变桨传动设备和方法与流程

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种变桨传动设备和方法。

背景技术：

能源是社会经济和人类生活的主要物质基础，是社会发展的动力。然而，作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然气等不可再生的能源的储量日趋减少，世界各个国家都在发展风力发电，风力发电作为新能源，已经形成了成熟的规模。

风力发电机组是将风能转换成电能的设备。在风力发电过程中，风带动风力发电机组的桨叶转动，从而带动风力发电机组中风力发电机转动并产生电能。风速越大，风力发电机的转速越快。为了保证风力发电机的转速稳定，需要根据风速调节桨叶的桨距角，即进行变桨。

现阶段中，利用单个电机输出动力来驱动变桨轴承转动，实现变桨功能。具体的，单个电机的输出轴连接有减速器，减速器和变桨轴承分别与传动装置传动连接，从而使得单个电机输出的动力通过减速器传递到传动装置上，再通过传动装置带动变桨轴承转动，从而实现变桨功能。但是，随着风力发电机组的发热功率的提升，以及桨叶的长度和重量不断增加，带动变桨轴承所需要的载荷增大，传动装置的负担加重。传动装置的强度不足以支撑传动装置长期处于极限载荷和疲劳载荷状态，使得传动装置容易发生损坏，从而导致风力发电机组出现故障。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种变桨传动设备和方法，能够避免传动装置的强度不足以支撑传动装置长期处于极限载荷和疲劳载荷状态的情况。

第一方面，本发明实施例提供一种变桨传动设备，用于带动变桨轴承转动，包括电机、动力变矩装置、多根传动轴和多个传动装置；动力变矩装置被配置为将电机输出的动力转化为分配给多根转动轴的输出扭矩，使得输出扭矩相等或者输出扭矩之差在允许范围内，然后通过多根传动轴带动多个传动装置，从而使变桨轴承转动。

根据第一方面，动力变矩装置包括动力分配单元和多个变矩器，动力分配单元被配置为将电机输出的动力分配给多个变矩器；多个变矩器根据分配的动力进行变矩，并将变矩得到的输出扭矩传输给多根传动轴。

根据第一方面，每个变矩器还被配置为根据动力分配单元分配的动力和设定的目标扭矩的比值，调整变矩器传输给对应的传动轴的输出扭矩。

根据第一方面，上述变桨传动设备还包括驱动器和变桨速度采集装置，变桨速度采集装置被配置为采集变桨轴承的实际变桨速度，并将采集的实际变桨速度传递给驱动器，驱动器根据实际变桨速度和设定的目标变桨速度的差值，调整电机输出的动力。

根据第一方面，上述变桨传动设备还包括绝对值编码器，绝对值编码器被配置为向驱动器反馈多根转动轴的输出扭矩和转速，使得驱动器监测多根传动轴的输出扭矩和转速。

根据第一方面，上述变桨传动设备还包括设置在每根传动轴与传动装置之间的离合器，离合器被配置为控制传动轴与对应的传动装置传动连接或脱离。

根据第一方面，传动装置为齿形带或齿轮。

根据第一方面，动力分配单元通过多个传动轴与多个变矩器对应传动连接，其中，动力分配单元包括差速器或多轴减速器。

第二方面，本发明实施例还提供了一种变桨传动方法，用于上述方案中的变桨传动设备，包括：将电机输出的动力传输给动力变矩装置；由动力变矩装置将电机输出的动力转化为分配给多根传动轴的输出扭矩，多根传动轴的输出扭矩相等或者输出扭矩之差在允许范围内；在多根传动轴的带动下，由多个传动装置带动变桨轴承转动。

根据第二方面，由动力变矩装置将电机输出的动力转化为分配给多根传动轴的输出扭矩的步骤包括：由动力分配单元将电机输出的动力分配给多个变矩器；由多个变矩器根据分配的动力进行变矩，使得多个变矩器的输出扭矩相等或者输出扭矩之差在允许范围内；将多个变矩器的输出扭矩传输给多根传动轴。

根据第二方面，上述变桨传动方法还包括：由变桨速度采集装置采集变桨轴承的实际变桨速度；由驱动器根据实际变桨速度和设定的目标变桨速度的差值，调整电机输出的动力。

根据第二方面，上述变桨传动方法还包括：由变矩器根据动力分配单元分配的动力和设定的目标扭矩的比值，调整变矩器传输给传动轴的输出扭矩。

根据第二方面，上述变桨传动方法还包括：驱动器监测多根传动轴的输出扭矩和转速；若多根传动轴中的至少一根传动轴的输出扭矩在单位时间内的下降量大于预设的扭矩下降阈值，且至少一根传动轴的转速在单位时间内的上升量大于预设的转速上升阈值，则驱动器停止工作或者由驱动器控制至少一根传动轴对应的离合器与传动装置脱离；若多根传动轴中的至少一根传动轴的输出扭矩在单位时间内的上升量大于预设的扭矩上升阈值，且至少一根传动轴的转速在单位时间内的下降量大于预设的转速下降阈值，则驱动器停止工作或者由驱动器控制至少一根传动轴对应的离合器与传动装置脱离。

本发明实施例提供了一种变桨传动设备和方法，由单个电机通过动力变矩装置将输出的动力转化为输出扭矩分配给多个传动轴，多个传动轴带动多个传动装置，多个传动装置共同带动变桨轴承转动，实现变桨功能。变桨轴承进行变桨时所需的扭矩能够均分给多个传动装置，由多个传动轴分别带动对应的传动装置，为变桨轴承提供进行变桨时所需的扭矩，从而降低每个传动装置的负担，避免传动装置长期处于极限载荷和疲劳载荷状态，从而避免了传动装置的强度不足以支撑传动装置长期处于极限载荷和疲劳载荷状态的情况。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为本发明一实施例中的变桨传动设备的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的变桨传动方法的流程图；

图3为本发明另一实施例中的变桨传动设备的结构示意图；

图4为本发明又一实施例中的变桨传动设备的结构示意图；

图5为本发明又一实施例中的变桨传动设备的驱动示意图；

图6为本发明再一实施例中的变桨传动设备的结构示意图；

图7为本发明再一实施例中的变桨传动方法的流程图。

其中：11-电机；12-动力变矩装置；13-传动轴；14-传动装置；15-变桨轴承；16-驱动器；17-变桨速度采集装置；18-离合器；121-动力分配单元；122-变矩器。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图1为本发明一实施例中的变桨传动设备的结构示意图，如图1所示，变桨传动设备包括电机11、动力变矩装置12、多根传动轴13和多个传动装置14，其中电机11与动力变矩装置12连接，动力变矩装置12与多根传动轴13连接，多根传动轴13与多个传动装置14连接。动力变矩装置12被配置为将电机11输出的动力转化为分配给多根转动轴13的输出扭矩，使得输出扭矩相等或者输出扭矩之差在允许范围内，然后通过多根传动轴13带动多个传动装置14，从而使变桨轴承15转动。多根转动轴13的输出扭矩相等或者输出扭矩之差在允许范围内，能够保证传输到每个传动装置14上的输出扭矩保持相对平衡，从而保证多个传动装置14能够共同带动变桨轴承15正常转动。

在一个可能的示例中，传动装置14可以为齿形带或齿轮等传动部件或传动部件的组合。每个电机11可以通过传动轴13、齿形带或齿轮等与变桨轴承15的外圈传动连接，从而带动变桨轴承15转动。若传动装置14为齿形带，则多个齿形带可以在变桨轴承15的轴向方向上并列排布。

为了避免传动装置14长期处于极限载荷和疲劳载荷状态，尤其是对于大功率(比如3MW以上)的风力发电机组，能够将大功率的风力发电机组进行变桨所需的大扭矩均分给多个传动装置14，从而避免了传动装置14因强度不足长期处于极限载荷和疲劳载荷状态的情况。

图2为本发明一实施例中的变桨传动方法的流程图，如图3所示，该变桨传动方法包括步骤201-步骤205。

在步骤201中，将电机11输出的动力传输给动力变矩装置12。

在步骤202中，由动力变矩装置12将电机11输出的动力转化为分配给多根传动轴13的输出扭矩。

其中，多根传动轴13的输出扭矩相等或者输出扭矩之差在允许范围内。

在步骤203中，在多根传动轴13的带动下，由多个传动装置14带动变桨轴承15转动。

需要说明的是，多根传动轴13的输出扭矩相等或输出扭矩之差在允许范围内时，多根传动轴13的输出扭矩能够使得传动装置14正常带动变桨轴承15进行变桨的。由于动力变矩装置12在分配输出扭矩的过程中，可能会因为某些因素，使得多根传动轴13的输出扭矩具有细微的差别，但能够正常带动变桨轴承15进行变桨，这种情况也在本发明实施例的保护范围内。

本发明实施例提供了一种变桨传动设备和方法，由单个电机11通过动力变矩装置12将输出的动力转化为输出扭矩分配给多个传动轴13，多个传动轴13带动多个传动装置14，多个传动装置14共同带动变桨轴承15转动，实现变桨功能。变桨轴承15进行变桨时所需的扭矩能够均分给多个传动装置14，由多个传动轴13分别带动对应的传动装置14，为变桨轴承15提供进行变桨时所需的扭矩，从而降低每个传动装置14的负担。

图3为本发明另一实施例中的变桨传动设备的结构示意图，如图3所示，本发明实施例中的变桨传动设备中的动力变矩装置12包括动力分配单元121和多个变矩器122，动力分配单元121被配置为将电机11输出的动力分配给多个变矩器122；多个变矩器122根据分配的动力进行变矩，并将变矩得到的输出扭矩传输给多根传动轴13，从而利用传动轴13带动对应的传动装置14，从而带动变桨轴承15。变桨轴承15进行变桨所需的扭矩可以均分到各个变矩器122对应的传动轴13上，每个变矩器13分担到的需要输出的扭矩均比较小，因此每个变矩器122对应的传动轴13带动的传动装置14的负担也比较小。

需要说明的是，多个变矩器122的传动轴13的输出扭矩之差在允许范围内时，多个变矩器122传输给传动轴13的输出扭矩能够使得传动装置14正常带动变桨轴承15进行变桨的。由于变矩器122在进行变矩的过程中，可能会因为某些因素，使得多个变矩器122传输给传动轴13的输出扭矩具有细微的差别，但能够正常带动变桨轴承15进行变桨，这种情况也在本发明实施例的保护范围内。

动力分配单元121可以为差速器或多轴减速器等，动力分配单元121可以通过多根传动轴与多个变矩器122对应传动连接。需要说明的是，动力分配单元121可以将电机11输出的动力平均分配给多个变矩器122，也可以将电机11输出的动力不平均分配给多个变矩器122，但要保证每个变矩器122都能够分配到一定的动力。多个变矩器122根据分配的动力进行变矩，使得多个变矩器122对应的传动轴13的输出扭矩相等或者输出扭矩之差在允许范围内。具体的，变矩器122可以为液力变矩器。多个传动装置15被配置为在多个变矩器13对应的传动轴14的带动下，带动变桨轴承16转动。

图4为本发明又一实施例中的变桨传动设备的结构示意图，图4所示的变桨传动设备与图1所示的变桨传动设备的不同之处在于，如图4所示，变桨传动设备还包括驱动器16和设置在变桨轴承15上的变桨速度采集装置17。驱动器16被配置为驱动电机11。具体的，变桨速度采集装置17可以是编码器等装置。

图5为本发明又一实施例中的变桨传动设备的驱动示意图，如图5所示，变桨速度采集装置17被配置为采集变桨轴承15的实际变桨速度，将采集的实际变桨速度传递给驱动器16。驱动器16被配置为根据实际变桨速度和设定的目标变桨速度的差值，调整电机11输出的动力。每个变矩器122还被配置为根据动力分配单元121分配的动力和设定的目标扭矩的比值，调整变矩器122传输给传动轴13的输出扭矩。本发明实施例中的驱动器16集成有控制单元、存储单元以及收发单元，能够实现收发信息、控制以及存储的功能。

在本发明实施例中，根据变桨轴承15上设置的变桨速度采集装置17反馈回的实际变桨速度，以及设定的目标变桨速度，可以形成变桨速度控制闭环。对于每个变矩器122对应的传动轴13来说，根据动力分配单元121分配的动力和设定的目标扭矩的比值，可以形成扭矩控制开环。使得多个变矩器122对应的传动轴13的输出扭矩均衡且稳定。

图6为本发明再一实施例中的变桨传动设备的结构示意图，图6所示的变桨传动设备与图4所示的变桨传动设备的不同之处在于，如图6所示，变桨传动设备还包括设置在每根传动轴13与传动装置14之间的离合器18，离合器18被配置为控制传动轴13与对应的传动装置14传动连接或脱离。具体的，离合器18可以为摩擦片式离合器、磁粉式离合器、涡流式离合器和可以带载动作的牙嵌式离合器。在某一个变矩器122或传动轴13出现故障时，可以利用对应的离合器18，将传动轴13与传动装置14脱离开来，从而保证出现故障的变矩器122或传动轴13不会对变桨轴承15进行变桨造成不良影响。

在一个示例中，可以在传动轴13上设置绝对值编码器，绝对值编码器被配置为向驱动器反馈多根转动轴13的输出扭矩和转速，从而使得驱动器16能够监测多根传动轴13的输出扭矩和转速。

图7为本发明再一实施例中的变桨传动方法的流程图，图7所示的变桨传动设备与图2所示的变桨传动设备的不同之处在于，如图7所示，变桨传动的方法还包括步骤204-步骤206。

在步骤204中，由驱动器16监测传动轴13的输出扭矩和转速。

在步骤205中，若多根传动轴13中的至少一根传动轴13的输出扭矩在单位时间内的下降量大于预设的扭矩下降阈值，且多根传动轴13中的至少一根传动轴13的转速在单位时间内的上升量大于预设的转速上升阈值，则驱动器10停止工作或者由驱动器10控制这至少一根传动轴13对应的离合器18与传动装置14脱离。

比如，当个别变矩器122或传动轴13失效时，驱动器16监测到的传动轴13的输出扭矩会出现较大跌落且转速会骤然上升，为了保证风力发电机组的正常工作，就需要驱动器16停止工作，或者由驱动器16控制该传动轴13对应的离合器18与传动装置14脱离。

在步骤206中，若多根传动轴13中的至少一根传动轴13的输出扭矩在单位时间内的上升量大于预设的扭矩上升阈值，且多根传动轴13中的至少一根传动轴13的转速在单位时间内的下降量大于预设的转速下降阈值，则驱动器10停止工作或者由驱动器10控制这至少一根传动轴13对应的离合器18与传动装置15脱离。

比如，当出现个别变矩器122或传动轴13出现卡滞时，驱动器10监测到的传动轴13的输出扭矩会急剧上升且转速会骤然下降，为了保证风力发电机组的正常工作，就需要驱动器10停止工作，或者控制该传动轴13对应的离合器18与传动装置14脱离。

在本发明实施例中，当变矩器122或传动轴13发生故障或失效时，可以控制该传动轴13对应的离合器18使传动轴13与传动装置15脱离，从而停止该路传动，避免出现故障的变矩器13或出现故障的传动轴13对变桨轴承15进行变桨造成不良影响。

需要说明的是，还可以在变桨轴承15的周围设置编码器、限位开关或接近开关等，能够利用编码器、限位开关或接近开关等对风力发电机组的桨叶位置进行监测和校验。可以在桨叶报警位置安装限位开关或接近开关，当桨叶转动位置达到桨叶报警位置时，使得限位开关和接近开关导通，从而得知桨叶到达桨叶报警位置，需要发出指示警报，进行报警或预警。

以上所述的结构框图中所示的功能块(如驱动器等)可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。