偏航角度测量系统及风力发电机组的制作方法

本实用新型涉及一种偏航角度测量系统及具有该偏航角度测量系统的风力发电机组。

背景技术：

在风力发电机组中，为了获取最大的能量捕获，通常需要利用偏航系统进行对风，使得叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机的发电效率。

由于风力发电机组机舱内的设备、缆线等布置较为复杂，因此在偏航系统对风调节时，需要对机舱的偏航角度进行一定的限制，避免机舱无限制地朝着一个方向旋转或者过度旋转而破坏机舱内的缆线布置等。

在现有的偏航系统中，一般通过接近开关来感应偏航轴承齿的数量而识别偏航角度并适时地进行控制，例如，解缆等。

然而，一般来说，偏航系统的旋转速度相对较慢，在一些机组中，仅为约0.06rpm，而在偏航系统的旋转速度较慢的情况下，现有的接近开关的感测精度很低，感测误差很大，因此无法精确地确定偏航角度。

技术实现要素：

为了解决现有偏航系统中对偏航角度的感测精度低、感测误差大的问题，本实用新型提供一种偏航角度测量系统及风力发电机组。

本实用新型的一方面提供一种偏航角度测量系统，用于检测风力发电机组的偏航角度，风力发电机组包括偏航轴承，偏航轴承包括动圈和定圈，其特征在于，偏航角度测量系统包括：啮合齿轮，啮合齿轮能够与动圈啮合；支撑板，支撑板连接到风力发电机组的固定部件上；传动杆，传动杆通过螺纹配合方式结合到支撑板上，传动杆与啮合齿轮固定结合，并且能够随着啮合齿轮的旋转而相对于支撑板直线移动；感测装置，感测装置安装在支撑板和/或传动杆上，用于感测传动杆相对于支撑板的直线位移，并发送相应的感测信号。

优选地，支撑板可固定到定圈，啮合齿轮与传动杆可同轴地固定连接，支撑板上可形成有导向孔，传动杆的端部可运动地穿过导向孔并与导向孔螺纹连接，感测装置可固定在传动杆上，并且随着传动杆的运动而靠近或远离支撑板。

优选地，支撑板可包括上支撑板和下支撑板，上支撑板和下支撑板可分别固定在定圈的在轴向上的上表面和下表面上，传动杆的第一端部和第二端部可分别穿过上支撑板和下支撑板的导向孔，第一端部和第二端部中的至少一个与相应的导向孔螺纹连接。

优选地，感测装置可包括第一感测装置和第二感测装置，第一感测装置可设置在上支撑板与啮合齿轮之间，第二感测装置可设置在啮合齿轮与下支撑板之间，其中，第一感测装置与啮合齿轮之间的距离大于上支撑板到定圈的上表面的距离，第二感测装置与啮合齿轮之间的距离大于下支撑板到定圈的下表面的距离。

优选地，感测装置可为触碰传感器。

优选地，感测装置可包括触发板和电气开关，触发板设置在传动杆的端部，电气开关设置在支撑板上，当触发板未碰触电气开关时，电气开关处于断开状态；当触发板碰触电气开关时，电气开关闭合，以发送感测信号。

优选地，感测装置可为距离传感器，距离传感器为光电传感器。

优选地，传动杆可为磁性体，感测装置包括设置在支撑板上的感测线圈，在传动杆运动过程中，感测线圈的电感通过与传动杆的电磁相互作用而改变，并将电感的改变作为感测信号发送。

优选地，偏航角度测量系统还可包括控制器，控制器根据感测信号以及啮合齿轮与传动杆的传动比确定啮合齿轮的转数，并通过转数确定偏航轴承的偏转角度。

本实用新型的另一方面提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上所述的偏航角度测量系统。

根据本实用新型的偏航角度测量系统及风力发电机组即使在偏航系统的旋转速度较慢的情况下也能够高精度地测量偏航角度。

此外，根据本实用新型的偏航角度测量系统及风力发电机组可采用机械触发传感器，可靠性高，并且不会受到电磁干扰或风力发电机组供电异常的影响。

此外，根据本实用新型的偏航角度测量系统及风力发电机组不仅可确定极限偏航角度，而且可精确地确定偏航轴承的实时位置。

附图说明

图1是根据本实用新型的实施例的偏航角度测量系统安装在偏航轴承上的示意图。

图2是图1的安装在偏航轴承上的偏航角度测量系统的局部侧视图。

图3是根据本实用新型的实施例的偏航角度测量系统的支撑板的示意图。

图4是根据本实用新型的实施例的偏航角度测量系统的啮合齿轮和感测装置固定在传动杆上的示意图。

图5是根据本实用新型的另一实施例的感测装置的立体结构示意图。

附图标号说明：

11：动圈，12：定圈，21：啮合齿轮，22：支撑板，221：上支撑板，222：下支撑板，2211：导向孔，2212：加强肋，23：传动杆，231：第一端部，232：第二端部，24：感测装置，241：第一感测装置，242：第二感测装置，243a：触发板，243b：电气开关。

具体实施方式

现在将参照附图更全面的描述本实用新型的实施例，在附图中示出了本实用新型的示例性实施例。在附图中，相同的标号始终表示相同的组件。附图可不按照比例绘制，为了清楚、说明及便利起见，可夸大附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘。此外，为了清楚地示出部件之间的关系或内部构造等，在部分示图中，省略示出了一些构件或构件的一些部分。

下面将参照图1至图5详细描述根据本实用新型的实施例的偏航角度测量系统的具体构造。

根据本实用新型的偏航角度测量系统可用于检测风力发电机组的偏航角度，如图1所示，风力发电机组可包括偏航轴承，偏航轴承包括动圈11和定圈12。

根据本实用新型的实施例的偏航角度测量系统包括啮合齿轮21、支撑板22、传动杆23和感测装置24。

如图1所示，啮合齿轮21能够与偏航轴承的动圈11啮合，在此实施例中，外圈作为动圈11，内圈作为定圈12，但不限于此，内圈可作为动圈11，外圈可作为定圈12。

支撑板22可连接到风力发电机组的固定部件上，在图1的实施例中，支撑板22连接到定圈12。

支撑板22可支撑传动杆23和啮合齿轮21。支撑板22的一端固定在定圈12上，另一端用于支撑传动杆23。例如，如图2和图3所示，支撑板22可大体上呈z形形状，并且包括：通过诸如螺栓连接等方式固定在定圈12上的固定端、向外伸出以支撑传动杆23的伸出端以及连接在固定端和伸出端之间的连接部。支撑板22的伸出端可与固定端在偏航轴承的轴向上间隔预定距离(向上或向下突出)，以避免干扰动圈11的旋转。此外，固定端与连接部之间和/或连接部与伸出端之间可设置有加强肋2212，以增强支撑板22的强度和整体的稳定性。

支撑板22的材料没有特别限制，可利用常见的钢材等刚性材料制成。

此外，在图1中，支撑板22直接连接到定圈12，而实际上，支撑板22也可连接到风力发电机组的诸如底座等的固定部件。

传动杆23可与啮合齿轮21固定地结合(例如，通过过盈配合或焊接等与传动杆连接为一体)，在啮合齿轮21转动的情况下传动杆23能够相对于支撑板22上下运动，从而将啮合齿轮21的转动运动转换为传动杆23的直线运动。

当动圈11旋转时，与动圈11啮合的啮合齿轮21在动圈11的带动下自转。因此，啮合齿轮21的转动方向可表征动圈11相对于定圈12的旋转方向，啮合齿轮21的转动齿数可表征动圈11相对于定圈12的旋转角度大小，即，偏航系统的偏航角度大小。

与此同时，由于传动杆23将啮合齿轮21的转动转换为自身的直线运动，因此，传动杆23的直线位移对应于啮合齿轮21的转动运动，传动杆23的直线位移可代表偏航旋转方向和偏航角度大小。

如图1至图4所示，啮合齿轮21可与传动杆23同轴地固定连接，支撑板22上形成有导向孔2211，传动杆23的端部可运动地穿过导向孔2211并与导向孔2211螺纹连接。在此情况下，由于啮合齿轮21与传动杆23固定连接，因此啮合齿轮21也会随着传动杆23上下移动。

感测装置24也可固定在传动杆23上，例如，与传动杆23连接为一体，并且随着传动杆23一起运动，感测传动杆23的位移，并发送感测信号。当啮合齿轮21旋转时，传动杆23的螺纹可在导向孔2211中上旋或下旋，由此，感测装置24可相对于支撑板22发生位移，即，靠近或远离支撑板22。

在图1至图4的实施例中，优选地，支撑板22可包括上支撑板221和下支撑板222，上支撑板221和下支撑板222分别固定在定圈12的在轴向上的上表面和下表面上，例如，可通过螺钉等紧固件固定在定圈12上。传动杆23的第一端部231和第二端部232分别穿过上支撑板221和下支撑板222的导向孔，第一端部231和第二端部232二者均可与相应的导向孔螺纹连接，但是在一端的螺纹连接的支撑力足够的情况下，也可使第一端部231和第二端部232中的一个与导向孔螺纹连接，而另一个插入到导向孔中即可，该导向孔起到导向的作用，使得受力更均匀、上下移动更平稳。因此，其中一个导向孔2211可为光孔，若是光孔，则其尺寸可比传动杆23稍大，例如1mm，使得传动杆23可顺利通过，但没有过大的间隙。

相应地，感测装置24可包括第一感测装置241和第二感测装置242，第一感测装置241设置在上支撑板221与啮合齿轮21之间，第二感测装置242设置在啮合齿轮21与下支撑板222之间，两个感测装置可相对于啮合齿轮21对称布置。

感测装置24可为触碰传感器，具体来说，可为在碰触到外部物体时发送信号的机械触发传感器，例如，机械触发式开关，可在碰触到外部物体时改变其自身电平的高低位。随着传动杆23不断向上移动使得第一感测装置241碰触到上支撑板221时，第一感测装置241可向外发出第一感测信号，当传动杆23不断向下移动使得第二感测装置242碰触到下支撑板222时，第二感测装置242可向外发出第二感测信号。第一感测信号和第二感测信号可表征偏航轴承在顺时针方向和逆时针方向上的两个极限偏航角度。

例如，在第一感测装置241碰触到上支撑板221时，可为偏航轴承的顺时针极限偏航角度，因此，当接收到第一感测装置241的第一感测信号时，可认为偏航轴承已旋转至顺时针方向的极限，应及时进行解缆，避免沿该方向进一步旋转而损坏机舱内的缆线等。与此类似，在第二感测装置242与下支撑板222触碰时，可认为偏航轴承已旋转至逆时针方向的极限。这里，解缆是风力发电机组偏航到某一方向的极限后，反向偏航的动作，目的是避免诸如输电电缆的缆线过度扭转导致的严重后果，例如火灾。

在上述构造中，第一感测装置241与啮合齿轮21之间的距离应大于上支撑板221的下表面到动圈11的上表面的距离，第二感测装置242与啮合齿轮21之间的距离大于下支撑板222的上表面到动圈11的下表面的距离，防止在偏航轴承旋转至极限偏航角度之前，啮合齿轮21与动圈11脱离啮合。

例如，如图2所示，在设定啮合齿轮21在动圈11的高度方向的中间位置为初始位置的情况下，啮合齿轮21上下移动的距离不应该超过h1(h1为设计值，为啮合齿轮21在中间位置时其下表面与动圈11的上表面之间的距离，也等于啮合齿轮21的上表面与动圈11的下表面之间的距离)，在该范围内，啮合齿轮21与动圈11始终处于啮合状态，因而可始终向传动杆23提供上下移动的动力。相应地，以图2所示的状态为例，感测装置24与支撑板22的距离s应小于h1。具体来说，当啮合齿轮21向上运动，直至第一感测装置241触碰到上支撑板221的下表面停止时，啮合齿轮21向上的位移为s，当s大于h1时，啮合齿轮21的下表面的位移s超过h1，也就是说，啮合齿轮21的下表面会脱离动圈11的上表面，从而无法保持啮合齿轮21与动圈11的啮合状态。

此外，上述感测装置24优选为常开式类型的传感器，常开式类型的传感器的含义为：传感器接入电路中，常态位为电路断开，当碰触到外部物体而被触发时，电路从断开变为闭合，电路导通，从而发出传感器触发信号。这种传感器的优势在于在正常工作时可不需要供电。

在上面的实施例中，感测装置24固定在传动杆23上，通过触碰支撑板来发送信号。然而，感测装置24也可固定在支撑板22上，例如，固定在支撑板22的面对啮合齿轮21的表面上，通过触碰啮合齿轮21来发送信号，在此情况下，支撑板22的伸出端在轴向上可非常靠近动圈11的上/下表面，或者可比动圈11的上/下表面更靠近动圈11的高度方向的中部位置，以使得啮合齿轮21不会过度旋转而在轴向上脱离动圈11。

在上述实施例中，使用触碰传感器作为感测装置24，这种机械触发式的传感器具有极高的可靠性，不会受到电磁干扰或风力发电机组供电异常的影响。

除了触碰传感器之外，感测装置24还可为距离传感器，例如，光电传感器。在此情况下，感测装置24不仅在触碰到支撑板/啮合齿轮时会发出信号，其在整个偏航调节过程中可以一直感测距支撑板/啮合齿轮的距离，不同的距离可对应于不同的偏航角度。如此，不仅可用于极限偏航角度位置的解缆控制，在初始位置已知时，还可指示任一时刻的偏航角度，从而可获得偏航系统的实时状态。

此外，感测装置24还可以有其他设置方式，例如，可同时设置在支撑板22与传动杆23二者上，可感测传动杆23的位移即可。下文中还将参照图5描述感测装置24的另一实施例。

尽管上文中描述了支撑板22包括上下两个支撑板、感测装置24为两个的情况，但是在支撑力足够的情况下，也可仅设置单侧的支撑板和一个感测装置。例如，在图1的实施例中，可省去上/下支撑板以及相应侧的感测装置，传动杆23仅通过一个支撑板支撑。在此情况下，由于仅设置有一个感测装置24，因此，优选地，该感测装置24为距离传感器，例如，光电传感器。

在根据本实用新型的偏航角度测量系统中，感测装置24可以直接接入风力发电机组的控制系统来控制，也可以通过自带的控制器进行控制。因此，根据本实用新型的偏航角度测量系统还可包括控制器，控制器根据感测装置24的感测信号以及啮合齿轮21与传动杆23的传动比确定啮合齿轮21的旋转齿数，并通过旋转齿数确定偏航轴承的偏转角度。控制器的设置位置没有特别限制，只要能与感测装置24通信连接即可。

以某陆地风机机组为例，偏航轴承外圈齿数为160，直径2.4米，厚度为300mm，设计啮合齿轮21的齿数为16，厚度为20mm，如此，偏航轴承外圈齿数和啮合齿轮21的齿数比例为10:1，即，偏航轴承外圈旋转一圈，啮合齿轮21会自转10圈。

通常，极限偏航角度为720°，即，外圈旋转两圈，因此，啮合齿轮21会自转20圈。

当啮合齿轮21两侧设置有对称的第一感测装置241和第二感测装置242时，传动杆23和支撑板22配合部分的螺纹要满足：啮合齿轮21自转20圈时传动杆23的行程不大于160mm，即，每自转1圈上下移动距离小于8mm。

当啮合齿轮21仅一侧设置有感测装置24时，传动杆23和支撑板22配合部分的螺纹要满足：啮合齿轮21自转20圈的传动杆23的行程不大于300mm，即，每自转1圈上下移动距离小于15mm。

通过改变以上参数，可改变传动杆23的上行或下行的行程，当通过改变转动至直线移动的传动比而使行程相对较大时，意味着可测量的范围大，便于提高测量精度，可避免现有技术中极低转速带来的测量精度低和误差大的问题。因此，通过将啮合齿轮21的旋转转换为传动杆23的直线移动，即使在偏航系统的旋转速度较慢的情况下，也能够高精度地测量偏航角度。

下面将参照图5描述根据本实用新型的另一实施例的感测装置。

如图5所示，感测装置24包括触发板243a和电气开关243b，触发板243a设置在传动杆23的端部上，电气开关243b设置在支撑板22上，当触发板243a未碰触电气开关243b时，电气开关243b处于断开状态；当触发板243a碰触电气开关243b时，电气开关243b闭合，以发送感测信号。在此实施例中，电气开关243b可接入到设置在支撑板22上的电路，以将感测信号发送到控制系统。在图5所示的示例中，感测装置24设置在支撑板22的外侧，然而，在安装空间允许的情况下，感测装置24也可以设置在支撑板22的内侧，即，支撑板22与啮合齿轮21之间。

除了参照图1和图5描述的几种形式的感测装置24外，感测装置24还可通过电磁的方式进行感测。例如，传动杆23可为磁性体，感测装置24可包括设置在支撑板22上的感测线圈，在传动杆23运动过程中，感测线圈的电感通过与传动杆23的电磁相互作用而改变，并将电感的改变作为感测信号发送。控制系统能够根据感测信号计算出相应的偏航角度。

本实用新型还提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上所述的偏航角度测量系统。

如上面所阐述的，根据本实用新型的偏航角度测量系统即使在偏航系统的旋转速度较慢的情况下也能够高精度地测量偏航角度。

此外，根据本实用新型的偏航角度测量系统可采用机械触发传感器，可靠性高，并且不会受到电磁干扰或风力发电机组供电异常的影响。

此外，根据本实用新型的偏航角度测量系统不仅可确定极限偏航角度，而且可精确地确定偏航轴承的实时位置。

根据本实用新型的风力发电机组具有与上述偏航角度测量系统的有益效果相同的效果，在此不再赘述。

虽然上面已经详细描述了本实用新型的示例性实施例，但本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，可对本实用新型的实施例做出各种的修改和变型。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变型仍将落入权利要求所限定的本实用新型的示例性实施例的精神和范围内。