一種采用重力恒壓穩速的風力發電機穩頻機構的制作方法

本發明涉及一種屬于風力發電機領域，尤其涉及一種采用重力恒壓穩速的風力發電機穩頻機構。

背景技術：

現有風力發電機，其最佳運行風速為3~16m/s，而風速的不斷變化，使葉輪轉速控制成為風力發電機的關鍵技術難題之一。目前，現有風力發電機的控制轉速方法主要有如下三種：①偏航技術。即當風力過大時，風速傳感器把信號傳遞給機艙內的電子控制器，經其對風速的判斷，指令電動機驅動機艙旋轉，以改變葉輪的對風角度，從而降低風力對葉片的作用力。②變槳距。通過液壓傳動使葉片原位旋轉對風角度，進而達到減小風力對葉片的作用力，實現控制轉速的目的。③在葉輪的尖端增設阻尼機構。當風速過大時，啟動了阻尼機構，使葉輪在旋轉中增加空氣阻力，從而控制轉速。以上三種方法，均需采用復雜的機構與電力電子裝置相配合實現轉速控制，然而這些控制轉速方法僅是達到了防止葉輪飛車的目的，仍達不到發電穩頻的要求。此時，風力發電機發出的電能還需要由交流變直流，直流再經過逆變器轉變為穩頻的交流電輸出，同樣造成了機械及電力電子裝置的復雜性。由這些技術復雜性可知，目前風力發電機工程造價居高難下，且因控制環節多，導致風機故障頻發，維修不易，也使人們認為風電發展出現了瓶頸問題。

而在液壓技術應用中，有一種調速閥，其原理是減壓閥和節流閥的結合體，在減壓過程中，利用彈簧穩壓，但在實際工作中，由于彈簧的長度在變化，也使彈簧的彈力發生變化，所以壓力也在變化中，導致液體通過節流閥時流量也在不斷變化。因此，這個不穩定的壓力使通過節流閥的液體流量在回路中仍然是處于波動狀態，而該調速閥用于要求不高的普通機械尚可，但因電能質量標準為50Hz±0.2%的頻率要求，該調速閥是不可能達到的。

但是，如果綜合考慮上述調速閥的設計原理和工作原理，并將其合理應用到風力發電機領域，以使其保持恒壓穩速輸出，無疑是一種較為可行的設計思路。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的缺陷而提供一種能降低生產成本、減少故障發生，維修簡單易行的一種采用重力恒壓穩速的風力發電機穩頻機構。

本發明的技術問題通過以下技術方案實現：

一種采用重力恒壓穩速的風力發電機穩頻機構，包括低速軸、安裝在低速軸上的葉輪、高速軸、安裝在高速軸上的發電機、及分別連接低速軸和高速軸的變速傳動機構，所述的風力發電機穩頻機構還包括內充液壓油的油箱和安裝在高速軸上并與所述發電機同軸轉動的齒輪泵，該油箱與齒輪泵之間設有互相連接的供油管；所述的油箱內設有固定安裝的自鎖套和升降活動安裝在自鎖套內的恒壓塊，該恒壓塊頂部伸出自鎖套外露，恒壓塊內設有恒壓腔，恒壓塊側壁上設有連通恒壓腔的恒流口；所述的齒輪泵具有依次穿過自鎖套和恒壓塊而伸入恒壓腔內的柱塞，該柱塞內設有連通齒輪泵的壓力油路，柱塞側壁上設有分別連通壓力油路和恒壓腔的截流口；所述的恒壓塊受壓力油路內的油壓變化而在自鎖套內作升降活動，并帶動所述恒流口關閉、或分別連通恒壓腔和油箱，進而始終保持高速軸的穩速轉動輸出。

所述的葉輪風力增大而引起齒輪泵輸入壓力油路內的油壓大于恒壓腔內的油壓，該恒壓塊上升并帶動所述恒流口分別連通恒壓腔和油箱；所述的液壓油依次在壓力油路、截流口、恒壓腔、恒流口、油箱、供油管和齒輪泵之間構成恒流速的循環流動。

所述的葉輪風力減小而引起齒輪泵輸入壓力油路內的油壓下降，該恒壓塊下降并帶動所述恒流口關閉；所述的液壓油停止循環流動。

所述的壓力油路內的油壓×截流口的截流面積=恒壓腔內的油壓×恒流口的面積；所述的壓力油路內的油壓變化與所述截流口的截流面積變化呈反比；所述的壓力油路內的油壓變化與所述恒壓腔的容積變化呈正比。

所述的恒壓塊重量、柱塞的截面面積A、恒流口的面積、恒壓腔內的油壓均保持不變。

所述的截流口的截流面積受葉輪風力增大而減小，受葉輪風力減小而增大；所述恒壓腔的容積受葉輪風力增大而增大，受葉輪風力減小而減小。

所述的恒壓塊上升，該截流口的截流面積減小；所述的恒壓塊下降，該截流口的截流面積增大。

所述的自鎖套、恒壓塊均豎直安裝在油箱內，所述的柱塞由下而上依次穿過自鎖套和恒壓塊而伸入恒壓腔內。

所述的恒壓腔包括上腔和下腔，該上腔和下腔之間設有通油孔；所述的恒流口與上腔相連通；所述的柱塞伸入下腔內，該截流口分別連通壓力油路和下腔。

與現有技術相比，本發明主要提供了一種風力發電機用的穩頻機構，它是由油箱、與發電機同軸轉動安裝在高速軸上的齒輪泵、油箱內的自鎖套和恒壓塊、齒輪泵上的柱塞、及分別連接油箱與齒輪泵的供油管等構成，恒壓塊具有恒壓腔和恒流口，柱塞具有壓力油路和截流口，當風力發電機的葉輪風力增大或減小時，就能引起齒輪泵輸入壓力油路內的油壓與恒壓腔內的油壓產生變化，從而驅動恒壓塊在自鎖套內作升降活動，并帶動恒流口關閉、或分別連通恒壓腔和油箱；因此，就能始終保證恒壓腔內的壓力不變，實現恒壓、恒速工作，也就始終保證高速軸的穩速轉動輸出，并最終得到發電機的穩頻輸出，改進后的結構還具有生產成本低、故障少，維修簡單易行等優點。

附圖說明

圖1為本發明的自鎖狀態剖視結構示意圖。

圖2為本發明的解鎖狀態剖視結構示意圖。

圖3為本發明的運行狀態剖視結構示意圖。

具體實施方式

下面將按上述附圖對本發明實施例再作詳細說明。

如圖1~圖3所示，1.葉輪、2.低速軸、3.發電機、4.變速傳動機構、5.高速軸、6.齒輪泵、7.供油管、8.自鎖套、9.壓力油路、10.截流口、11.恒流口、12.恒壓腔、13.油箱、14.恒壓塊、15.柱塞。

一種采用重力恒壓穩速的風力發電機穩頻機構，涉及風力發電機領域中保持發電機穩速、穩頻的機構，其包括風力發電機的葉輪1、低速軸2、發電機3、變速傳動機構4、高速軸5、齒輪泵6和油箱13等。

其中，葉輪1安裝在低速軸2上，并受風力帶動而驅動低速軸2轉動；變速傳動機構4分別連接低速軸2和高速軸5，并將低速軸輸入的動力經變速傳動機構4轉換而輸出至高速軸5，以帶動高速軸轉動；所述的高速軸5為雙頭輸出軸，即圖1所示左端安裝發電機3、右端安裝齒輪泵6，故發電機與齒輪泵為同軸轉動的安裝關系。

所述的油箱13安裝在齒輪泵6上方，其內充滿液壓油，可保證油箱13內的穩頻機構能夠始終浸泡在油液中工作，在油箱13與齒輪泵6之間設有互相連接的供油管7，以構成液壓油的循環流動。

所述的油箱13內設有豎直安裝的自鎖套8和恒壓塊14，且自鎖套8固定安裝在油箱13內，恒壓塊14升降活動安裝在自鎖套8內，該恒壓塊14頂部伸出自鎖套8外露，故在自鎖套頂部還需設有活動孔以供恒壓塊14升降活動時的進出，恒壓塊外壁與活動孔的孔壁之間設為間隙配合關系。

所述的恒壓塊14內設有恒壓腔12，該恒壓腔包括上腔和下腔，在上腔和下腔之間設有通油孔；所述的恒壓塊14側壁上設有連通恒壓腔12、具體是連通上腔的恒流口11，隨著恒壓塊14的升降活動，該恒流口11就會完全被活動孔的孔壁阻擋，即處于關閉狀態；或外露于自鎖套8頂部，從而分別連通恒壓腔12和油箱13。

同時，齒輪泵6具有柱塞15結構，該柱塞由下而上依次穿過自鎖套8和恒壓塊14而伸入恒壓腔12、具體是下腔內，在柱塞15內設有連通齒輪泵6的壓力油路9，柱塞15側壁上設有分別連通壓力油路9和恒壓腔12、具體是下腔的截流口10；隨著恒壓塊14的升降活動，該截流口10就會被恒壓塊14的內壁給予不同截流面積的阻擋，即恒壓塊14上升，該截流口10的截流面積減小；恒壓塊14下降，該截流口10的截流面積增大。另外，截流口10的截流面積與葉輪1風力的大小也有關系，即截流口10的截流面積受葉輪1風力增大而減小，受葉輪1風力減小而增大；相應的，恒壓腔12的容積則受葉輪1風力增大而增大，受葉輪1風力減小而減小；壓力油路9內的油壓也隨著葉輪1風力增大而增大，葉輪1風力減小而減小。

通過截流口10的截流面積變化和恒壓腔12內的容積變化，也是為了實現液壓油在該機構內的流量變化，使得不管葉輪1風力如何變化，都能保證整套機構始終處于恒壓、恒速的狀態內，也就始終保證高速軸5的穩速轉動輸出，并最終得到發電機的穩頻輸出。

該風力發電機穩頻機構在使用中還符合如下結構特征：

一、恒壓塊14重量、柱塞15的截面面積A、恒流口11的面積、恒壓腔12內的油壓均保持不變。

二、壓力油路9內的油壓×截流口10的截流面積=恒壓腔12內的油壓×恒流口11的面積；壓力油路9內的油壓變化與截流口10的截流面積變化呈反比；壓力油路9內的油壓變化與恒壓腔12的容積變化呈正比。

本發明是根據葉輪1風力大小變化而實現恒壓、恒速工作的，其工作狀態為：

當葉輪1在風力作用下旋轉時，低速軸2經變速傳動機構4帶動高速軸5轉動，進而使得發電機3和齒輪泵6進入工作狀態，則液壓油在齒輪泵6的作用下通過壓力油路9、截流口10而進入恒壓腔12，壓力油路9內的油壓大于恒壓腔12內的油壓時，恒壓塊14上升，使得恒流口11如圖2所示脫離自鎖套8，液壓油就能通過恒流口11排出至油箱13，而油箱內的液壓油通過供油管7重新回到齒輪泵6，就完成了一個液壓油的循環流動過程。

當風力進一步增大，就會導致葉輪1轉矩增大，通過變速傳動機構4、高速軸5帶動齒輪泵6的扭矩也增大，則壓力油路9內的油壓升高，液壓油在截流口10的流速加快，但是由于恒壓腔12壓力不變，恒流口11流速不能增加，所以增大了恒壓腔12的容積而使得恒壓塊14上升，并使截流口10的截流面積如圖3所示被恒壓塊14內壁阻擋而減小，進而導致流量也減小，從而達到與恒流口11的流量平衡，齒輪泵6流量與截流口10、恒流口11的流量也相等，也就使齒輪泵6的轉速得到控制。

當風力下降，引起液壓油路9內的油壓下降，使恒壓塊14同時下降，截流口10的截流面積增大，流量就會與恒流口11保持平衡。當風力進一步減小，壓力油路9內的油壓低于恒壓腔12內的油壓，恒壓塊14便如圖1所示下降到底，恒流口11被自鎖套8完全堵死；此時液壓油的停止循環，齒輪泵6、發電機3和葉輪1同步停止轉動。

本發明的工作原理如下：

一、在于利用重量不發生改變的恒壓塊14與面積不發生改變的柱塞15的截面面積A之比不變，從而形成了恒壓腔12，液壓油在恒壓腔的恒壓作用下，通過面積不發生改變的恒流口11而進入油箱13內，在供油管7、齒輪泵6以及壓力油路9所形成的回路中，液壓油始終保持恒流速，齒輪泵6在恒流速的控制下實現恒轉速，進而通過高速軸5與變速傳動機構4，使發電機3和葉輪1同時實現恒轉速。

二、當風力增強，葉輪1轉矩增大，通過變速傳動機構4與高速軸5使得齒輪泵6的扭矩增大；此時，壓力油路9內的油壓升高，在超過恒壓腔12內的油壓時，截流口10處流速加大，由于恒流口11具備恒壓下的恒流速，所以導致恒壓腔12的容積增加，并推動恒壓塊14上升，恒流口11脫離自鎖套8打開，恒壓塊14繼續上升，截流口10的截流面積減小，從而達到截流口的流量與恒流口11的流量平衡，使齒輪泵6的出口流量與恒流口11的流量相同，從而使得齒輪泵6的轉速不能增加，達到恒轉速的目的。

三、當風力減弱時，葉輪1轉矩下降，通過變速傳動機構4與高速軸5使齒輪泵6的轉速下降，壓力油路9內的油壓降至低于恒壓腔12內的油壓；此時，恒壓塊14下降，使恒流口11被自鎖套堵住，循環回路不通，這時齒輪泵6停止轉動，發電機3和葉輪1也就同時停止轉動。

本發明所述實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外還應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍內。