专利名称：变传动比齿轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变传动比齿轮系统，具体用于风能转换系统中。
背景技术：
能够通过包括诸如低速桨叶这样的旋翼的风能转换器将风能转换成可用的形式。旋翼的速度往往受当地风况的影响因而会任意波动。所以，常规风能转换器通常在变旋翼速度和传动系的主动转矩控制的情况下操作，以保持更为恒定的发电机转速。旋翼的质量惯性通常使得抑制了传动系的速度变化，而主动转矩控制则减小传动链的载荷并改善供给至电网的电力的质量。主动转矩控制还提高了非满载运行期间的气动效率。
为了通过转换风能而向电网提供电力，使用恒速发电机(例如，直接连接至用于电力输送的电网的同步发电机)是有利的。在没有会很昂贵的功率变流器的情况下，除了经济效益之外，供入电网的电力质量也往往较高。另外，恒速发电机还可在中等电压水平下运行，因而不需要额外的变压器。
使用恒速发电机需要在输入旋翼速度随时间而变化的同时将输入到发电机的输入轴保持在恒定速度。因此，传动系中需要变传动比齿轮。先前用于提供变传动比齿轮的方法包括采用具有反应路径以控制变速比的由行星齿轮的组合构成的齿轮箱。此外，因为具有较高效率的轴向活塞泵市场有售并且其具有抑制传动系中的高频转矩振荡的能力，所以在控制路径中使用静液压回路。
发明内容
大体而言， 一方面，本发明的特征在于一种构造用于与变速旋翼驱 动的恒速发电机一起使用的变传动比齿轮系统。所述变传动比系统包括
控制系统、制动器以及三个轴机械地耦联于所述旋翼的第一轴；机械 地耦联于变速齿轮系统的第二轴；以及机械地耦联于所述发电机和所述 变速齿轮系统的第三轴。控制系统构造成调节所述变速齿轮系统的输出 以控制所述发电机的转速。制动器构造成控制所述第二轴的旋转。
本发明的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。
所述变传动比齿轮系统还包括所述变速齿轮系统，在一些实施方式 中，所述变速齿轮系统包括液压回路。所述液压回路可以是静液压回路， 或者可替代地，是动液压回路。所述液压回路包括机械地耦联于所述 第二轴的第一液压单元；以及机械地耦联于所述第三轴的第二液压单 元。其中所述第一液压单元与所述第二液压单元通过液压管道或释压阀 互相连接。所述液压管道通过放泄阀互相连接。
所述变传动比齿轮系统还包括控制器，所述控制器构造成控制所述 制动器。所述控制器能够接收用于致动所述制动器的人工输入或传感器 数据。
所述变传动比齿轮系统还可以包括机械地耦联在所述第 一轴与所 述旋翼之间的齿轮箱。所述齿轮箱包括第一行星齿轮和机械地耦联于第 一行星齿轮的第二行星齿轮。第一和第二行星齿轮均构造成提供恒定的 传动比。直齿轮机械地耦联在所述齿轮箱与所述第一轴之间。
所述变传动比齿轮系统还可以包括机械地耦联在所述变速齿轮系 统与所述第二轴之间的直齿轮，和/或机械地耦联在所述变速齿轮系统 与所述第三轴之间的直齿轮。
所述控制系统可基于所指定的发电fel度来确定所需的所述第一M 单元和所述第二液压单元的构型。
所述液压回5^供液压，并且所述控制系统可基于所述液压来调节所 述变速齿轮系统的输出。除其它优点之外，本发明还提供了 一种用于保护齿轮的安全系统。 在变传动比齿轮的运转期间，系统中可能发生无法预料的事件，例如， 液压管路破裂，或者对静液压回路中的液压单元的控制被中断。因此， 将不能再正确地控制变速齿轮的传动比。在液压断开的情况下，风轮机 与发电机解耦，因此不再向发电机传输能量。通过已知的方式(例如， 紧急制动、气动减速)，旋翼通常在几秒钟内停止。然而，发电机却将 因低摩擦、高速度以及高惯性而保持可能达到数分钟的较长时间的旋 转。这将导致齿轮及液压单元中的机械部件转速很高，进而不可避免损 坏机器部件，特别是损坏设计成不能承受高超速的液压泵。
本发明的其它特征和优点将从以下描述和权利要求显而易见。
图1A和图1B是用于风能转换器的变传动比齿轮系统的示意图。 图2是图1B中的控制单元的示例性实施方式的框图。
具体实施例方式
参见图1A，用于风能转换器的传动系100包括旋翼102 (例如，低 速桨叶)，旋翼102通过齿轮系180驱动发电机104 (优选地，恒速同步 发电机)。旋翼102的速度通常受当地风况的影响因而任意波动。齿轮 系180通过输入轴106接收这种变旋翼速度。通过主动转矩控制，齿轮 系180能够以恒定转速驱动输出轴158进而驱动同步发电机104。同步 发电机104提供无需变流器而能够直接输送到电网的高质量的电力。
总体而言，传动系180中的齿轮构型存在多种实施方式。为了说明， 以下将详细描述一种实施方式。
参见图1B，在优选实施方式中，首先旋翼102通过轴106连接于定 传动比齿轮箱130。齿轮箱130构造成将动力从低速(高转矩)输入轴 106传递至高速(低转矩)输出轴126。在一些示例中，齿轮箱130包 括第一行星齿轮110和第二行星齿轮120。输入轴106上的动力例如首 先传输至第一行星齿轮110的行星架112，然后经由轴116传输至笫二 行星齿轮120的行星架122。行星齿轮110和120两者均构造成提供恒定的增速比，使得转速从在输入轴106处的例如15转/分钟(RPM) 逐渐增大到在齿轮箱130的低转矩输出轴126处的例如375转/分钟。 在其它一些示例中，齿轮箱130可能包括以不同的方式构造的更多或更 少的齿轮以将动力从低速轴106传输到高速轴126。
低转矩输出轴126驱动与小齿轮142啮合的直齿轮140,并经由轴 144将动力传输至第三行星齿轮150。行星齿轮150具有三个基本部件 行星架154、齿圏152以及恒星轮156。如上所述，行星架154接收来 自轴144的输入，进而以与变旋翼速度成比例的速度旋转。齿圏152经 由轴158耦联至发电机104,并以与发电机104相同的速度旋转。在这 种构型中，通过控制恒星轮156的旋转来保持恒定的发电机速度。
恒星轮156经由直齿轮162和小齿轮166连接至无级变速齿轮系统 170。在一些示例中，无级变速齿轮系统170包括通过压力管路176和 178互相连接的第一液压单元172和第二液压单元174 (例如，液压泵/ 液压马达)。
第一液压单元172经由轴168、小齿轮166、直齿轮162以及轴160 控制恒星轮156的旋转速度和旋转方向。注意，轴160到旋翼102或发 电机104没有固定的传动比，所以用作变速控制轴。第二液压单元174 经由轴165和直齿轮164耦联至发电机104，并以与发电机104的速度 成比例的转速工作。
优选地，液压单元172和174 二者均具有旋转角度(此处分别称为 用q和a"可控的斜盘(图中用符号表示)。设定液压单元中的旋转 角度可控制由无级变速齿轮系统170向变速控制轴160提供的动力流的 方向和大小。
在这种实施方式中，控制单元1卯控制旋转角度"7和"2，使得即 使当地风力不稳定，仍然能够将稳定的动力流传输至发电机。
控制单元l卯可以采用多种控制方案以将旋转角度a,和"2设定至 期望位置。总之，旋转角度的设定满足液压回路的连续性方程，并提供 平衡的液压流(即压力管路176和178中的体积流量相等)。优选地， 压力管 中的体积流量被控制成足够高，从而限制内部液压并能够延长 液压单元172和174的使用寿命。在一些实施方式中，基于取决于旋翼速度的特性来确定第一液压单
元172中的旋转角度a,。例如，在给定的旋翼速度下，控制单元l卯 可以使用预定的查询表来选择a,的值。预定的查询表列出作为旋翼速 度"旋*的函数的"7的期望值，并且是例如由工程师在测试阶段建立的。
在一些实施方式中，除了控制旋转角度"7之外，控制单元l卯还 基于主动转矩控制方案设定第二液压单元174中的旋转角度"2。
例如，参见图2，为了将发电机转速保持在指定的水平w发w，控制 单元190启动转矩控制器210,转矩控制器210基于输入旋翼速度w旋翼 分别确定轴168和165上所需的转矩7% 的大小。
压力控制器220基于r所需来重新确定液压回路中所需的压力户所需， 用于将发电机104的旋转保持在恒定速度w发电机。其中，户所需一般是指 压力管路176与压力管路178之间所需的压差。该压差是管路176和178 中的液压流的主要驱动力，影响着液压流的方向和体积流量。
然后，将尸所需与液压管路之间的实际压差P实际相比较。尸实际可以通 过例如设置在无级变速齿轮系统170中的一个或多个压力传感器测得。 通过加和器240计算出的户实际与P所需之间的误差可以利用内部比例积 分(PI)控制器250来消除。而且，内部PI控制器250还计算fl^所需并 将液压单元174中的旋转角度"2设定至该所需的"2所需位置处，从而能 够将发电机速度保持在
再次参见图1B，在齿轮系180中至少实施了包括释压阀184、可开 关放泄阀182以及制动器188在内的三个安全部件，用于保护齿轮。下 面进一步描述各个部件.
释压阀184放置在压力管路176与178之间。释压阀184例如通过 防止齿轮中出现过大的转矩而限制液压管路中的压力，从而保护机械构 件免受过载和破坏。
可开关放泄阀182也放置在压力管路之间。如果可开关放泄阀182 被触发，则其造成液压短路，使得两个液压管道176和178之间的压差 消除，并且发电机104与旋翼102解耦。
制动器188耦联至变速控制轴160。当制动器188被触发时，其使 变速控制轴160停止旋转，进而使恒星轮156停止旋转。在恒星轮156不旋转的情况下，通过行星架154与齿圏152之间的机械耦联将旋翼102 与发电机104的传动比固定。
这三个安全部件中的每一个均能够响应于系统中发生的不同的错 误/故障工况而单独地或者联合地操作。
例如，如果例如当对液压单元172和174之中的一个或两个的旋转 角度的控制因连通失效或泵故障而无法正确实现时发生系统故障，那么 致动释压阀184。例如，旋转角度可能被阻断为或快速变化为处于导致 非预期的或不平衡的体积流量的不合需要的位置处。在没有释压阀184 的情况下，液压管路176和178之中的一个或两个中的压力会快速升高 进而毁坏液压系统170的某些部件。致动释压阀184可将液压限制在容 许范围内，从而避免对液压系统造成损坏。
如果因为某些系统故障而必须迅速停止风能转换器，则致动制动器 188。这种系统故障的例子包括1)由于管道破裂而造成液压系统中压 力骤降，这通常通过液压管路中的压力传感器来探测；2)系统可编程 逻辑控制器(PLC)与控制单元190之间的线路的连通故障，这例如通 过PLC来探测；以及3 )液压系统中导致液压单元172和174处于不合 需要和/或不受控制的旋转角度位置处的故障，这能够通过液压单元中 的旋转角度传感器来探测。
在一些现有技术的系统中，当发生压力骤降时，发电机104会与旋 翼102解耦。虽然旋翼仅在几秒钟内就停下来，但是发电机104却因其 惯性大而能够持续旋转几分钟。因此，液压单元172和174中的一个或 两个的速度将变得高得危险，并有可能损坏传动系中的液压部件。
在本系统中，制动器188的致动使变速控制轴160立即停止旋转， 进而使恒星轮停止。因为旋翼102与发电机104的传动比固定，所以发 电机随旋翼迅速停止，而不对液压部件造成损坏。
优选地，放泄阀182在制动器致动的同时触发。由于通过液压短路 而将压差解除,因此放泄阀182有效地避免了无级变速齿轮系统170中 所不期望的高压。
在一些应用中，安全控制器186实施成控制制动器188和可开关放 泄阀182的致动。在一些示例中，当接收到来自操作者的手动输入时，安全控制器186就触发制动器。安全控制器186还可以构造成基于通过 放置在传动系100中的选定位置处的传感器而获取的信号来判定故障的 发生并启动安全事件。在一些应用中，期望采用不同的旋转角度控制方案来保护传动系 100中的齿轮。例如，当风能转换器未工作或者处于非同步状态(例如， 在系统启动或緩停期间)时，固定两个液压单元中的旋转角度会是能够 确保安全操作的简单而有效的方式。根据齿轮的构型，可以基于在那样 的系统状态期间所需的旋翼与发电机的固定传动比来选择固定的旋转 角度。应当理解，图1A、图1B和图2中的传动系的具体构造旨在说明而 非限制本发明的范围。本发明可应用于具有通过无级变速齿轮、具体地 通过两个压力管路所连接的两个液压单元所构成的静液压回路来控制 的变传动比齿轮系统的任何变旋翼速度/恒发电机速度传动系。本发明 还可以应用于通过动液压回路(例如，福伊特(VOITH)系统)控制的 无级变速传动系统。更普遍地，本发明能够应用于在变速轴与输出轴之 间双向传输动力的任何电动马达/发电机系统。其它实施方式都在所附 权利要求的范围内。10
权利要求
1.一种变传动比齿轮系统，构造用于与变速旋翼所驱动的恒速发电机一起使用，所述变传动比齿轮系统包括机械地耦联于所述旋翼的第一轴；机械地耦联于变速齿轮系统的第二轴；机械地耦联于所述发电机和所述变速齿轮系统的第三轴；控制系统，所述控制系统构造成调节所述变速齿轮系统的输出以控制所述发电机的转速；以及制动器，所述制动器构造成控制所述第二轴的旋转。
2. 如权利要求1所述的变传动比齿轮系统，还包括所述变速齿轮系统。
3. 如权利要求2所述的变传动比齿轮系统，其中，所述变速齿轮系统 包括M回路。
4. 如权利要求3所述的变传动比齿轮系统，其中，所述液压回路包括 ^地耦联于所述第二轴的第一液压单元；以及 机械地耦联于所述第三轴的第二液压单元。
5. 如权利要求4所述的变传动比齿轮系统，其中，所述第一液压单元 与所述第二液压单元通过液压管道互相连接。
6. 如权利要求5所述的变传动比齿轮系统，其中，所述液压管道通过 释压阀互相连接。
7. 如权利要求5所述的变传动比齿轮系统，其中，所述液压管道通过 放泄阀互相连接。
8. 如权利要求l所述的变传动比齿轮系统，还包括 用于控制所述制动器的控制器。
9. 如权利要求8所述的变传动比齿轮系统，其中，所述控制器构造成 接收用于致动所述制动器的手动输入。
10. 如权利要求8所述的变传动比齿轮系统，其中，所述控制器构造 成接收传感器数据并基于所接收的传感器数据判定故障发生情况，以便致 动所述制动器。
11. 如权利要求l所述的变传动比齿轮系统，还包括 机械地耦联在所述第 一轴与所述旋翼之间的齿轮箱。
12. 如权利要求ll所述的变传动比齿轮系统，其中，所述齿轮箱包括 第一行星齿轮和M地耦联于所述第一行星齿轮的第二行星齿轮，其中， 所述第 一行星齿轮和所述第二行星齿轮均构造成提供恒定的传动比。
13. 如权利要求12所述的变传动比齿轮系统，还包括 ^地耦联在所述齿轮箱与所述第 一轴之间的直齿轮。
14. 如权利要求13所述的变传动比齿轮系统，还包括 W^地耦联在所述变速齿轮系统与所述第二轴之间的直齿轮。
15. 如权利要求14所述的变传动比齿轮系统，还包括 ;lO^地耦联在所述变速齿轮系统与所述第三轴之间的直齿轮。
16. 如权利要求3所述的变传动比齿轮系统，其中，所述液压回路是 静液压回路。
17. 如权利要求3所述的变传动比齿轮系统，其中，所述液压回路是 动液A回路。
18. 如权利要求4所述的变传动比齿轮系统，其中，所述控制系统构 造成基于所指定的发电机速度来确定所需的所述第一液压单元和所述第 二液压单元的构型。
19. 如权利要求4所述的变传动比齿轮系统，其中，所述';^a回5^ 供液压，并且所述控制系统构造成基于所述液压来调节所述变速齿轮系统 的输出。
全文摘要
一种变传动比齿轮系统，其构造用于与变速旋翼所驱动的恒速发电机一起使用。该变传动比系统包括三个轴机械地耦联于旋翼的第一轴；机械地耦联于变速齿轮系统的第二轴；以及机械地耦联于发电机和变速齿轮系统的第三轴。控制系统构造成调节变速齿轮系统的输出以控制发电机的转速。制动器构造成控制第二轴的旋转。
文档编号F16H47/00GK101680430SQ200980000139
公开日2010年3月24日 申请日期2009年1月29日 优先权日2008年3月31日
发明者彼得·魏克博尔德, 罗伯特·特拉特尼格 申请人:美国超导威德泰克有限公司