风力发电机组传动链及拓扑结构的制作方法

1.本发明涉及风电技术的领域，尤其涉及一种风力发电机组传动链及拓扑结构。


背景技术：

2.近年来，逐步发展起来的电网友好风电技术是以前置无极调速技术为核心，采用恒速同步发电机，使发电机的转速始终保持在同步转速附近，从而使得发电机与电网之间没有变流器时发电机发出的电能直接并网。
3.前置无极调速技术主要有液力变矩调速、电磁耦合调速及差动齿轮调速等三大技术。德国voith公司开发了基于液力变矩器调速的windrive系统已经投入使用，由于其成本高，传动效率低，未能大批量推广。利用电磁耦合器调速的方式，由于不可能消除滑差功率损耗和铁损，效率也不高，目前没有样机。
4.使用差动齿轮调速的方式效率最高，相关技术中提供了一种风力发电机组传动链，包括差动调速齿轮箱和调速电机。差动调速齿轮箱包括齿圈、设置在齿圈中的行星轮系和设置在齿圈外的调速齿轮，调速齿轮与齿圈的外齿啮合，行星轮系与齿圈的内齿啮合。电机与调速齿轮连接从而为输入差动齿轮箱的风轮转动调速。
5.上述方案中，齿圈需要在其内圈和其外圈均设置轮齿，导致齿圈结构复杂，制造困难，存在改进的空间。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中采用差动齿轮调速时齿圈结构复杂、制造困难的缺陷，提供一种综合成本低、电网友好、可靠性高的风力发电机组传动链及拓扑结构。
7.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
8.第一方面，本发明提供一种风力发电机组传动链，包括差动齿轮调速箱、调速驱动器和同步发电机，所述调速驱动器和所述同步发电机均与所述差动齿轮调速箱相连，
9.所述差动齿轮调速箱包括内齿圈、行星架、行星轮、太阳轮和调速齿轮，所述调速驱动器与所述调速齿轮相连，所述同步发电机与所述太阳轮相连，所述行星架的输入轴用于接收来自风轮的动力；
10.所述行星轮、所述太阳轮和所述调速齿轮均位于所述内齿圈内，所述太阳轮与所述内齿圈同轴布置，所述行星轮安装在所述行星架上，所述行星轮同时与所述内齿圈和所述太阳轮啮合，所述调速齿轮与所述内齿圈啮合。
11.在本方案中，来自风轮的转速输入至差动齿轮调速箱的行星架，行星架驱动行星轮公转，调速驱动器通过调速齿轮驱动内齿圈转动，行星轮与内齿圈内啮合，行星轮将来自行星架的转速与来自内齿圈的转速合成后驱动太阳轮旋转，太阳轮将合成的转速输出至同步发电机发电。当风轮转速发生变化时，调节调速驱动器的转速能够使得合成的转速保持稳定，从而使得同步发电机稳定发电。
12.其中，调速齿轮和行星轮均位于齿圈内部，且调速齿轮和行星轮均与内齿圈的齿啮合，由此内齿圈仅需在内圈设置轮齿，无需在外圈开齿，减少了齿轮制造的困难程度；调速齿轮与内齿圈的内齿啮合，相较于调速齿轮啮合于齿圈的外齿的方式，能够使得差动齿轮调速箱的整体体积更小，节省了设备占用空间。
13.较佳地，所述调速驱动器包括调速电机和电机减速齿轮箱，所述电机减速齿轮箱的输入轴与所述调速电机的转轴相连，所述电机减速齿轮箱的输出轴与所述调速齿轮相连。
14.在本方案中，调速电机的输出转速经调速电机减速齿轮箱减速后输出至调速齿轮，使调速齿轮获得低的转速和大的转矩，由此使得电机的转矩较小时也能满足调速齿轮调速的需求，从而可以采用更小功率、成本更低的鼠笼电机或永磁电机等，降低调速电机的成本。
15.较佳地，所述电机减速齿轮箱包括一级行星轮系，所述一级行星轮系包括减速太阳轮、减速行星架、减速行星轮和减速内齿圈，所述减速太阳轮和所述减速行星轮均位于所述减速内齿圈中，所述调速电机的转轴与所述减速太阳轮相连，所述减速行星轮设置在所述减速行星架上且所述减速行星轮与所述减速太阳轮和所述减速内齿圈均互相啮合。
16.在本方案中，公开了电机减速齿轮箱的结构，一级行星轮系的减速太阳轮与调速电机的转轴相连，减速行星轮同时与减速内齿圈和减速太阳轮啮合。一级行星轮系将输入至太阳轮的转速减速后由行星架的输出至调速齿轮。由此通过调节调速电机的扭矩和转速，经电机减速齿轮箱减速后，满足差动齿轮调速箱调速齿轮所需的扭矩和转速。同时，使得调速驱动器成为一个整体，一方面，调速电机所需的扭矩更小，另一方面整体可制造性，可维护性更好。
17.较佳地，所述调速驱动器设置有多个，所述调速齿轮与所述调速驱动器一一对应连接且所述调速齿轮均与所述内齿圈相啮合。
18.在本方案中，调速驱动器设置有多个，调速齿轮与调速驱动器一一对应连接从而将各个调速驱动器的转动输送至差动齿轮调速箱中，由此能够进一步降低单个调速电机所需的转矩，降低调速电机的成本，同时提高了调速驱动器的容错能力，在一个调速驱动器出现故障的时候另外的调速驱动器也可以工作。
19.较佳地，所述风力发电机组传动链还包括联轴器，所述联轴器布置在所述差动齿轮调速箱的输出轴和所述同步发电机的输入轴之间并联接彼此。
20.在本方案中，在同步发电机与差动齿轮调速箱之间增加联轴器，使同步发电机独立，可制造性好、可维护性好。
21.较佳地，在所述内齿圈的轴向上，所述内齿圈的宽度大于所述行星轮的宽度与所述调速齿轮的宽度之和。
22.在本方案中，行星轮的宽度与调速齿轮的宽度之和小于内齿圈的宽度，行星轮和调速齿轮均能够完全位于内齿圈中并与内齿圈啮合，从而使得行星轮和调速齿轮与内齿圈啮合较好，连接强度较大。
23.第二方面，本发明提供一种拓扑结构，包括如上所述的风力发电机组传动链，所述拓扑结构还包括电网，所述同步发电机与所述电网电连接。
24.在本方案中，由于调速驱动器及差动齿轮调速箱的调速，使得同步发电机的转速
始终保持在同步转速附近，同步发电机与电网之间可以无需设置变流器，同步发电机发出的电能直接并入电网。
25.较佳地，所述拓扑结构还包括第一变压器，所述第一变压器具有第一输入端和第一输出端，所述同步发电机与所述第一输入端电连接，所述电网与所述第一输出端电连接。
26.在本方案中，同步发电机与电网之间连接有第一变压器，同步发电机发的电经第一变压器调压，使得同步发电机发的电能够并入与其输出电压不同的电网，提升风力发电机组的适配性。
27.较佳地，所述拓扑结构还包括低压变频器和第二变压器，所述第一变压器还具有第二输入端和第二输出端，所述第二变压器具有第三输入端和第三输出端，所述第二输入端与所述电网电连接，所述第二输出端与所述第三输入端电连接，所述第三输出端与所述低压变频器电连接，所述低压变频器与所述调速驱动器的调速电机电连接。
28.在本方案中，电网经第一变压器、第二变压器和低压变频器与调速电机相连；电网的电经第一变压器和第二变压器进行两次变压后再经低压变频器变频后驱动调速电机转动；同步发电机和调速电机共用第一变压器。由此，电网中的电先经第一变压器进行一次变压，降低了第二变压器的变压范围，充分利用了第一变压器，节省了成本。
29.较佳地，所述调速驱动器包括调速电机，所述拓扑结构还包括低压变频器和第二变压器，所述第二变压器具有第三输入端和第三输出端，所述第三输入端与所述电网电连接，所述第三输出端与所述低压变频器电连接，所述低压变频器与所述调速驱动器的调速电机电连接。
30.在本方案中，同步发电机发的电并入分布式电网中时，电网经第二变压器和低压变频器与调速电机相连，电网的电经第二变压器进行变压后再经低压变频器变频后输送给调速电机，驱动调速电机转动。
31.本发明的积极进步效果在于：
32.本发明的风力发电机组传动链通过差动齿轮调速箱和调速驱动器调节风轮输入的转动，同步发电机与差动齿轮调速箱的太阳轮相连，风轮与差动齿轮调速箱的行星架相连，调速齿轮与内齿圈啮合，调速齿轮和行星轮均位于齿圈内部，使得内齿圈仅需在内圈设置轮齿，无需在外圈开齿，降低了内齿圈的制造难度；调速齿轮、调速电机减速箱、调速电机集成一体设计，降低了调速电机的成本。
附图说明
33.图1为本发明的一实施例的风力发电机组的结构示意图。
34.图2为本发明的一实施例的差动齿轮调速箱的结构示意图。
35.图3为本发明的一实施例的调速驱动器的结构示意图。
36.图4为本发明的一实施例的风力发电机组并网的拓扑结构示意图。
37.图5为本发明的一实施例的风力发电机组并网的另一拓扑结构示意图。
38.附图标记说明：
39.风轮1
40.增速齿轮箱2
41.差动齿轮调速箱3
42.行星架31
43.行星轮32
44.内齿圈33
45.太阳轮34
46.调速齿轮35
47.第一箱体36
48.调速驱动器4
49.调速电机41
50.电机减速齿轮箱42
51.第二箱体421
52.减速内齿圈422
53.减速太阳轮423
54.减速行星轮424
55.减速行星架425
56.联轴器5
57.同步发电机6
58.低压变频器7
59.第二变压器8
60.第一变压器9
61.电网10
具体实施方式
62.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
63.实施例1
64.本实施例1公开了一种风力发电机组传动链，参照图1，风力发电机组传动链包括差动齿轮调速箱3、调速驱动器4和同步发电机6。风力发电机组的风轮1与增速齿轮箱2相连，增速齿轮箱2的输出轴与差动齿轮调速箱3的输入轴相连。差动齿轮调速箱3的输出轴与同步发电机6相连以驱动同步发电机6发电，调速驱动器4连接在差动齿轮调速箱3上。风轮1的转动经增速齿轮箱2增速后，传递至差动齿轮调速箱3并与调速驱动器4的转速合成后输出至同步发电机6发电。
65.参照图1和图2，其中，差动齿轮调速箱3包括第一箱体36、内齿圈33、行星架31、行星轮32、太阳轮34和调速齿轮35。内齿圈33、行星架31、行星轮32、太阳轮34和调速齿轮35均安装在第一箱体36中。内齿圈33可转动地设置在第一箱体36中，行星轮32、太阳轮34和调速齿轮35均可转动地安装在第一箱体36中。
66.其中，行星架31的输入轴穿出第一箱体36并与增速齿轮箱2的输出轴相连，行星轮32转动设置在行星架31上。太阳轮34与内齿圈33同轴设置，且太阳轮34的输出轴与同步发电机6相连。行星轮32同时与太阳轮34和内齿圈33啮合。
67.调速齿轮35与内齿圈33啮合，同时调速齿轮35的输入轴与调速驱动器4的输出轴
相连。由此调速驱动器4驱动调速齿轮35转动带动齿圈转动，与增速齿轮箱2输入差动齿轮调速箱3的行星架31的转动经行星轮32合成太阳轮34恒定的转动，驱动同步发电机6发电。其中，调速齿轮35与行星轮32错位设置，即调速齿轮35与行星轮32啮合到内齿圈33的位置无重叠，从而避免行星轮32与调速齿轮35干涉。
68.当风轮1转速发生变化时，调节调速驱动器4的转速能够使得合成的转速保持稳定，从而驱动同步发电机6发电。
69.其中，由于调速齿轮35和行星轮32均位于内齿圈33内部且调速齿轮35和行星轮32均与内齿圈33啮合，由此内齿圈33仅需在内圈设置轮齿，无需在外圈开齿，降低了内齿圈33的结构复杂程度，减少了该内齿圈33的制造难度。调速齿轮35与内齿圈33的内齿啮合，相较于调速齿轮35啮合于齿圈的外齿的方式，能够使得差动齿轮调速箱3的整体体积更小，节省了设备占用空间。
70.其中，内齿圈33沿轴向的宽度至少满足调速齿轮35和行星轮32位于同一个内齿圈33中并与内齿圈33啮合的需求，本实施例中，在内齿圈33的轴向上，内齿圈33的宽度大于调速齿轮35的宽度和行星轮32的宽度之和，以使得行星轮和调速齿轮均能够完全位于内齿圈中并与内齿圈啮合，从而使得行星轮和调速齿轮与内齿圈啮合较好，连接强度较大。
71.参照图1至图3，调速驱动器4包括调速电机41和电机减速齿轮箱42。调速电机41与电机减速齿轮箱42相连，电机减速齿轮箱42用于调节调速电机41的输出转速。
72.电机减速齿轮箱42包括第二箱体421和设置在第二箱体421内的一级行星轮系。第二箱体421固定在第一箱体36外。本实施例中，第二箱体421通过法兰及螺栓固定在第一箱体36上，此外在其他的实施例中，第二箱体421也可采用其他合适的方式固定在第一箱体36上。
73.一级行星轮系包括减速太阳轮423、减速行星轮424、减速内齿圈422和减速行星架425。减速内齿圈422固定在第二箱体421上。减速太阳轮423、减速行星轮424均设置在减速内齿圈422的内部。减速太阳轮423与减速内齿圈422同轴设置，减速行星轮424设置在减速太阳轮423和减速内齿圈422之间，同时与减速太阳轮423和减速内齿圈422均啮合。减速行星架425的一端与减速行星轮424可转动地连接，减速行星架425的输出轴伸出第二箱体421与调速齿轮35相连。
74.调速电机41的外壳与第二箱体421固定连接，调速电机41的转轴与减速太阳轮423的输入轴固定连接。由此，通过电机减速箱42实现调速电机41的减速增扭，调速电机41的转矩较小时也能满足差动齿轮调速箱3的调速需求，从而在本实施例中，调速电机41可以采用更小功率、成本更低的鼠笼电机或永磁电机等，降低调速电机41的成本。同时，调速电机41与电机减速箱42成为一个整体，使得整体可制造性，可维护性更好。
75.本实施例中，调速驱动器4和调速齿轮35均设置有多个，由此能够进一步降低单个调速电机41所需提供的转矩，降低调速电机41的成本，同时在一个调速驱动器4出现故障的时候另外的调速驱动器4也可以工作，提高了调速驱动器4的容错能力。
76.参照图1，风力发电机组传动链还包括联轴器5。联轴器5连接在差动齿轮调速箱3的输出轴(即太阳轮34的输出轴)和同步发电机6的输入轴之间，由此使得使同步发电机6相对差动齿轮调速箱3独立，同步发电机6的可制造性好、可维护性好。
77.实施例2
78.参照图1至图4，本实施例在实施例1的基础上继续公开了一种拓扑结构，包括风轮1、增速齿轮箱2、风力发电机组传动链和电网10。风轮1与增速齿轮箱2的输入轴相连，增速齿轮箱2的输出轴与风力发电机组传动链的输入轴相连，风力发电机组传动链的同步发电机6与电网10电连接。
79.其中，本实施例的风力发电机组传动链与实施例1中相同。风轮1的转速经增速齿轮箱2增速后输入差动齿轮调速箱3，再与输入至差动齿轮调速箱3的调速电机转速合成恒定的转速驱动同步发电机6发电。由此使得同步发电机6的转速始终保持在同步转速附近，同步发电机6与电网10之间可以无需设置变流器。
80.本实施例中，同步发电机6采用10.5kv同步发电机，电网10采用10.5kv分布式电网。10.5kv同步发电机的技术成熟可靠，同步发电机6发电的电能质量高、电网友好。此外10.5kv是常见的分布式能源的并网电压，由此同步发电机6发出的电无需进行变压即可直接并网。
81.本实施例中，拓扑结构还包括低压变频器7和第二变压器8。调速电机41、低压变频器7、第二变压器8、电网10依次连接。其中，第二变压器8具有第三输入端和第三输出端，第三输入端与电网10电连接，第三输出端与低压变频器7电连接。第二变压器8将电网10的电压变压后输送至低压变频器7，并经低压变频器7变频后输送至调速电机41驱动调速电机41工作。
82.本实施例中，调速电机41选择市场上现有的成熟的380v鼠笼电机或永磁电机，对应的低压变频器7为380v低压变频器7，第二变压器8的输入电压为10.5kv，输出电压为380v。
83.此外，在其他的实施例中，调速电机41也可选用其他合适的电机，对应的低压变频器7和第二变压器8的电压与调速电机41相适配。
84.实施例3
85.本实施例与实施例2大致相同，其不同之处在于：
86.参照图5，本实施例中，电网10为陆上风电集中式电网，其并网电压为35kv。该拓扑结构还包括第一变压器9，第一变压器9具有第一输入端、第一输出端、第二输入端和第二输出端。第一输入端的输入电压为10.5kv，第一输出端的输出电压为35kv。第二输入端的输入电压为35kv，第二输出端的输出电压为10.5kv。第一输入端与同步发电机6电连接，第一输出端与电网10电连接。第二输入端与电网10电连接，第二输出端与第二变压器8的第三输入端电连接。
87.由此，同步发电机6发的10.5kv电力，经第一变压器9升压至35kv后并入电网10。35kv电网10的电力经第一变压器9降压至10.5kv后经第二变压器8进一步降压至380v后送至低压变频器7变频驱动调速电机41转动；同步发电机6和调速电机41共用第一变压器9，充分利用了第一变压器9，节省了成本。
88.实施例4
89.本实施例与实施例3大致相同，其不同之处在于：
90.本实施例中，电网10为海上风电集中式电网，其并网电压为66kv。第一输出端的输出电压为66kv。第二输入端的输入电压为66kv。
91.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅
是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种风力发电机组传动链，包括差动齿轮调速箱、调速驱动器和同步发电机，所述调速驱动器和所述同步发电机均与所述差动齿轮调速箱相连，其特征在于：所述差动齿轮调速箱包括内齿圈、行星架、行星轮、太阳轮和调速齿轮，所述调速驱动器与所述调速齿轮相连，所述同步发电机与所述太阳轮相连，所述行星架的输入轴用于接收来自风轮的动力；所述行星轮、所述太阳轮和所述调速齿轮均位于所述内齿圈内，所述太阳轮与所述内齿圈同轴布置，所述行星轮安装在所述行星架上，所述行星轮同时与所述内齿圈和所述太阳轮啮合，所述调速齿轮与所述内齿圈啮合。2.如权利要求1所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述调速驱动器包括调速电机和电机减速齿轮箱，所述电机减速齿轮箱的输入轴与所述调速电机的转轴相连，所述电机减速齿轮箱的输出轴与所述调速齿轮相连。3.如权利要求2所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述电机减速齿轮箱包括一级行星轮系，所述一级行星轮系包括减速太阳轮、减速行星架、减速行星轮和减速内齿圈，所述减速太阳轮和所述减速行星轮均位于所述减速内齿圈中，所述调速电机的转轴与所述减速太阳轮相连，所述减速行星轮设置在所述减速行星架上，且所述减速行星轮与所述减速太阳轮和所述减速内齿圈均互相啮合。4.如权利要求1所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述调速驱动器设置有多个，所述调速齿轮与所述调速驱动器一一对应连接且所述调速齿轮均与所述内齿圈相啮合。5.如权利要求1所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述风力发电机组传动链还包括联轴器，所述联轴器布置在所述差动齿轮调速箱的输出轴和所述同步发电机的输入轴之间并联接彼此。6.如权利要求1所述的风力发电机组传动链，其特征在于，在所述内齿圈的轴向上，所述内齿圈的宽度大于所述行星轮的宽度与所述调速齿轮的宽度之和。7.一种拓扑结构，包括如权利要求1～6中任一项所述的风力发电机组传动链，其特征在于，所述拓扑结构还包括电网，所述同步发电机与所述电网电连接。8.如权利要求7所述的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构还包括第一变压器，所述第一变压器具有第一输入端和第一输出端，所述同步发电机与所述第一输入端电连接，所述电网与所述第一输出端电连接。9.如权利要求8所述的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构还包括低压变频器和第二变压器；所述第一变压器还具有第二输入端和第二输出端，所述第二变压器具有第三输入端和第三输出端，所述第二输入端与所述电网电连接，所述第二输出端与所述第三输入端电连接，所述第三输出端与所述低压变频器电连接，所述低压变频器与调速驱动器的调速电机电连接。10.如权利要求7所述的一种拓扑结构，其特征在于，所述调速驱动器包括调速电机，所述拓扑结构还包括低压变频器和第二变压器，所述第二变压器具有第三输入端和第三输出端，所述第三输入端与所述电网电连接，所述第三输出端与所述低压变频器电连接，所述低压变频器与所述调速驱动器的调速电机电连接。

技术总结
本发明公开了一种风力发电机组传动链及拓扑结构，涉及风电技术的领域，该风力发电机组传动链包括差动齿轮调速箱、调速驱动器和同步发电机，所述调速驱动器和所述同步发电机均与所述差动齿轮调速箱相连，所述差动齿轮调速箱包括内齿圈、行星架、行星轮、太阳轮和调速齿轮，所述行星轮、所述太阳轮和所述调速齿轮均位于所述内齿圈内，所述调速齿轮与所述内齿圈啮合；所述拓扑结构包括风力发电机组传动链和电网，所述同步发电机与所述电网电连接。本发明具有综合成本低、电网友好、可靠性高的优点。可靠性高的优点。可靠性高的优点。


技术研发人员：孙永岗 康鹏举 蒋勇 邹皓 钟云龙
受保护的技术使用者：上海电气风电集团股份有限公司
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/6/4