的是低的且随时变化的转动，这就必须找到将其转换为恒定的标准高转速的途径。人们已有的措施有双馈式发电机组、永磁直驱发电机组、以及半直驱发电机组等方法。双馈式发电机组技术最为成熟应用最广，但结构复杂，传动路线为叶轮、主轴、齿轮箱、发电机，其电路控制部分也最为复杂，机舱控制柜、并网变流器控制柜及轮毂变浆控制系统等；近几年来国内外出现了许多液压传动风力发电机的恒转速控制的研究与开发热度；实际上此种技术路线也必然有液压装置的麻烦。总之现有诸方法结构复杂，造价高，故障多，稳定性差。

机械无级调速有多种，但大多结构复杂，采用摩擦传动是常见的，如摩擦轮，汽车的V型带传动等，机械无级调速应用功率不大，效率也不高。行星差动调速是新近产生的调速技术。通常差动无极调速是将两个旋转运动合成一个运动，通常所述无级调速是在其动力源的转速恒定条件下再加一特殊的调控速度。而风力发电机发电的动力源是随时可变的低速大扭矩转动，此工况与现有行星差动调速机构的应用条件并不相同,因此通常所述差动无级调速无法解决风力发电的输出变速转化为发电同步转速困难；传统的调速是必须获得控制信号后再由控制机构调整速度,这也就是说对于风力发电必须采取跟踪风速变化的措施。采取跟踪风速变化在工程技术上必然有产生许多的麻烦。

技术实现要素：
：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种差动串接无级调速器，使用寿命长，稳定性高。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种差动串接无级调速器，包括调速壳体，还包括用于获取输入转速的易变转速轮、用于获取输入转速的设定转速轮，和用于输出具有设定转速及易变转速功率的同步转速轮，用于连接易变转速轮和设定转速轮的输入传动机构，以及输出传动机构，输入传动机构包括输入传动轮、输入中心轮、输入行星轮和输入行星架，输出传动机构包括输出传动轮、输出中心轮、输出行星轮和输出行星架；

输入行星轮与输入中心轮的传动比等于输出行星轮与输出中心轮的传动比相等，输入传动轮与输入行星轮的传动比等于输出传动轮与输出行星轮的传动比。

较佳地，输入行星轮与输出行星轮的齿轮模数、齿数相等，输入中心轮与输出中心轮的齿轮模数、齿数相等，输入传动轮和输出传动轮的齿轮模数、齿数相等。

较佳地，设定转速轮连接输入传动轮，同步转速轮连接输出传动轮，输入传动轮与输出传动轮之间断开；易变转速轮连接输入中心轮，易变转速轮或通过行星架连接输入行星轮，输入中心轮与输出中心轮连接，输入行星轮与输出行星轮通过行星轮轴连接在一起。

较佳地，设定转速轮连接输入行星架，同步转速轮连接输出行星架，输入行星架与输出行星架之间断开；易变转速轮连接输入中心轮或输入传动轮，输入中心轮与输出中心轮连接，输入传动轮与输出传动轮连接。

较佳地，设定转速轮连接输入中心轮，同步转速轮连接输出中心轮，输入中心轮与输出中心轮间同轴线，输入中心轮与输出中心轮不连接；易变转速轮连接输入行星架或输入传动轮，输入行星架与输出行星架连接，输入传动轮与输出传动轮连接。

较佳地，还包括设置在设定转速轮和电机齿轮之间的减速装置，以及连接于同步转速轮之间的增速装置。

较佳地，输入传动轮包括输入传动内齿轮或输入传动外齿轮，输出传动轮包括输出传动内齿轮或输出传动外齿轮。

较佳地，还包括行星轮轴向浮动平衡结构，浮动平衡结构包括以输入行星轴为轴心设置的轴向轴承、轴向弹簧和轴向螺块，在输入传动轮的上下两端分别设置轴向轴承，轴向轴承外设有轴向弹簧，轴向弹簧外设有轴向螺块。

本发明的有益效果在于：差动串接无级调速器在风速变化下实现输出到发动机转子的转速恒定为标准转速，与现有的双馈式发电机组、永磁直驱发电机组、以及半直驱发电机组等方法相比造价低性能高，使用寿命很长可靠。

差动串接无级调速器无论风速如何变化都不需要跟踪设置，这是不同于传统的风力发电技术，不同于已有的差无级调速器，这不仅省去了复杂的跟踪设置，降低了成本，也简化了技术管理，还增大了设备的可靠性、平稳性及寿命。

齿轮及行星传动是广泛应用的机械，造价低廉可靠。风力发电机地处环境恶劣，在缺少管理维修的工况下应用行星齿轮传动正是恰逢其长。

差动串接无级调速器不单可用于水平轴风力发电机，也可用于立轴式风力发电机，对大中小功率都适用。

差动串接无级调速器的设定功率可以很小，可以易于实施调速，且调定后的速度稳定，这可使其在大中小传动功率下远程自动控制，可以推广应用到车、船及其他工程应用需要的地方。可以将差动串接无级调速器标准化系列化的器件供需选用。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的横截面剖视图；

图3为本发明实施例二的结构示意图；

图4为本发明实施例三的结构示意图；

图5为本发明实施例四的结构示意图；

图6为本发明实施例五的结构示意图；

图7为本发明的行星轮轴向浮动平衡结构示意图；

图8为本发明实施例七的结构示意图

图中：调控电机1，电机齿轮2，设定转速轮3，易变转速轮4，轮间连接件5，同步转速轮6，输出连接件7，输入中心轮8，输入行星轮9，输入传动轮10，输出中心轮11，输出行星轮12，输出传动轮13，中心轮长轴14，输入中心轴15，输出中心轴16，行星轮长轴17，输入行星轴18，输出行星轴19，内齿连接件20，输入行星架21，输出行星架22，支架轴承23，调速壳体24，增速输出轮25，增速装置26，减速装置27，行星轴轴承28，中心轴承29，传动轮轴承30，架间筋板31，风叶转动轮32，输入传动外齿轮10.1，输出传动外齿轮13.1，轴向轴承33，轴向弹簧34，轴向螺块35。

具体实施方式

调速结构及工作原理过程如下：

差动串接无级调速器，主要由有输入级及输出级差动行星机构，还包括调速壳体，还包括用于获取输入转速的易变转速轮、用于获取调控电机转速的设定转速轮，和用于输出经调速之后转速的同步转速轮；设定转速轮与调控电机的电机齿轮连接件等。

设定转速轮的转动与易变转速轮的转动输入传动输入到输入行星差动调速机构后将其合成运动输入到输出行星差动调速机构中。这种合成运动包括其一是设定转速轮与易变转速轮二者的转动功率，其二是合成运动向输出行星差动调速机构输出具有某一数值变速比的回转运动，其三是易变转速轮同时也可以向输出行星差动调速机构输入与其相同的易变回转运动；在输出行星差动调速机构中获得上一级的合成回转运动的全部或部份及易变转速轮的回转运动后也产生新的合成运动向同步转速轮输出；由于两级行星差动调速机构分别有相同的齿轮传动比，两级间的传动比正好是逆向传动，也即输入行星差动调速机构产生的传动比与输出行星差动调速机构产生的传动比互为倒数，这样在设定转速轮与同步转速轮间的总传动比为1，也即是同步转速轮获得了在设定转速轮与易变转速轮功率的同时，其转速只受设定转速轮控制，同步转速轮的转速始终与设定转速轮转速相同，与易变转速轮的变速无关。

作用力和减速及增速：

由于行星轮上与中心轮及传动轮间的作用力是2：1的关系，尽管在设定转速轮上可以由恒转速动力源驱动,但当输入功率过小时,其驱动扭矩难以平衡易变转速轮的扭矩。为此，可在设定转速轮和电机齿轮之间的的转动输入前设置减速装置增大平衡扭矩，以及可在同步转速轮与输出级行星差动调速机构之间的设置增速装置。

内齿轮及外齿轮的特征：传动齿轮采用内齿轮全机整体轴向尺寸小，径向尺寸大，且轴承尺寸也大，内齿轮制造难度大，制造斜内齿轮更困难，传动齿轮采用外齿轮时则全机整体轴向尺寸长，而径向尺寸小，且外直齿轮及斜齿轮均易于制造，斜齿轮传动平稳。本输入传动轮既可以是内齿轮也可以外齿轮。

在所述设定转速轮(3)和易变转速轮(4)所产生的合成转动能完全地输出到驱动同步转速轮条件下和可以完全满足齿轮传动弯曲接触强度时，易变转速轮(4)相连接的转动构件可以只设置到输入行星差动机构内。

浮动平衡机构：较佳地，在行星差动调速机构是斜齿轮时行星轮轴向可设计浮动平衡结构，浮动平衡结构包括以输入行星轴为轴心设置的轴向轴承、轴向弹簧和轴向螺块，在输入传动轮的上下两端分别设置轴向轴承，轴向轴承外设有轴向弹簧，轴向弹簧外设有轴向螺块；多个行星轮的浮动结构简单，可以有效补偿各齿轮的制造安装误差，改善传动质量，调整轴向螺块可调整轴向弹力。

本发明主要特征之一在于输入级齿轮间的传动比与输出级齿轮间的传动比均对应相等，较佳地是输入行星轮9和输出行星轮12的齿轮模数、齿数及中心距相同，输入中心轮8和输出中心轮11的齿轮模数、齿数及中心距相同，输入传动轮10和输出传动轮13的齿轮模数、齿数及中心距相同。

当输入级中内齿轮连接设定转速轮3时，易变转速轮4既可以连接输入级中的行星架，也可以连接输入级中的中心轮，而同步输出轮则连接输出级中的内齿轮。

当输入级中行星架连接设定转速轮3时，易变转速轮4既可以连接输入级中的内齿轮，也可以连接输入级中的中心轮，而同步输出轮则连接输出级中的行星架。

当输入级中中心轮连接设定转速轮3时，易变转速轮4既可以连接输入级中的内齿轮，也可以连接输入级中的行星轮，而同步输出轮则连接输出级中的中心轮。

差动行星传动有三个回转轴，当设定转速轮选择其中之一回转轴联接时，易变转速轮便还有2种联接方式，这样仅联接方式便有六种。而传动轮又有内齿轮及外齿轮两种结构，这样便有十二传动形式。考虑减速及增速还会有定轴及行星等多种，则无级调速传动形式便会有几十种，而各种排列组合的基本结构大体相同。

本发明的一种差动串接无级调速器包括调速壳体24，还包括用于获取输入转速的易变转速轮4、用于获取调控电机1转速的设定转速轮3，用于接收易变转速轮4和设定转速轮3的转速的输入传动机构，和接收输入传动机构传递过来的转速，并将转速输出的输出传动机构，输入传动机构包括输入传动轮10、输入中心轮8、输入行星轮9和输入行星架21，输出传动机构包括输出传动轮13、输出中心轮11、输出行星轮12和输出行星架22；

输入行星轮9和输出行星轮12的传动比相同，输入中心轮8和输出中心轮11的传动比相同，输入传动轮10和输出传动轮13的传动比相同。

作为一种优选的方式，输入行星轮9和输出行星轮12的齿轮模数和齿轮齿数相同，输入中心轮8和输出中心轮11的齿轮模数和齿轮齿数相同，输入传动轮10和输出传动轮13的齿轮模数和齿轮齿数相同。

作为一种优选的方式，输入行星轮9和输出行星轮12的中心距相同，输入中心轮8和输出中心轮11的中心距相同，输入传动轮10和输出传动轮13的中心距相同。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例一

如图1至图2所示调速壳体24，易变转速轮4、用于获取调控电机1转速的设定转速轮3，和用于输出具有设定转速轮及易变转速轮二者输入功率且转速等于设定转速的同步转速轮6；易变转速轮4上输入的转速易变的功率。

当设定转速轮3与调控电机1的电机齿轮2连接，设定转速轮3的转动依次通过输入传动轮10、输入行星轮9；易变转速轮4、输入中心轮8啮合输入行星轮9；输入行星轮9在二个输入转动下产生了自转和公转，公转运动经行星轴轴承28行星轮长轴17传至输入行星架21，再经架间筋板31和输出行星架22传回到行星轮长轴17，在行星轮长轴17作用下，使输出行星轮12产生公转，固定在中心轮长轴14上的输出中心轮11啮合输出行星轮12，使输出行星轮12产生自转，输出行星轮12的自转和公转下啮合输出传动轮13，输出传动轮13输出连接件7连接同步转速轮6。

图1中输出传动轮13通过输出连接件7连接同步转速轮6，设定转速轮3通过轮间连接件5连接输入传动轮10。输入行星轮9和输出行星轮12分别设置在行星轮长轴17的两端，行星轮长轴17通过输入行星架21和输出行星架22支撑。输入行星架21和输出行星架22之间设有架间筋板31。

本实施例中的输入传动轮10为输入传动内齿轮，与输出传动轮13同轴安装，但两者间是断开联接的。

每个输入行星轮9与输出行星轮12都有相同的齿轮模数、齿数、中心距等齿轮参数，并每二个一组地固定在行星轮长轴17上。输入行星架21也即输入级的行星轮架，输入行星架21也即输入级的行星轮架。行星轮长轴17由行星轴轴承28支承，行星轴轴承28安装在输入行星架21及输出行星架22上。输入行星架21及输出行星架22经支架轴承23支承在调速壳体24内，支承行星轮轴及可回转的结构通常称作为行星架。在图1中输入及输出行星差动机构的输入行星架21及输出行星架22的回转是通过行星轮长轴17驱动；易变转速轮4固定在中心轮长轴14上，中心轮长轴14由中心轴承29支承回转，中心轴承29安装在输入行星架21及输出行星架22上，输入中心轮8及输出中心轮11固定在中心轮长轴14上；输入传动内齿轮支承在传动轮轴承30上，传动轮轴承30安装在调速壳体24内。调控电机1安装在调速壳体24的外壳上，其轴上固定电机齿轮2，电机齿轮2与设定转速轮3相啮合，设定转速轮3经轮间连接件5与输入传动轮10连接，输入传动内齿轮10由传动轮轴承30支承，传动轮轴承30安装在调速壳体24内。当风力发电机的转动叶轮连接易变转速轮4后，易变转速轮4经中心轮长轴14带动输入中心轮8和输出中心轮11转动；调控电机1的转动驱动电机齿轮2及设定转速轮3转动，设定转速轮3的转动经轮间连接件5再驱动内齿轮输入传动齿轮10转动。在输入中心轮8和输入传动齿轮10转动的双重输入作用下，输入行星轮9的运动是二者的合成，即其功率是二者功率之和，转速是二者驱动下的行星自转和公转。输入行星轮9公转经行星轮长轴17使输入和输出行星架22同样转动。由于输入中心轮8和输出中心轮11转动转速相同，由于输入和输出的齿轮参数相同，从输入传动齿轮10到输入行星轮9的传动比与从输出行星轮12到输传动轮13的传动比互为倒数，因从输入中心轮8到输入输入行星轮9的传动比也是从输出行星轮12到输出中心轮11传动比的倒数。此即是从设定转速到输入级产生的速比与从输入级的输出到同步转速的速比互为倒数。并且同步转速轮6获得设定转速轮3和易变转速轮4二者的输入功率之和，而且同步转速轮6的转动转速始终与设定转速轮3相等。

图2是图1作A-A剖视，图中有输入传动齿轮10，输入中心轮8多个输入行星轮9，调控电机1及调速壳体24。

实施例二

如图3所示，图3为本发明实施设定转速联接行星轮架，易变转速轮4经中心轮长轴14联接输入中心轮8，传动轮为内齿轮时的结构示意图，输入行星架21与输出行星架22断开。

设定转速轮3与易变转速轮4输入到输入级后其合成运动经输入传动轮10驱动输出传动轮13。输出级在传动轮13与输出中心轮11的联合作用下，如前所述理由，行星架22和同步转速轮6的转动功率是调控电机1和易变转速轮4二者的功率之和，其转速是设定转速轮3的转速。本实施例的基本结构与实施例一相同，主要区别在于：本实施例中输入传动轮10与输出传动轮13通过内齿连接件20直接连接；输入行星轮9经行星轴轴承28支承在输入行星轴18上，设定转速轮3与输入行星架21上的多个输入行星轴18连接，同步转速轮6与输出行星架22上的多个输出行星轴19连接。

调控电机1的动力经电机齿轮2输出到设定转速轮3，所述设定转速轮的转速依次经过输入行星架21、输入行星轴18、行星轴轴承28传递到输入行星轮9；易变转速轮4接收风力发电机叶轮驱动的风叶转动轮传递过来的动力，易变转速轮4的转速经中心轮长轴14、输入中心论8传递到输入行星轮9；输入行星轮9在设定转速轮3和易变转速轮4的共同作用下产生自转和公转，并啮合到输入传动轮10。

输入传动轮10的转速依次经过内齿连接件20、输出传动轮13、输出行星轮12。易变转速轮4的转速依次经过中心轮长轴14、输出中心轮11、输出行星轮12。

输出行星轮12在前述两个输入转动作用下发生自转和公转，经行星轴轴承28、输出行星轴19、传递到同步转速轮6；

实施例三

如图4所示为设定转速轮3联接输入中心轮，易变转速轮4联接输入传动齿轮10时的结构示意图；输入中心轮8和输出中心轮11断开联接。如前所述理由，输出中心轮11和同步转速轮6的获得转动功率是调控电机1和易变转速轮4二者的功率之和，其转速与设定转速轮3的转速相等。

本输入中心轮8与输入中心轴15固定连接，经中心轴承29安装在输入行星架21上；同步转速轮6与输出中心轮11均固定设置在输出中心轴16上，经中心轴承29安装在输出行星架22上；风力发电机叶轮驱动的风叶转动轮32与易变转速轮4相啮合，易变转速轮4与轮间连接件5相连并固定输入传动齿轮10上；电机齿轮2与设定转速轮3相啮合，设定转速轮3固定在输入中心轴15上。

调控电机1的动力经电机齿轮2输出到设定转速轮3，设定转速轮3的转速依次经过输入中心轴15与输入中心论8固接输入中心轮8与输入行星轮9相啮合，风叶转动轮32的动力传递到易变转速轮4，易变转速轮4的转动依次经轮间连接件5、输入传动轮10也与输入行星轮9相啮合。输入行星轮9在两个输入转动作用下产生自转及公转，其公转经行星轴轴承28、行星轮长轴17输入行星架21及输出行星架22，经行星轴轴承28传递到输出行星轮12上；易变转速轮4经内齿连接件20、输出传动轮13到与输出行星轮12相啮合，输出行星轮12在两个输入转动作用下产生自转及公转，其合成转动再啮合驱动输出中心轮11，经输出中心轴16传递到同步转速轮6，同步转速轮6获得调控电机1和易变转速轮4二者的功率之和，其转速是设定转速轮3的转速。

实施例四

如图5所示，在设定转速轮3和电机齿轮2之间有减速装置27，在同步转速轮6之间的增速装置26。调控电机1上的电机齿轮2连接减速装置27的输入齿轮，减速装置27的输出齿轮连接设定转速轮3，增速装置26的输入齿轮连接所述同步转速轮6，增速装置26的增速输出轮25用于输出调速后的转速。上述调控电机1的功率很小，经减速装置27减速后，输入传动内齿轮上的扭力可以大于行星架的扭力，而增速装置26使得增速输出轮25的转速增高。

调控电机1是恒转速电动机。调控电机1的动力经电机齿轮2输出减速装置27的输入齿轮，减速之后的动力经减速装置27的输出齿轮传递到设定转速轮3后，经过发生与如图1相同的串接差动传动，同步转速轮6产生了与设定转速轮3相等的转速。而为了产生与行星轮上相匹配的扭矩，设定转速轮3的转速是经减速装置27输入的低转速大扭矩,则再在同步转速轮6之后采用增速装置26增速则增速输出轮25可获得具有设定转速轮3与易变转速轮4功率之和的达到应用需要的高速。

实施例五

图6中有输入传动外齿轮10.1及输出传动外齿轮13.1。设定转速轮3联经输入行星架21至输入行星轴18至行星轴轴承28至联接输入行星轮9至输入传动外齿轮10.1，易变转速轮4经中心轮长轴14联接输入中心论8并与输入行星轮9相啮合，再与齿轮10.1相啮合，传动外齿轮10.1上的输入行星轮9输入的合成运动再直接传输到输出传动外齿轮13.1，输出传动外齿轮13.1经易变转速轮4经中心轮长轴14联接联接输出中心轮11，输出中心轮11再与输出行星轮12相啮合，输出行星轮12在两个输入的回转运动作用下发生自转和公转，其公转经经行星轴轴承28传至输出行星轴19，输出行星轴19联接输出行星架22传动到同步转速轮6。

在图3中，输入传动轮10是内齿轮，输出传动轮13也是内齿轮，本实施五例中，输入传动外齿轮10.1是外齿轮，输出传动外齿轮13.1也是外齿轮，如图6所示。本实施例五与图3实施例二类似，其区别在于本实施例五中的传动齿轮是圆柱外齿轮，实施例二的传动齿轮是圆柱外内齿轮。

圆柱外齿轮比圆柱内齿轮不单是制造工艺性好，调速器径向尺寸小，轴承尺寸小，还有易于设计斜齿结构，这使得传动平稳，易于将行星轮设计成优良的轴向浮动平衡结构，其缺点是轴向尺寸大。

实施例六

如图7所示，作为对上述方案的一种改进，在行星差动调速机构是斜齿轮时的行星轮轴向浮动平衡结构，浮动平衡结构包括以输入行星轴18或19、轴向轴承33、轴向弹簧34和轴向螺块35，在输入传动轮10.1的两端分别设置轴向轴承33，轴向轴承33外设有轴向弹簧34，轴向弹簧34外设有轴向螺块35。同样的在输出传动轮13.1的两端也可以设置同样的轴向浮动平衡结构。多个行星轮的浮动结构简单，可以有效补偿各齿轮的制造安装误差，改善传动质量，调整轴向螺块可调整轴向弹力。

轴向轴承33在轴向支承圆柱外齿轮。在采用斜齿轮时，当圆柱外齿轮也传动不平衡时，斜齿轮上的不平衡力，轴向弹簧34的弹力推圆柱外齿轮轴向位移使之趋向平衡，调整轴向螺块35可使圆柱外齿轮轴向定位合适及浮动平衡力的大小。当传动发生误差时，齿轮上的径向力会发生变化，结果其轴向力也会发生变化。当传动误差使轴向力增大时，则轴向弹簧34被压缩，斜齿轮轴向移动，减小啮合接触程度，反之则增大啮合接触程度。调轴向螺块35可调节弹力大小。设置行星轮轴向浮动平衡结构可以改善传动质量。

实施例七

如图8所示是在在所述设定转速轮(3)和易变转速轮(4)所产生的合成转动能完全地输出到驱动同步转速轮条件下和可以完全满足齿轮传动弯曲接触强度时的实施例，该结构是实施例三即图4基础上将易变转速轮(4)相连接的转动构件可以只设置到输入行星差动机构内。采用该种结构省去了输出传动轮13构件，减少零件结构，降低成本。

实施例七与上述其他实施例的结构基本相同，其主要区别在于：在设定转速轮和易变转速轮所产生的合成转动能完全地输出到驱动同步转速轮条件下和可以完全满足齿轮传动弯曲接触强度时，易变转速轮相连接的转动构件可以只设置到输入行星差动机构内，而输出行星差动机构内无与易变转速轮相连接的转动构件。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。