专利名称：两叶片或三叶片小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构的制作方法
技术领域：
本发明为两叶片或三叶片小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，是小型风力
发电机的关键传动机构之一，属于机械传动领域。
背景技术：
近年来，随着世界范围内对环境保护、全球温室效应的重视，各国都竞相发展包括风能在内的可再生能源的利用技术，将风能作为可持续发展的能源政策中的一种选择。
风能是由于具有质量的空气流动所产生的能量。风力发电机的气动理论是由德国的贝兹(Betz)于1926年第一个建立的。Betz假设风力发电机的风轮是理想的，在这种理
想状态下，风力发电机的理论最大效率
ri " 0. 593 这说明风力发电机从自然风中所得到的能量是有限的，其功率损失部分可以解释
为留在尾流中的旋转动能。因此，风力发电机的实际风能利用系数Cp < 0. 593。 风能利用系数Cp的物理意义主要指风力发电机的风轮能够从自然风中获得的能
量与风轮扫掠面积内的未扰动气流所含风能的百分比，艮卩 式中P为风力发电机实际获得的输出功率；P为空气密度；S为风轮的扫掠面积；v为风速。 风力发电机的理论最大风能利用系数Cp为0.539，对实际使用的风力发电机来说，Cp越大表示风力发电机的效率越高。Cp不是一个常数，它随风速、风力发电机转速以及风力发电机叶片参数，如桨矩角等而变化。 小型风力发电机中的变桨矩是指安装在轮毂上的叶片，可以借助机构或控制技术改变其桨距角的大小。 一旦桨距角能够随风速的大小而进行自动调节，就可以尽可能多的捕获风能，多发电，又可以在高风速时段保持输出功率平稳，不致引起异步发电机的过载，还能在风速超过切出风速时通过顺桨(叶片的几何攻角趋于零升力的状态)防止对风力机的损坏。总之，风力发电机上叶片变桨矩的目的就是通过调节桨矩可使Cp在额定风速下具有较大的值，从而得到较高的输出功率；超过额定风速后，通过改变桨矩减少Cp，使输出功率保持在额定值附近。 目前，由于变桨机构的结构复杂、故障率高、成本贵，通常仅在千瓦或兆瓦级风力发电机中使用。本发明中小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构主要利用面齿轮传动技术解决小型风力发电机中应用变桨机构的问题。
发明内容
本发明为两叶片或三叶片小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，主要解决现
有变桨机构的结构复杂、故障率高、成本贵，且无法在小型风力发电机中应用的问题。
小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构主要可以分为两叶片和三叶片型。
—种两叶片小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，其特征在于
由面齿轮、第一叶片推动圆柱齿轮、第一叶片轴、第二叶片推动圆柱齿轮、第二叶片轴组成； 其中第一叶片推动圆柱齿轮和第二叶片推动圆柱齿轮的轴线共线，且和面齿轮的轴线与正交； 其中第一叶片推动圆柱齿轮安装在第一叶片轴上，第二叶片推动圆柱齿轮安装在第二叶片轴上； 其中第一叶片推动圆柱齿轮和面齿轮的传动比i21与第二叶片推动圆柱齿轮和面齿轮的传动比151相等； —种三叶片小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，其特征在于 由面齿轮、第一叶片推动圆柱齿轮、第一叶片轴、第二叶片推动圆柱齿轮、第二叶
片轴、第三叶片推动圆柱齿轮、第三叶片轴组成； 其中第一叶片推动圆柱齿轮、第二叶片推动圆柱齿轮和第三叶片推动圆柱齿轮的轴线处于同一平面内，且相互之间的夹角为120° ，面齿轮的轴线与上述平面垂直；
其中第一叶片推动圆柱齿轮安装在第一叶片轴上，第二叶片推动圆柱齿轮安装在第二叶片轴上，第三叶片推动圆柱齿轮安装在第三叶片轴上； 其中第一叶片推动圆柱齿轮和面齿轮的传动比i21与第二叶片推动圆柱齿轮和面齿轮的传动比i51以及第三叶片推动圆柱齿轮和面齿轮的传动比i81相等。
本发明结构简单、故障率低、成本低，适用于小型风力发电机。
图1为2片叶片的面齿轮传动变桨矩机构原理图，其中图1-1为主视图，图1-2为左侧局部剖视图。 图2为3片叶片的面齿轮传动变桨矩机构原理图，其中图2-1为主视图，图2-2为左侧局部阶梯剖视图。 图中的标号名称l.面齿轮、2.第一叶片推动圆柱齿轮、3.第一叶片轴、4.第一叶片、5.第二叶片推动圆柱齿轮、6.第二叶片轴、7.第二叶片、8.第三叶片推动圆柱齿轮、9.第三叶片轴、10.第三叶片。
具体实施例方式
采用2片叶片的小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，如图1所示。其构成的设备组成如下 由面齿轮1输入运动，面齿轮1同时和第一叶片推动圆柱齿轮2以及第二叶片推动圆柱齿轮5啮合，推动第一叶片推动圆柱齿轮2和第二叶片推动圆柱齿轮5转动；第一叶片推动圆柱齿轮2和第一叶片4均安装在第一叶片轴3上，第二叶片推动圆柱齿轮5和第二叶片7均安装在第二叶片轴6上；通过第一叶片推动圆柱齿轮2的转动带动第一叶片4运动，通过第二叶片推动圆柱齿轮5的转动带动第二叶片7运动；最终实现2片叶片的变桨矩运动。
安装中，要求第一叶片推动圆柱齿轮2的回转轴线与第二叶片推动圆柱齿轮5的回转轴线共线；面齿轮1的回转轴线与上述2圆柱齿轮的回转轴线正交。
采用3片叶片的小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，如图2所示。其构成的设备组成如下 由面齿轮1输入运动，面齿轮1同时和第一叶片推动圆柱齿轮2、第二叶片推动圆柱齿轮5以及第三叶片推动圆柱齿轮8啮合，推动第一叶片推动圆柱齿轮2、第二叶片推动圆柱齿轮5和第三叶片推动圆柱齿轮8转动；第一叶片推动圆柱齿轮2和第一叶片4均安装在第一叶片轴3上，第二叶片推动圆柱齿轮5和第二叶片7均安装在第二叶片轴6上，第三叶片推动圆柱齿轮8和第三叶片10均安装在第三叶片轴9上；通过第一叶片推动圆柱齿轮2的转动带动第一叶片4运动，通过第二叶片推动圆柱齿轮5的转动带动第二叶片7运动，通过第三叶片推动圆柱齿轮8的转动带动第二叶片10运动；最终实现3片叶片的变桨矩运动。 安装中，要求第一叶片推动圆柱齿轮2的回转轴线、第二叶片推动圆柱齿轮5和第三叶片推动圆柱齿轮8的回转轴线共面，且相互之间的夹角为120° ;面齿轮1的回转轴线与上述3圆柱齿轮的回转轴线所在平面垂直。
为了实现面齿轮传动的变桨矩机构，必须满足以下条件 1.对于2叶片的变桨机构，第一叶片推动圆柱齿轮2和面齿轮1的传动比i21与第二叶片推动圆柱齿轮5和面齿轮1的传动比i51相等，即
i21 = i51 2.对于3叶片的变桨机构，第一叶片推动圆柱齿轮2和面齿轮1的传动比i21与第二叶片推动圆柱齿轮5和面齿轮1的传动比i51以及第三叶片推动圆柱齿轮8和面齿轮l的传动比181相等，艮卩
i21 = i51 = i81 满足传动比要求条件下，2片叶片或3片叶片面齿轮传动的变桨矩机构设计步骤
1.确定单叶片上的扭矩，计算输入扭矩，假设单叶片上扭矩为TD，叶片数为n，传动比为i，则输入扭矩T为
T = inTD 2.确定齿轮传动的几何参数；
3.进行结构设计。
实施例一 已知输入扭矩，取叶片数为2，面齿轮1和第一叶片推动圆柱齿轮2以及第二叶片推动圆柱齿轮5的传动比112 = 115=1/3，模数!11=1，压力角a =20° ，面齿轮l的齿数Zl = 51，第一叶片推动圆柱齿轮2的齿数z2 = 17，第二叶片推动圆柱齿轮5的齿数与圆柱齿轮2的齿数相同。
实施例二 已知输入扭矩，取叶片数为3，面齿轮1和第一叶片推动圆柱齿轮2、第二叶片推动圆柱齿轮5以及第三叶片推动圆柱齿轮8的传动比i12 = i15= i18= 1/5，模数m二2，压力角a =22.5° ，面齿轮1的齿数21 = 90，第一叶片推动圆柱齿轮2的齿数22 = 18，第二叶片推动圆柱齿轮5和第三叶片推动圆柱齿轮8的齿数与第一叶片推动圆柱齿轮2的齿数
5相同。 总之，根据图1和图2可知，由面齿轮1驱动第一叶片推动圆柱齿轮2和第二叶片推动圆柱齿轮5或者驱动第一叶片推动圆柱齿轮2、第二叶片推动圆柱齿轮5和第三叶片推动圆柱齿轮8转动，从而实现第一叶片推动圆柱齿轮2带动第一叶片4的变桨矩运动、第二叶片推动圆柱齿轮5带动第一叶片7的变桨矩运动以及第三叶片推动圆柱齿轮8带动第三
叶片io的变桨矩运动。
权利要求
一种两叶片小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，其特征在于由面齿轮(1)、第一叶片推动圆柱齿轮(2)、第一叶片轴(3)、第二叶片推动圆柱齿轮(5)、第二叶片轴(6)组成；其中第一叶片推动圆柱齿轮(2)和第二叶片推动圆柱齿轮(5)的轴线共线，且和面齿轮(1)的轴线与正交；其中第一叶片推动圆柱齿轮(2)安装在第一叶片轴(3)上，第二叶片推动圆柱齿轮(5)安装在第二叶片轴(6)上；其中第一叶片推动圆柱齿轮(2)和面齿轮(1)的传动比i21与第二叶片推动圆柱齿轮(5)和面齿轮(1)的传动比i51相等；
2. —种三叶片小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，其特征在于由面齿轮(D、第一叶片推动圆柱齿轮(2)、第一叶片轴(3)、第二叶片推动圆柱齿轮 (5)、第二叶片轴(6)、第三叶片推动圆柱齿轮(8)、第三叶片轴(9)组成；其中第一叶片推动圆柱齿轮(2)、第二叶片推动圆柱齿轮(5)和第三叶片推动圆柱齿 轮(8)的轴线处于同一平面内，且相互之间的夹角为120° ，面齿轮(1)的轴线与上述平面 垂直；其中第一叶片推动圆柱齿轮(2)安装在第一叶片轴(3)上，第二叶片推动圆柱齿轮(5) 安装在第二叶片轴(6)上，第三叶片推动圆柱齿轮(8)安装在第三叶片轴(9)上；其中第一叶片推动圆柱齿轮(2)和面齿轮(1)的传动比i21与第二叶片推动圆柱齿轮 (5)和面齿轮(1)的传动比i51以及第三叶片推动圆柱齿轮(8)和面齿轮(1)的传动比i81 相等。
全文摘要
本发明为小型风力发电机中面齿轮传动的变桨机构，属于机械传动技术领域。该变桨机构由面齿轮作为输入齿轮，驱动圆柱齿轮转动，实现圆柱齿轮带动叶片进行变桨矩运动。本发明能够解决现有变桨矩机构复杂，故障率高、成本贵无法在小型风力发电机应用的问题，因此具有显著的实质性特点和突出的进步。
文档编号F03D7/04GK101705909SQ20091023401
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者朱如鹏, 李政民卿, 靳广虎, 鲍和云 申请人:南京航空航天大学