风力发电机传动系统无极变速的研究

（东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110004）

风力发电机传动系统无极变速的研究

肖 洁

（东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110004）

本文在研究传统风力发电机传动系统的基础上，发现和总结其缺点，得到改进需求，提出一种改进的无级变速风力发电机传动系统，并给出其原理图和详细功能解释，在满足传统传动系统功能的前提下增加了无级变速功能，减小了输出轴的速度波动，对优化风力发电机的传动性能有一定的参考意义。

风力发电机;传动系统;无级变速;速度波动

一般的风力发电机的齿轮传动都是使用定传动比的，由于风速的变化无常，导致输出轴的转速波动很大，这种不断变化的转速对系统是不利的，若能通过无级变速，使其在风速不断变化的情况下，输出轴转速波动减小或维持在稳定的转速，就能改善风电传动系统的特性。本文针对传统的风电传动系统的弊端，提出了一种无极变速传动系统，一定程度上消除了原来的弊端，也为风电传动系统的研究提供了一些新的思路。

1 传统的和改进的传动系统原理和对比

1.1 传统的定传动比传动系统原理

原理图如图1所示，输入轴连风轮，通过一级行星传动和二级圆柱齿轮传动获得加速，最后高转速输入发电机，这种传统的传动方式传动比是恒定的，输出轴的转速随风速变化的波动很大，所以需要在风轮的桨上安装变桨距机构，来减小转速波动给发电机带来的影响。

1.2 改进的无极变速传动系统原理

图1 传统风电传动系统原理图

原理图如图2所示，风吹动风轮1转动，然后通过一级行星齿轮2和二级行星齿轮3的加速，输出高转速，传给变速齿轮6，变速齿轮6再传给锥形齿轮4，最后传给发电机5，风能转化为电能，其中变速过程是通过变速齿轮6的左右移动来完成的，当丝杠转动时，带着变速盘7沿着丝杠左右移动，同时变速盘7也带着变速齿轮6左右移动，由于和变速齿轮6啮合的齿轮4是锥形的，当6左右移动时，4和6的啮合区的直径不断变化，传动比也不断变化，起到了变速的目的，同时，由于直径变化是连续的，所以这种变速是无级变速。

1.3 变速范围

此无级变速的变速范围主要取决与锥形齿轮4和变速齿轮6的传动比变化的极限，当变速齿轮6移动到锥形齿轮4的最右端时，输出的转速最高，当其运动到最左端时，输出的转速最低。变速范围与锥形齿轮4的锥度和变速齿轮6的左右运动行程有关。因此，设计时可以根据产品的传动比需要，改变锥形齿轮4和变速齿轮6的参数，就可以设计出不同变速范围的锥形齿轮与变速齿轮对。

2 改进无极变速传动系统的优点

1.1 无极变速可以对目前使用恒定数比的风力发电机设计提供改进方法。与传统设计相比，这类型的变速器可以让风力发电机在一个更高的气动效率及更大的风速范围内试车。

1.2 这个性能该进可以增加风力发电机发电量，而最终降低发电成本。此外，使用无级变速器的传动系统能够吸收来自突发阵风产生的叶轮扭矩，从而减小疲劳载荷，提升整个风力发电机的可靠性。

1.3 无极变速器的使用减小了对功率调节和变速控制系统的需求。减少电气控制可以降低整个风力发电机的成本，减少因其所导致的能量损失；并且系统中不需要使用经常性维护的滑环，从而提高了风力发电机的可靠性。

图2 改进的无极变速风电传动系统图

结语

本文通过研究传统的风电传动系统，得出其不能实现变速、风能利用率底、输出速度波动大等不足，在保留原有系统功能的基础上，提出了一种改进的风电传动系统，该系统能实现无级变速，并详细介绍了该系统的传动原理和变速原理，指出其变速范围和原理，使之能提供一种灵活的设计手段。该传系统能通过无极变速来改善传动性能，提高风能的利用率。可以对该领域传统的设计提供新的思路和手段，对设计人员有一定的借鉴和指导意义。

[1] 姚兴佳．风力发电机组理论与设计[M]．北京：机械工业出版社，2012．

[2] 诺迈士．风电传动系统的设计与分析[M]．上海：上海科学技术出版社，2013．

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