【申请号：201310117739.6；申请人：哈尔滨工程大学；发明人：张立勋、梁迎彬、邹宇鹏、焦启飞、王晓宇】

 

本发明公开了一种垂直轴风力机变桨距机构，包括一个伺服电机、一个闭合箱体，其内装有由一个驱动曲柄、四个传动曲柄和一个起“连杆”作用的旋转盘组成的平行四边形机构，以及四套同步带组；所述的伺服电机与所述闭合箱体一侧的驱动曲柄外伸轴头键连接；四个驱动轮分别固装在所述闭合箱体另一侧的传动曲柄外伸轴头上，并借助同步带与固装在叶片上的变桨轮组成“软传动”机构。闭合箱体借助螺栓固定在发电机外转子上。编码器安装在伺服电机的尾部用以反馈伺服电机的转速和转角等信息。其有益效果在于：采用主动控制的变桨距机构能主动跟随风向，时刻调节叶片桨距角，进而改善了风力机的气动性能，提高了垂直轴风力机的启动能力。

 

1 ．一种垂直轴风力机变桨距机构，其特征在于：包括伺服电机（ 7 ）、伺服电机固定盘 ( 6 ）、旋转盘（ 8 ）、变桨固定盘（ 9 ）、传动曲柄（ 10 ）、驱动曲柄（ 11 ）、驱动轮（ 13 ）、同步带（ 4 ) 和变桨轮（ 12 ）、编码器（ 17 ）和轴承等；其中，变桨固定盘（ 9 ）的纵向断面呈曰状，在底部的同一圆周上加工出四个均布的、用于固装轴承外套的圆孔；用作变桨固定盘（ 9 ）上盖的伺服电机固定盘（ 6 ）的中心处加工出能固装轴承外套的圆孔；变桨固定盘（ 9 ）与伺服电机固定盘（ 6 ）借助螺栓组装成一个闭合箱体；伺服电机（ 7 ）借助螺栓同轴线地固连在伺服电机固定盘（ 6 ）的外侧；而旋转盘（ 8 ）、传动曲柄（ 10 ）、驱动曲柄（ 11 ）的总成位于所述的闭合箱体内；其中，一个驱动曲柄（ 11 ）和四个传动曲柄（ 10 ）的两端各反向固装一个曲柄轴，且具有相等的曲柄轴间距；旋转盘（ 8 ）的中心处加工出的圆孔与驱动曲柄（ 11 ）一端的曲柄轴固装，而在靠近旋转盘（ 8 ）外缘的圆周上加工出的四个均布圆孔分别与四个传动曲柄（ 10 ）的一端固装；驱动曲柄（ 11 ）另一端的曲柄轴穿过轴承内套后与伺服电机（ 7 ）的轴固连；四个传动曲柄（ 10 ）另一端的曲柄轴各自穿过所述的变桨固定盘（ 9 ）底部固装的四个轴承内套，并分别与四个驱动轮（ 13 ）键连接；变桨轮（ 12 ）固装在叶片驱动轴（ 14 ）上，驱动轮（ 13 ）与变桨轮（ 12 ）借助同步带（ 4 ）连动，传动比为 1 : 1 ；编码器（ 17 ）安装在伺服电机（ 7 ）的尾部。 

2 ．一种垂直轴风力机变桨距机构所涉及的垂直轴风力机包括风力机塔架（ 1 ）、发电机 ( 2 ）、风轮支撑梁（ 5 ）和叶片（ 3 ) ；其中，发电机（ 2 ）的定子（ 2 一 1 ）与风力机塔架（ 1 ）固连，发电机（ 2 ）的外转子（ 2 一 2 ）与风轮支撑梁（ 5 ）固连，且风轮支撑梁（ 5 ）的外端借助轴承（ 15 ）和叶片驱动轴（ 14 ）与上、下两个叶片（ 3 ）相连；其特征在于：由变桨固定盘（ 9 ）与伺服电机固定盘（ 6 ）借助螺栓组装成的闭合箱体借助变桨固定盘（ 9 ）底部的螺栓孔固定在风力机塔架 ( 1 ）顶部的发电机安装板（ 18 ）上。

 

一种垂直轴风力机变桨距机构，能主动跟随风向且通过变桨距提高风力机启动性能。属于垂直轴风力发电领域。

 

风力发电技术已经成为全球范围内解决能源短缺和环境、气候变化的有效手段，在新能源开发利用中起到主要作用。直叶片垂直轴风力机更是凭借结构简单，易于安装和维护，叶片加工制造简单等优势占据了中小型风电市场。然而传统直叶片垂直轴风力机的启动性能较差，成为限制直叶片垂直轴风力机发展的主要障碍之一，对此国内外学者对直叶片垂直轴风力机的启动能力进行了深入研究。

专利 《 Vertical axis wind turbine and wind turbine blade 》 （ US20070177970 ) 和 《 Wind turbine with adjustable air foi1s 》 （ US4383801 ）通过对翼型进行一定处理来提高翼型在低雷诺数下的空气动力特性，从而提高风力机的启动能力。另外一种常用的方法就是将升力型叶片与阻力型叶片组装在一起，利用阻力型叶片启动性能好的优势改善直叶片垂直轴风力机的启动能力。不过 《 风力机原理与应用 》 （赵振宙中国水利水电出版社）一书中的研究表明：组合风轮 H 型和 S 型，或小型与 S 型只是在形式上完成了统一，组合风力机在低尖速比下的气动性能有所提高，但是在高尖速比下的性能相比单一升力型叶片的气动性能还要差。可见组合风轮结构是以牺牲风力机的整体发电量为代价来提高启动性能的，组合风轮结构形式还有待研究。

 

发明内容 

本发明的目的在于公开一种垂直轴风力机变桨距机构，包括一个伺服电机、一个闭合箱体，其内装有由一个驱动曲柄、四个传动曲柄和一个起“连杆”作用的旋转盘组成的平行四边形机构，以及四套同步带组；所述的伺服电机与所述闭合箱体一侧的驱动曲柄外伸轴头键连接；四个驱动轮分别固装在所述闭合箱体另一侧的传动曲柄外伸轴头上，并借助同步带与固装在叶片上的变桨轮组成“软传动”机构。闭合箱体借助螺栓固定在发电机外转子上。同步带传动能适应叶片安装半径的要求，且对叶片的振动起到一定的缓冲作用。编码器安装在伺服电机的尾部用以反馈伺服电机的转速和转角等信息。其有益效果在于：采用主动

本发明所涉及的垂直轴风力机由风力机塔架、发电机、风轮支撑梁和叶片构成；其中，发电机的定子与风力机塔架固连，发电机的外转子与风轮支撑梁固连，且风轮支撑梁的外端借助轴承和叶片驱动轴与上、下两个叶片相连。 

一种垂直轴风力机变桨距机构的详细构成如下。

它包括伺服电机、伺服电机固定盘、旋转盘、变桨固定盘、传动曲柄、驱动曲柄、驱动轮、同步带和变桨轮和轴承等；其中，变桨固定盘的纵向断面呈曰状，在底部的同一圆周上加工出四个均布的、用于固装轴承外套的圆孔；用作变桨固定盘上盖的伺服电机固定盘的中心处加工出能固装轴承外套的圆孔；变桨固定盘与伺服电机固定盘借助螺栓组装成一个闭合箱体；伺服电机借助螺栓同轴线地固连在伺服电机固定盘的外侧；而旋转盘、传动曲柄、驱动曲柄的总成位于所述的闭合箱体内；其中，一个驱动曲柄和四个传动曲柄的两端各反向固装一个曲柄轴，且具有相等的曲柄轴间距；旋转盘的中心处加工出的圆孔与驱动曲柄一端的曲柄轴固装，而在靠近外缘的圆周上加工出的四个均布圆孔分别与四个传动曲柄的一端固装；驱动曲柄另一端的曲柄轴穿过轴承内套后与伺服电机的轴固连；四个传动曲柄另一端的曲柄轴各自穿过所述的变桨固定盘底部固装的四个轴承内套，并分别与四个驱动轮键连接，再经同步带和固装在叶片轴上的变桨轮带动叶片调整桨距。所述的封闭箱体借助变桨固定盘底部的螺栓孔固定在风力机塔架顶部的发电机安装板上。编码器安装在伺服电机的尾部用以反馈伺服电机的转速和转角等信息。

在上述结构中，驱动曲柄分别与与传动曲柄组成平行四边形机构，旋转盘为共用的“连杆”，从而确保传动曲柄的转速与驱动曲柄的转速大小相等，方向相同；所述的驱动轮和变桨轮的传动比关系为 1 : 1 。与齿轮传动相比，同步带不仅能确保传动精度，且不受叶片安装半径的限制，有利于降低变桨距机构转动惯量。

根据风向仪采集的风向信息和风轮编码器采集的风轮转角信息，控制器发出指令驱动伺服电机从而实现叶片桨距角的实时调节；当风向发生转变时，控制器发出指令使伺服电机也转动相同角度，这样叶片始终将初始最优位姿正对风向，从而提高风能利用率，改善低风速下的启动能力。

本发明所涉及的变桨距机构结构紧凑、便于安装，采用一台伺服电机同时控制四组叶片，在降低变桨距控制功耗的前提下，提高了垂直轴风力机的启动能力。

 

图 1 一种垂直轴风力机变桨距机构的安装示意图

 

图 2 一种垂直轴风力机变桨距机构的结构示意图

 

图 3 采用变桨距机构的垂直轴风力机的俯视图 

 

图 4 一种垂直轴风力机变桨距机构主动跟随风向的示意图

 

面给出本发明的具体实施方式并结合附图加以说明。

如图 1 、图 2 所示，本发明所涉及的垂直轴风力机由风力机塔架 1 、发电机 2 、风轮支撑梁 5 和叶片 3 构成；其中，发电机 2 的定子 2 一 1 与风力机塔架 1 固连，发电机 2 的外转子 2 一 2 与风轮支撑梁 5 固连，且风轮支撑梁 5 的外端借助轴承 15 和叶片驱动轴 14 与上、下两个叶片 3 相连。

本发明公开的一种垂直轴风力机变桨距机构安装在风力机塔架 1 顶部的发电机 2 上并借助驱动轮 13 、同步带 4 和固装在叶片驱动轴 14 上的变桨轮 12 带动叶片 3 旋转；变桨轮 12 固装在叶片驱动轴 14 上，驱动轮 13 与变桨轮 12 借助同步带 4 连动，传动比为 1 : 1 。编码器 17 安装在伺服电机 7 的尾部用以反馈伺服电机 7 的转速和转角等信息。 

如图 2 所示，用伺服电机 7 驱动的变桨距机构包括伺服电机固定盘 6 、旋转盘 8 、变桨固定盘 9 、传动曲柄 10 、驱动曲柄 11 、驱动轮 13 、同步带 4 和变桨轮 12 和轴承等；其中，变桨固定盘 9 的纵向断面呈曰状，在底部的同一圆周上加工出四个均布的、用于固装轴承外套的圆孔；用作变桨固定盘 9 上盖的伺服电机固定盘 6 的中心处加工出能固装轴承外套的圆孔；变桨固定盘 9 与伺服电机固定盘 6 借助螺栓组装成一个闭合箱体；伺服电机 7 借助螺栓同轴线地固连在伺服电机固定盘 6 的外侧；而旋转盘 8 、传动曲柄 10 、驱动曲柄 H 的总成位于所述的闭合箱体内；其中，一个驱动曲柄 11 和四个传动曲柄 10 的两端各反向固装一个曲柄轴，且具有相等的曲柄轴间距；旋转盘 8 的中心处加工出的圆孔与驱动曲柄 H 一端的曲柄轴固装，而在靠近旋转盘 8 外缘的圆周上加工出的四个均布圆孔分别与四个传动曲柄 10 的一端固装；驱动曲柄 H 另一端的曲柄轴穿过轴承内套后与伺服电机 7 的轴固连；四个传动曲柄 10 另一端的曲柄轴各自穿过所述的变桨固定盘 9 底部固装的四个轴承内套，并分别与四个驱动轮 13 键连接，再经同步带 4 和固装在叶片轴 14 上的变桨轮 12 带动叶片 3 调整桨距。所述的封闭箱体借助变桨固定盘 9 底部的螺栓孔固定在风力机塔架 1 顶部的发电机安装板 18 上。 

如图 3 所示，在上述结构中，驱动曲柄 H 分别与与传动曲柄 10 组成平行四边形机构，旋转盘 8 为共用的“连杆”，从而确保传动曲柄 10 的转速与驱动曲柄 H 的转速大小相等，方向相同。 

参照图 4 ，当风向发生偏转，风向仪将采集的风向信息发送到控制器，控制器根据风向仪的标定位置进行比较以确定风向偏转的角度，之后控制器发出指令驱动伺服电机 7 按照风向偏转方向旋转相同的角度，通过变桨距机构以及同步带 4 将驱动曲柄 H 运动传递到叶片 3 ，从而使叶片初始最优位姿始终正对来流方向。

本发明采用主动控制的变桨距机构能主动跟随风向，时刻调节叶片桨距角，进而改善了风力机的气动性能，提高了垂直轴风力机的启动能力。