一种小型风力发电机的重力调速装置的制作方法

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种小型风力发电机的重力调速装置系统。

背景技术：

目前大型风力机多采用主动变桨距进行大风限速，而小型风力机的大风限速方式却不断趋于多样化。小型风力机的大风限速方式可分为空气动力控制、电磁控制。空气动力控制包括风轮侧偏或上仰、失速控制；电磁控制包括电磁刹车(发电机三相输出短接)。

采用不同空气动力限速方式的风力机在结构上会有所不同，对于仰头式的风力机来说，其尾舵上安装一个斜向上的风铲，当风速过大时，它的气动性能使风轮会仰头起到减速的作用，但是一旦风速减小，其尾舵会因重力迅速回位，这个瞬时载荷全部由风力机的支架承担，并且电机也会受到一定的损伤，减少其整机的使用寿命。

风力机失速控制主要是通过确定翼型扭角分布，使风轮功率达到额定点后，以减少翼型升力、提高阻力来实现控制风轮的转速，但存在一定的缺点：当风力机处于离网状态时，风轮将加速，迎角将减小，叶片将脱离失速区，导致风轮扭矩增加，这将加剧风轮超速的程度，所以通常将失速控制与刹车控制配合使用才能达到满意的控制效果，这不适用于小型风力机安装。

电磁刹车是通过发电机组整个电回路的电流以实现刹车，也就是将输出端短接，产生短路，使回路瞬间电流增大，线圈电流可产生电磁阻力矩，电流越大，阻力矩就越大，但电磁控制确实存在一定的缺陷：由于需要加入控制系统，所以风力机的成本会增加；在自然条件下，由于风速变化存在很大的不确定性，尤其在春季或秋季，风速变化太快，控制器还没有发出限速指令，瞬间的高压已经将电路板及电机烧毁。也就是说，该限速方案的检测控制环节依然存在滞后的问题，不能有效保护风力发电控制系统。

重力调速式风力机是目前使用最普遍的一种小型风力机风轮侧偏类限速方式，装有侧偏限速机构的小型风力机最早是从国外引进的，其工作过程运用了力学原理，具有优良的偏转性能。但目前市场上出现的侧偏式风力机多是根据一般经验设计，缺乏一定的理论支持，有些产品调速性能不佳，甚至不能调速。由此可见，设计并加工出一款调速性能稳定的重力式风力机显得尤为重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了提高小型风力机的调速机构的有效性和可靠性，避免因为风力超过电机额定上限对电机造成的损伤，增加小型风力电机的使用年限。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是通过偏心安装风力发电机，同时利用斜铰轴控制风力发电机尾舵斜向摆动的方式，使风力发电机在风力超过发电机额定转速情况时，通过尾舵偏转和尾舵抬高的调速动作，使发电机与风向呈一定角度，从而限制和降低了发电机旋转速度，使其在转速额定上限内工作。

本实用新型小型风力发电机的重力调速装置，包括风机固定支架、偏心架、偏航计数齿轮、发电机、尾舵偏转限制架、尾舵杆和尾舵，偏心架固定安装在风机固定支架顶端，偏航计数齿轮和发电机固定安装在偏心架上，尾舵偏转限制架固定安装在发电机的尾部，尾舵杆的前端配合安装在尾舵偏转限制架上，尾舵杆的后端固定安装尾舵。

所述的偏心架包括轴座和电机固定架，电机固定架配合安装在轴座上，电机固定架上设有安装板，安装板与轴座的轴心偏心设置；偏心架通过轴座的法兰结构固定安装在风机固定支架顶端；发电机通过固定法兰固定安装在偏心架的安装板上。

所述的尾舵偏转限制架为像C型槽钢状构造的卡件，包括了端面、上架面和下架面三个结构面，上架面和下架面之间设置有斜铰轴和限制杆，斜铰轴倾斜安装设置，限制杆固定安装设置；尾舵杆的前端配合安装在尾舵偏转限制架的上架面和下架面之间的斜铰轴上。

所述偏心架上的安装板上开设有安装槽孔，安装槽孔呈长条状设计。

所述的发电机在安装板上的安装位置可调。

所述的安装槽孔与轴座不在同一轴向上。

所述的尾舵偏转限制架的上架面开设有一个轴孔，下架面上开设有一个安装孔；斜铰轴的下端配合安装在安装孔上，上端安装在轴孔中。

所述的轴孔和安装孔沿垂直方向错位设置，轴孔到端面的距离大于安装孔到端面的距离。

所述尾舵偏转限制架上的限制杆固定设置在C型槽口的前沿右侧靠边位置。

所述的尾舵杆靠尾舵偏转限制架的限制杆左侧安装。

本实用新型的有益效果在于：通过发电机的偏心安装设计和尾舵限制架的斜铰轴设计，有效的实现了风力超过发电机额定转速风力时，使发电机叶轮与风力形成一定角度，达到了降低发电机转速的目的，避免了因为发电机转速过高造成的硬件损伤，延长了风力发电机的使用寿命，降低了风力发电成本。

附图说明

附图1为本实用新型的整体结构示意图；

附图2为本实用新型的整体结构正视示意图；

附图3为本实用新型的整体结构侧视示意图；

附图4为本实用新型的偏心架结构示意图；

附图5为本实用新型的尾舵偏转限制架结构示意图；

附图6为本实用新型的斜铰轴与尾舵的力矩示意图。

附图中：风机固定支架1、偏心架2、轴座21、电机固定架22、安装板221、安装槽孔222、偏航计数齿轮3、发电机4、尾舵偏转限制架5、端面 51、上架面52、下架面53、轴孔54、安装孔55、斜铰轴56、限制杆57、尾舵杆6、尾舵7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施过程对本实用新型进行详细说明：

本实用新型小型风力发电机的重力调速装置，包括风机固定支架1、偏心架2、偏航计数齿轮3、发电机4、尾舵偏转限制架5、尾舵杆6和尾舵7，偏心架2固定安装在风机固定支架1顶端，偏航计数齿轮3和发电机4固定安装在偏心架2上，尾舵偏转限制架5固定安装在发电机4的尾部，尾舵杆 6的前端配合安装在尾舵偏转限制架5上，尾舵杆6的后端固定安装尾舵7。

所述的偏心架2包括轴座21和电机固定架22，电机固定架22配合安装在轴座21上，电机固定架22上设有安装板221，安装板221与轴座21的轴心偏心设置；偏心架2通过轴座21的法兰结构固定安装在风机固定支架1顶端；发电机4通过固定法兰固定安装在偏心架2的安装板221上。

所述的尾舵偏转限制架5为像C型槽钢状构造的卡件，包括了端面51、上架面52和下架面53三个结构面，上架面52和下架面53之间设置有斜铰轴56和限制杆57，斜铰轴56倾斜安装设置，限制杆57固定安装设置；尾舵杆6的前端配合安装在尾舵偏转限制架5的上架面52和下架面53之间的斜铰轴56上。

所述偏心架2上的安装板221上开设有安装槽孔222，安装槽孔222呈长条状设计。

所述的发电机4在安装板221上的安装位置可调。

所述的安装槽孔222与轴座21不在同一轴向上。

所述的尾舵偏转限制架5的上架面52开设有一个轴孔54，下架面53上开设有一个安装孔55；斜铰轴56的下端配合安装在安装孔55上，上端安装在轴孔54中。

所述的轴孔54和安装孔55沿垂直方向错位设置，轴孔54到端面51的距离大于安装孔55到端面51的距离。

所述尾舵偏转限制架5上的限制杆57固定设置在C型槽口的前沿右侧靠边位置。

所述的尾舵杆6靠尾舵偏转限制架5的限制杆57左侧安装。

本实用新型小型风力发电机的重力调速装置的调速机理：

当风速风向都在额定范围内时，风力发电机4与尾舵杆6始终处于同一轴向，尾舵7可以用来对风偏航，使风力发电机4和尾舵杆6的轴向与风向保持一致，使风力发电机4一直处于最大风速的风向下工作。当风速超过额定风速时，偏心距作用使风机头相一侧偏转，尾舵7由于其气动性能的作用将保持始终与风向同向，风力达到或超过了尾舵7和尾舵杆6的自身重力，正好拖动尾舵杆6沿斜铰轴56向上偏转，同时偏心架2在偏心距作用使发电机4向一侧偏转，使发电机4的机头与风向形成倾斜的角度，从而降低速度。风力越大，偏转方向越大，始终确保发电机4在额定转速内旋转，达到保护发电机的目的，通过偏心距的设定，可以调节限定额定转速的风力偏转量。当风速降低到额定风速范围内时，尾舵7由于其自重回到原来的位置，再一次进行对风来正常发电。尾舵杆6靠尾舵偏转限制架5的限制杆57左侧安装，使得尾舵杆6向右偏转才能带动发电机4随偏心架2整体旋转，控制电机沿一个方向旋转。

偏心架2的偏心距是根据尾舵所受的气动力对斜铰轴的力矩和风轮所受的力对斜铰轴的力矩来确定的(也就是力臂)，具体计算公式如下：

公式中：e—偏心距(m),Ma—风轮偏转力矩，ρ—空气的密度(kg/m3)， As—风轮面积，V—风速(m/s)，l₁—风轮平面到塔架轴线的距离(m),实验系数：a＝0。偏心距的就算公式推导如下：

(1)偏心距为e的风轮侧偏力矩的计算：当风轮偏航一定角度时，偏转力矩不仅与偏心距有关而且与l1有联系，更与风轮在主风向时的载荷有联系，求偏转力矩。

式中：ρ—空气的密度(kg/m3),ρ＝1.09kg/m3，V—风速(m/s)，As—风轮面积，l₁—风轮平面到塔架轴线的距离(m),e—偏心距(m),因此在风速为额定值时，比如V＝10m/s，l1＝0.84m，实验系数：a ＝0，计算得出风轮的偏转力矩为：Ma＝3.97N·m。

(2)如附图6所示，令β′＝5.7°，β″＝26°且在额定风速下风力机恰好进入偏转，有由于Φ为0度，可以把已知带入，求Ms值，

式中：G_f—尾舵的总重力(N)，G_f＝49N，m＝5kg，L_g—尾舵重心到斜铰轴轴心的距离(m),L_g＝0.8m解得：Ms＝3.89N·m，因为风的速度突然增大，由于此时风速的升高，偏转随之升高，偏转力矩增大，此时Ma>Ms，风轮受力发生变化，求Ms。刚好满足要求。于是将Ma代回式中核算e值，计算得到e＝0.05m。