本發(fā)明涉及一種混合懸浮氣隙調(diào)整型風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用于大中型風(fēng)電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)小功耗偏航對(duì)風(fēng)以及側(cè)偏保護(hù)的風(fēng)能捕獲裝置，尤其可實(shí)現(xiàn)懸浮氣隙可調(diào)的偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩改變的偏航對(duì)風(fēng)。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源，已成為世界各國(guó)能源戰(zhàn)略的重心。風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵組件，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)槳葉始終迎風(fēng)以及超過(guò)額定功率時(shí)的側(cè)偏保護(hù)，有效提高風(fēng)電機(jī)組捕獲功率以及風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定。

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電偏航系統(tǒng)一般采用多電機(jī)多齒輪耦合技術(shù)，傳動(dòng)比甚至可達(dá)10000以上，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高以及對(duì)風(fēng)精度差問(wèn)題，尤其是較大的摩擦損耗使得風(fēng)機(jī)偏航功耗較大，影響風(fēng)機(jī)有效的輸出功率。發(fā)明專利200910161406.7披露了一種磁懸浮偏航裝置，該裝置采用磁懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)，極大降低了偏航故障率和維護(hù)費(fèi)用，風(fēng)機(jī)偏航是在機(jī)艙完全懸浮下實(shí)現(xiàn)的，極大降低了因機(jī)艙重力所致的摩擦轉(zhuǎn)矩；但由于風(fēng)機(jī)機(jī)艙往往運(yùn)行在40m高塔架上，風(fēng)機(jī)槳葉產(chǎn)生的傾覆力矩極易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)艙重心偏移和傾覆，縱向摩擦依然較大，同時(shí)風(fēng)機(jī)較大的機(jī)艙重量使得回轉(zhuǎn)力矩較大，對(duì)磁懸浮偏航電機(jī)功率要求依然很大，但由于機(jī)艙懸浮和偏航電機(jī)共用氣隙磁場(chǎng)，偏航電機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩受制于機(jī)艙懸浮氣隙，常使風(fēng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)大偏航負(fù)載波動(dòng)下的偏航對(duì)風(fēng)和側(cè)偏保護(hù)。發(fā)明專利201410143297.7披露了一種機(jī)械耦合式磁懸浮風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁懸浮技術(shù)降低了因機(jī)艙摩擦所致的偏航功耗，結(jié)合機(jī)械耦合技術(shù)將風(fēng)機(jī)捕獲機(jī)械轉(zhuǎn)矩直接分解輔助驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)，極大降低了磁懸浮偏航電機(jī)所需的電磁轉(zhuǎn)矩，部分解決了偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩和懸浮氣隙之間約束關(guān)系。但機(jī)艙懸浮和偏航電機(jī)氣隙磁通共用問(wèn)題依然存在，特別是風(fēng)機(jī)偏航本質(zhì)為偏航電機(jī)的大負(fù)載啟動(dòng)，較大起動(dòng)電流極易導(dǎo)致機(jī)艙懸浮氣隙波動(dòng)，同時(shí)偏航過(guò)程風(fēng)速的波動(dòng)也極易導(dǎo)致偏航轉(zhuǎn)速和氣隙波動(dòng)，甚至導(dǎo)致風(fēng)機(jī)整體需要的震蕩、失穩(wěn)以及停機(jī)，嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足，提供一種偏航電機(jī)氣隙恒定、機(jī)艙懸浮氣隙柔性可調(diào)的混合懸浮氣隙可調(diào)型風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為：混合懸浮氣隙調(diào)整型風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)，其特征包括機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體、復(fù)合塔架和偏航驅(qū)動(dòng)三部分，動(dòng)態(tài)調(diào)整懸浮氣隙和偏航轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙偏航對(duì)風(fēng)和側(cè)偏保護(hù)。所述機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體為機(jī)艙、機(jī)艙底座、永磁體環(huán)帶以及內(nèi)齒調(diào)速圈剛性一體化結(jié)構(gòu)，配合復(fù)合塔架和偏航驅(qū)動(dòng)共同完成機(jī)艙懸浮和偏航對(duì)風(fēng)。所述復(fù)合塔架由懸浮支撐體和塔架共同組成，用于支撐或懸浮機(jī)艙，所述懸浮支撐體包括外圓環(huán)帶、定子環(huán)帶、內(nèi)圓環(huán)帶，外圓環(huán)帶，用于非懸浮狀態(tài)下的機(jī)艙支撐以及零懸浮氣隙下偏航引導(dǎo)，外圓環(huán)帶上端面埋置對(duì)稱排列的8個(gè)壓力傳感器，檢測(cè)機(jī)艙對(duì)復(fù)合塔架壓力，控制無(wú)懸浮氣隙懸浮定子電流；定子環(huán)帶上端內(nèi)嵌定子繞組，分別由與永磁體環(huán)帶相對(duì)應(yīng)的電磁繞組串聯(lián)而成，定子繞組由懸浮變流器供電，與永磁體環(huán)帶一起協(xié)同變氣隙懸浮機(jī)艙；內(nèi)圓環(huán)帶有三個(gè)軸中心線夾角120度對(duì)稱排列的傳動(dòng)中軸，固定傳動(dòng)軸輪旋轉(zhuǎn)位置，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)力矩固定變比傳動(dòng)；所述偏航驅(qū)動(dòng)內(nèi)嵌于懸浮支撐體中，由偏航轉(zhuǎn)盤、偏航中軸、主動(dòng)輪與傳動(dòng)軸輪共同組成，所述偏航轉(zhuǎn)盤內(nèi)嵌三相對(duì)稱繞組，在定子繞組配合下產(chǎn)生偏航電磁轉(zhuǎn)矩，并實(shí)現(xiàn)變比調(diào)整驅(qū)動(dòng)機(jī)艙偏航。

所述機(jī)艙底座為設(shè)置在機(jī)艙底部且與機(jī)艙剛性連接的環(huán)形體，下端面為球柱式引導(dǎo)環(huán)帶，與復(fù)合塔架外圓環(huán)帶上引導(dǎo)柱槽，協(xié)同引導(dǎo)機(jī)艙偏航，支撐機(jī)艙；所述永磁體環(huán)帶是由八對(duì)n極和s極交錯(cuò)排列的永磁體圓環(huán)帶構(gòu)成，安裝在機(jī)艙底座內(nèi)側(cè)下端，與定子環(huán)帶對(duì)應(yīng)排列，并內(nèi)側(cè)剛性聯(lián)接內(nèi)齒調(diào)速圈，所述內(nèi)齒調(diào)速圈和3個(gè)對(duì)稱分布的傳動(dòng)軸輪機(jī)械耦合，永磁體環(huán)帶和定子繞組環(huán)帶間產(chǎn)生懸浮斥力，驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒調(diào)速圈與傳動(dòng)軸輪軸向偏移，機(jī)艙完全懸浮，內(nèi)齒調(diào)速齒圈和傳動(dòng)軸輪之間固定變比傳遞偏航轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)。

所述復(fù)合塔架為上端中空?qǐng)A盤體的塔架支撐，和機(jī)艙底座對(duì)應(yīng)協(xié)同支撐機(jī)艙；所述中空?qǐng)A盤體為懸浮支撐體，上端面依次布置外圓環(huán)帶、定子環(huán)帶以及內(nèi)圓環(huán)帶，所述外圓環(huán)帶內(nèi)設(shè)有引導(dǎo)柱槽，柱槽內(nèi)側(cè)設(shè)置滾柱，減小零懸浮氣隙下機(jī)艙偏航縱向摩擦；所述懸浮支撐體內(nèi)部放置偏航驅(qū)動(dòng)的偏航轉(zhuǎn)盤，屏蔽外部磁場(chǎng)對(duì)偏航轉(zhuǎn)矩磁通耦合。所述懸浮變流器是兩相h橋變流器，定子懸浮電流由h橋變流器改變電流方向和大小，與永磁體環(huán)帶產(chǎn)生大小和方向可調(diào)的電磁力，穩(wěn)定懸浮機(jī)艙。

所述偏航轉(zhuǎn)盤內(nèi)嵌的三相對(duì)稱繞組由三相雙向pwm變流器供電，偏航轉(zhuǎn)盤中心與偏航中軸剛性連接，確保偏航轉(zhuǎn)矩氣隙恒定；偏航中軸上端與主動(dòng)輪剛性連接，通過(guò)主動(dòng)輪與傳動(dòng)軸輪嚙合以及經(jīng)由內(nèi)齒調(diào)速圈嚙合，逐級(jí)傳輸偏航力矩。

本發(fā)明所帶來(lái)的有益效果是：

1)本發(fā)明將機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體、復(fù)合塔架和偏航驅(qū)動(dòng)納為一體并有機(jī)耦合，有效降低了機(jī)艙懸浮氣隙和偏航電磁轉(zhuǎn)矩之間的約束關(guān)系，解決了風(fēng)機(jī)小懸浮氣隙無(wú)法偏航問(wèn)題，極大降低懸浮功耗和偏航功耗，提高了風(fēng)能利用率。

2)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)無(wú)懸浮氣隙下的機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航對(duì)風(fēng)和側(cè)偏保護(hù)，并經(jīng)由懸浮電流方向和大小改變調(diào)控偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩，特別是球柱環(huán)帶和引導(dǎo)柱槽的引入，極大提高了風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)偏航對(duì)風(fēng)和側(cè)偏保護(hù)的安全性和可靠性。

3)本發(fā)明將機(jī)艙偏航和偏航驅(qū)動(dòng)有效解耦，減小了風(fēng)速波動(dòng)對(duì)偏航轉(zhuǎn)速控制的影響，較快的偏航驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度可有效降低了機(jī)艙懸浮對(duì)偏航驅(qū)動(dòng)的影響，極大降低了機(jī)艙偏航轉(zhuǎn)速控制的難度。

附圖說(shuō)明

圖1混合懸浮氣隙調(diào)整型風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖。

圖2機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體仰視圖。

圖3機(jī)艙懸浮支撐體俯視圖。

圖4引導(dǎo)柱槽截面圖。

圖5兩變流器控制示意圖。

圖6混合懸浮氣隙調(diào)整型風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)控制機(jī)制圖。

圖中1.風(fēng)機(jī)槳葉，2.發(fā)電機(jī)軸，3.發(fā)電機(jī)，4.機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體，5.風(fēng)速風(fēng)向儀，6.機(jī)艙底座，7.球柱式引導(dǎo)環(huán)帶，8.永磁體環(huán)帶，9.內(nèi)齒調(diào)速圈，10.傳動(dòng)軸輪，11.主動(dòng)輪，12.偏航中軸，13.傳動(dòng)中軸，14.壓力傳感器，15.引導(dǎo)柱槽，16.定子環(huán)帶，17.三相繞組，18.偏航轉(zhuǎn)盤，19.外圓環(huán)帶，20.塔架，21.柱狀滾子，22.h橋變流器，23.雙向pwm變流器，23.內(nèi)圓環(huán)帶。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明所公布的懸浮氣隙調(diào)整型風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)，包括機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體4、復(fù)合塔架和偏航驅(qū)動(dòng)三位一體結(jié)構(gòu)。其中機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體4包括風(fēng)機(jī)槳葉1、發(fā)電機(jī)軸2、發(fā)電機(jī)3、風(fēng)速風(fēng)向儀5、機(jī)艙底座6、球柱式引導(dǎo)環(huán)帶7、永磁體環(huán)帶8、內(nèi)齒調(diào)速圈9；復(fù)合塔架包括懸浮支撐體19、定子環(huán)帶16、傳動(dòng)中軸13、壓力傳感器14、引導(dǎo)柱槽15、塔架20、柱狀滾子21；偏航驅(qū)動(dòng)包括傳動(dòng)軸輪10、主動(dòng)輪11、偏航中軸12、三相對(duì)稱繞組17、偏航轉(zhuǎn)盤18。

本發(fā)明公布的混合懸浮氣隙調(diào)整型風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)工作機(jī)制如圖5所示，機(jī)艙偏航是在機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體、復(fù)合塔架和偏航驅(qū)動(dòng)共同工作下完成，復(fù)合塔架定子繞組16和機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體永磁體環(huán)8產(chǎn)生懸浮斥力，驅(qū)動(dòng)機(jī)艙懸浮，內(nèi)齒調(diào)速圈9與傳動(dòng)軸輪10發(fā)生軸向位移，機(jī)艙懸浮，此時(shí)偏航轉(zhuǎn)盤18通入三相交流電，偏航轉(zhuǎn)盤18旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)偏航。風(fēng)機(jī)機(jī)艙偏航可分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集計(jì)算、偏航判斷、懸浮準(zhǔn)備、機(jī)艙懸浮、機(jī)艙偏航、機(jī)艙降落和結(jié)束，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙變氣隙懸浮偏航對(duì)風(fēng)和側(cè)偏保護(hù)。

1)數(shù)據(jù)采集。dsp28035實(shí)時(shí)采集風(fēng)速、偏航角度θ、偏航轉(zhuǎn)速ω、懸浮氣隙δ、機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體壓力f，接收來(lái)自于機(jī)艙風(fēng)電機(jī)組控制傳輸?shù)陌l(fā)電機(jī)輸出功率pw；

2)偏航判斷。風(fēng)機(jī)偏航主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)正面迎風(fēng)，或者對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行側(cè)偏保護(hù)，確保發(fā)電機(jī)輸出功率小于其額定功率，偏航條件包括偏航角度θ和發(fā)電機(jī)輸出功率pw.。當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向儀5檢測(cè)偏航角度θ＞θmin最小偏航角度，或者發(fā)電機(jī)輸出功率pw>pn風(fēng)電機(jī)組額定功率，風(fēng)機(jī)滿足偏航條件；

3)懸浮準(zhǔn)備。由于機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體較大的質(zhì)量，懸浮速度、懸浮狀態(tài)以及偏航速度等嚴(yán)重影響風(fēng)電系統(tǒng)安全性，為此機(jī)艙懸浮前必需進(jìn)行懸浮和偏航準(zhǔn)備。根據(jù)采集的偏航角度以及壓力傳感器14分別計(jì)算風(fēng)機(jī)偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩和機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體的懸浮力，給出定子繞組16懸浮電流。結(jié)合偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及定子繞組懸浮電流，計(jì)算機(jī)艙偏航三相電流，藉此判斷風(fēng)機(jī)偏航狀態(tài)，無(wú)懸浮氣隙下偏航還是機(jī)艙懸浮下偏航。

4)機(jī)艙懸浮。機(jī)艙懸浮包括無(wú)懸浮氣隙和固定懸浮氣隙δref等兩種懸浮狀態(tài)。其中無(wú)懸浮氣隙狀態(tài)主要用于降低機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體壓力所致摩擦損耗，調(diào)整懸浮電流用于調(diào)控偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩，h橋變流器22向定子繞組16通電，電流調(diào)控是基于機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體壓力閉環(huán)控制而實(shí)現(xiàn)的，定子繞組16中的懸浮電流與永磁體環(huán)帶8協(xié)同產(chǎn)生懸浮斥力，改變機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩；固定懸浮氣隙機(jī)艙懸浮是基于固定懸浮氣隙δref的閉環(huán)控制而實(shí)現(xiàn)的，h橋變流器22通入定子繞組16的懸浮電流，定子繞組16和機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體中永磁體環(huán)帶8產(chǎn)生懸浮斥力，起浮機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體，內(nèi)齒調(diào)速圈9與傳動(dòng)軸輪10發(fā)生軸向位移，機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體逐步脫離復(fù)合塔架支撐，懸浮氣隙δ逐步逼近固定懸浮氣隙δref，直至滿足條件|δ-δref|≤δmin，其中δmin為最小氣隙偏差。

5)機(jī)艙偏航。機(jī)艙偏航存在無(wú)懸浮氣隙下機(jī)艙偏航和固定懸浮氣隙下偏航，根據(jù)偏航目的又可分為偏航對(duì)風(fēng)和側(cè)偏保護(hù)兩種。無(wú)懸浮氣隙下偏航是基于壓力傳感器14獲取復(fù)合塔架壓力，動(dòng)態(tài)調(diào)控偏航負(fù)載轉(zhuǎn)矩，偏航轉(zhuǎn)盤18三相對(duì)稱繞組17電流是基于偏航轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的，機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體4在球柱式引導(dǎo)環(huán)帶7和引導(dǎo)柱槽15引導(dǎo)下旋轉(zhuǎn)偏航；固定懸浮氣隙下機(jī)艙偏航，是h橋變流器22和雙向pwm變流器23協(xié)同控制電流完成，機(jī)艙懸浮穩(wěn)定后，起動(dòng)雙向pwm變流器23向三相對(duì)稱繞組17通入三相對(duì)稱交流電，三相對(duì)稱繞組17在定子環(huán)帶16勵(lì)磁作用下，偏航轉(zhuǎn)盤18產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩由偏航中軸12傳遞至主動(dòng)輪11，主動(dòng)輪11則與傳動(dòng)軸輪10嚙合，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒調(diào)速圈9，最終驅(qū)動(dòng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體偏航對(duì)風(fēng)或側(cè)偏保護(hù)，由此完成偏航轉(zhuǎn)盤18的高轉(zhuǎn)速小力矩到機(jī)艙旋轉(zhuǎn)體上的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的高效轉(zhuǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)艙偏航對(duì)風(fēng)或側(cè)風(fēng)保護(hù)。

6)機(jī)艙降落。當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向儀5檢測(cè)到偏航角度θ≤θmin或pw＝pn，機(jī)艙偏航結(jié)束，雙向pwm變流器23首先停止向三相對(duì)稱繞組17供電，接著調(diào)控h橋變流器22電流，使機(jī)艙懸浮氣隙或復(fù)合塔架壓力逐步減小至0，最終由懸浮支撐體19支撐機(jī)艙，機(jī)艙偏航結(jié)束。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。