[发明专利]可变速比变速器

说明书

技术领域

本发明涉及具有无级变速的速比的可变速比变速器，其例如使诸 如风力或潮汐涡轮机的原动机能够以较低的但连续变化的速度运转， 以在没有过大的瞬时转矩的情况下平稳地驱动诸如同步发电机的恒速 机器。

背景技术

具体地，对于用于风力涡轮机的增速变速器的需要源于其与典型 地为1500rpm的优选的发电机速度相比转速较低。低的涡轮机速度由 以下事实导致，即：风能发电是涡轮机扫掠面积和叶片叶尖速度极限 的函数。因而，功率越高，转子速度越低。实际上，功率与转子直径 的平方成正比，而转子速度与叶尖直径和/或转子功率的平方根成反 比；例如，与具有相同叶尖速度的400kW机器以44rpm运转相比， 3000kW涡轮机将以16rpm运转。由于转子重量和转矩与转子直径的 立方成正比；较大的涡轮机不但具有较大的变速器增速比，而且具有 甚至更大的输入转矩，并因此具有较低的功率对重量比。例如，尽管 3000kW涡轮机产生了400kW机器的7.5倍的功率，但是其转矩和重 量增加到原来的20.54倍(即，7.5的1.5次幂)，而因为其速度减少 了7.5倍的平方根，所以速比增加到原来的2.74倍。

由于变速箱的体积、重量和价格受其转矩和总速比的支配，所以 有通过减少寄生的瞬时过载转矩来减少重量的动机，所述寄生的瞬时 过载转矩通常在所有固定速比的风力涡轮机变速器中产生(并为其提 供)。这些通过风速、空气密度和在涡轮机的大的扫掠面积上的单元 空气动力能量中的随机变化而产生。这些变化导致涡轮机转子毂在其 至变速箱的输入处的速度波动，所述速度波动每转可能会发生多次。 这由于风速的稳态变化以及阵风期间发生的突然变化而进一步复杂 化。由于风能与空气速度的立方直接相关，所以50％的瞬时速度增加 将把空气动力学功率增加到原来的3倍。在该功率中的某些部分将由 于较低效率而耗散，而某些部分将通过涡轮机中增加的速度和动能而 耗散时，由此可以知道，对于固定速比变速器，将产生额外转矩以试 图使发电机加速。这源于以下事实，即：发电机的惯量绕其自身轴线 (指涡轮机转子的轴线时)的极矩被乘以增速比的平方。因而，需要 80/1的增速比的发电机将具有绕其自身轴线惯量的6400倍的折合惯 量(referred inertia)。涡轮机转子毂与其平均转速的1度角偏差将 因此意味着发电机在相同的时间尺度上的80度的波动。

异步发电机可以采用功率调节以产生平稳的电力输出，但是这掩 饰了问题，因为机械加速转矩将仍然需要改变其速度。这种瞬时加速 转矩仅可以通过机械变速器路径中的应变能而减小，因而更加刚性的 变速器将具有更高的转矩。

可变速比变速器通过按与涡轮机速度的瞬时变化相同的比率以互 补的方式改变其速比而消除该问题。通过这样做，发电机转矩、速度 和相位角通过允许涡轮机加速和吸收动能形式的过大的瞬时功率而保 持恒定。

例如在本申请人的在先专利申请WO2004/109157中说明的现有 的可变速比变速箱已经为包括风力涡轮机的应用所采用。然而，这些 应用的复杂性(例如使用诸如离合器和可替代的动力路线的可消耗部 件的需要)增加了它们的尺寸、重量和制造成本。本发明人已经意识 到需要一种简单的可变速比变速箱，其在实施例中提供了发电机速度 控制和简单的设计。

发明内容

根据一个方面，本发明涉及一种用于风力或潮汐发电机应用的可 变速比变速器，其适于从原动机输入提供基本恒速的输出，所述原动 机输入至少在产生所有发电的输入速度范围内改变速度，所述变速器 包括具有原动机输入和驱动输出的初级差速器齿轮系，其中所述输入 速度与输出速度的速比是可变的，并且其中所述速比受由所述初级差 速器内的速度控制齿轮传动装置所提供的反作用转矩支配，所述变速 器还包括次级差速器齿轮系，所述次级差速器齿轮系经由第一路线与 所述输入进行旋转连接，并且经由不同的第二路线与所述速度控制齿 轮传动装置进行旋转连接，其中所述次级差速器齿轮系包括两条平行 的动力路径，一条路径包括液压旁路，所述液压旁路具有在液压回路 中的两个液压单元，沿着所述旁路路径的液压回路传输的动力和所传 输动力的方向在使用中能够选择地变化以改变另一条路径中的速度， 由此改变所述第二路线中的动力并改变所述速度控制齿轮传动装置的 反作用转矩，并由此支配所述速比，所述变速器的特征在于，所述第 一路线和第二路线用于整个输入速度范围。