專利名稱：用于風力渦輪機應用的轉(zhuǎn)矩分流式復合行星傳動系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及風力渦輪機，且更具體地涉及置于風力渦輪機的轉(zhuǎn)子和發(fā)電機
之間的復合行星齒輪傳動單元。
背景技術(shù)：
圖1中示出的風力渦輪機10包括由外罩14容納在內(nèi)并支撐的周轉(zhuǎn)齒輪傳動單元 12，在外罩14中齒輪傳動單元12起作用以將來自轉(zhuǎn)子葉片16和轉(zhuǎn)子輪轂18的轉(zhuǎn)矩傳遞 給發(fā)電機20。 使用行星齒輪箱來響應于風力渦輪機的轉(zhuǎn)子16， 18的旋轉(zhuǎn)而驅(qū)動發(fā)電機20是眾 所周知的。轉(zhuǎn)子向齒輪傳動單元12提供低速度、高轉(zhuǎn)矩輸入。 市場力量總是需要具有較低成本下的更高輸出以及更大的可靠性的風力渦輪機。 隨著對風力渦輪機的功率輸出要求升高，由于噪聲要求，轉(zhuǎn)子葉片16的轉(zhuǎn)速通常會下降。 因此，到齒輪傳動單元12的輸入轉(zhuǎn)矩以非線性的方式增加。前述限制導致了更加笨重且更 加昂貴的齒輪傳動單元。此外，風力渦輪機塔架22的質(zhì)量需要增加，并適應由于更沉重的 齒輪傳動單元所導致的增加的頂部質(zhì)量，這更進一步地增加了整體風力渦輪機系統(tǒng)的質(zhì)量 和成本。 前述高轉(zhuǎn)矩、低輸入RPM的問題通常通過常規(guī)裝置解決，該常規(guī)裝置可包括多次 具有多個級的包括高速偏置齒輪的行星裝置。還采用了使用三個行星齒輪的常規(guī)復合行星 結(jié)構(gòu)，而一種解決方案則包括具有柔性銷的七個行星齒輪和雙行星系統(tǒng)，其中輸入軸驅(qū)動 第一級行星齒輪以及第二級的齒圈。包括五個行星齒輪和柔性銷的第二級的太陽齒輪驅(qū)動 第一級的齒圈。第一級的太陽齒輪直接連接到驅(qū)動輸出高速齒輪的大的第三級齒輪上。
考慮到前述原因，將會既有利又有益的是提供一種齒輪傳動單元，該齒輪傳動單 元具有足以實質(zhì)性地降低風力渦輪機的外罩重量和塔架重量的扭矩密度，而該扭矩密度用 現(xiàn)有的風力渦輪機齒輪傳動單元是無法達到的。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，根據(jù)一個實施例，復合行星齒輪傳動單元包括
靜止的齒圈； 行星架，其包括至少一個架臂，該行星架構(gòu)造成響應于輸入轉(zhuǎn)矩圍繞齒圈的中心 軸線旋轉(zhuǎn)； 第一級，其包括多個行星齒輪，各第一級行星齒輪構(gòu)造成響應于至少一個行星架 臂的運動而圍繞對應的銷軸線旋轉(zhuǎn)，各第一級行星齒輪還構(gòu)造成接合靜止的齒圈；以及
第二級，包括 構(gòu)造成繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的第一組多個行星齒輪，第一組多個第二級行星齒輪內(nèi)的 各個行星齒輪接合與第一級行星齒輪相關(guān)聯(lián)的對應的銷，以及 構(gòu)造成繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的第二組多個行星齒輪，第二組多個第二級行星齒輪內(nèi)的各個行星齒輪接合與第一級行星齒輪相關(guān)聯(lián)的對應的銷，使得各第一級行星齒輪銷驅(qū)動單 個的第二級行星齒輪，其中第一組多個第二級行星齒輪從第二組多個第二級行星齒輪軸向 地錯開。 根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，風力渦輪機齒輪箱包括 第一級，其包括接合靜止的齒圈的多個行星齒輪，各第一級行星齒輪構(gòu)造成響應 于風力渦輪機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)圍繞對應的銷軸線旋轉(zhuǎn)；以及
第二級，包括 構(gòu)造成繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的第一組多個行星齒輪，第一組多個第二級行星齒輪內(nèi)的 各個行星齒輪接合與第一級行星齒輪相關(guān)聯(lián)的對應的銷，以及 構(gòu)造成繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的第二組多個行星齒輪，第二組多個第二級行星齒輪內(nèi)的 各個行星齒輪接合與第一級行星齒輪相關(guān)聯(lián)的對應的銷，使得各第一級行星齒輪銷驅(qū)動單 個的第二級行星齒輪， 其中第一組多個第二級行星齒輪從第二組多個第二級行星齒輪軸向地錯開。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，復合行星齒輪傳動單元包括
與多于三個第一級行星齒輪嚙合的靜止的齒圈；以及
構(gòu)造成接合多于三個第一級行星齒輪的旋轉(zhuǎn)行星架。


當參考附圖閱讀以下具體實施方式
時，本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)勢 將變得更好理解，其中貫穿所有附圖相似的符號代表相似的部件，其中
圖1示出了包括行星齒輪驅(qū)動器的風力渦輪機； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的轉(zhuǎn)矩分流式(split torque)復合行星齒 輪驅(qū)動器； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖2中描繪的行星齒輪架的更多細節(jié)； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖2中描繪的齒圈的更多細節(jié)； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖2中描繪的第二行星齒輪的更多細節(jié)； 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器； 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器； 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖7中描繪的內(nèi)部斜齒輪太陽齒輪的更多
細節(jié)；以及 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圖7中描繪的雙螺旋形聯(lián)接機構(gòu)的更多 細節(jié)。 如討論中所指出的，盡管以上標明的附圖展示了備選實施例，但也考慮了本發(fā)明
的其它實施例。在任何情況下，本公開均以描述而非限制的方式呈現(xiàn)本發(fā)明的圖示實施例。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)想落入本發(fā)明原理的精神和范圍之內(nèi)的多種其它更改和實施例。 部件列表 10 風力渦輪機 12 周轉(zhuǎn)齒輪傳動單元 14 外罩
16轉(zhuǎn)子葉片18轉(zhuǎn)子輪轂20發(fā)電機22風力渦輪機塔架100轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器102固定的齒圈104齒圈行星齒輪106旋轉(zhuǎn)行星架108輸入軸110齒輪軸(銷)112第二級行星齒輪113第二級行星齒輪114太陽齒輪116太陽齒輪118輸出軸120轉(zhuǎn)矩差動機構(gòu)122中心軸線200轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器300轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器302雙斜齒輪聯(lián)接器304太陽齒輪306太陽齒輪308太陽齒輪304的外齒310太陽齒輪306的外齒312太陽齒輪304的內(nèi)齒314太陽齒輪306的內(nèi)齒316聯(lián)接齒輪組318聯(lián)接齒輪組
具體實施例方式
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的轉(zhuǎn)矩分流式行星齒輪驅(qū)動器100，而圖3示 出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖1中描繪的行星架106的更多細節(jié)。該齒輪驅(qū)動器100 包括與多于三個行星齒輪104嚙合的固定的齒圈102，以及旋轉(zhuǎn)行星架106。包括多個行星 齒輪104的第一級由輸入軸108驅(qū)動。第一級通過共用齒輪軸(銷)110驅(qū)動第二級。第 二級行星齒輪112， 113又由于輸出軸118而與一個或多個太陽齒輪114， 116嚙合。
更具體地，且繼續(xù)參看圖2和圖3，該轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器100包括靜 止的齒圈102。包括至少一個架臂的行星架106構(gòu)造成響應于施加到行星架106上的輸入 轉(zhuǎn)矩而圍繞齒圈102的中心軸線122旋轉(zhuǎn)。 第一級包括多個行星齒輪104。各第一級行星齒輪104構(gòu)造成響應于至少一個行星架臂的運動而圍繞對應的銷110的軸線旋轉(zhuǎn)。各第一級行星齒輪104還構(gòu)造成接合靜止 的齒圈102。 第二級包括構(gòu)造成圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)的第一組多個行星齒輪112。該第一組多個 第二級行星齒輪112內(nèi)的各行星齒輪112接合與第一級行星齒輪104相關(guān)聯(lián)的對應的銷 110。第二組多個第二級行星齒輪113也構(gòu)造成圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)。該第二組多個第二級 行星齒輪113內(nèi)的各行星齒輪也接合與第一級行星齒輪104相關(guān)聯(lián)的對應的銷110，使得各 銷110僅驅(qū)動其中一個第二級行星齒輪112， 113。 第一級行星齒輪104可以通過柔性元件或柔性銷110安裝，以通過允許各行星齒 輪圍繞平行于齒輪橫平面(gear transverse plane)的軸線旋轉(zhuǎn)而促進行星齒輪之間更好 的負載分配，從而改善行星齒輪104和/或齒圈102之間的負載分配。柔性銷在齒輪驅(qū)動 領(lǐng)域是已知的，且因此在本文中不以更多細節(jié)討論有關(guān)柔性銷的細節(jié)，以保持簡潔并增強 關(guān)于本文所討論的實施例的其它方面的清晰性。 包括第一組多個行星齒輪112和第二組多個行星齒輪113的第二級構(gòu)造成使得第 一組多個行星齒輪112從第二組多個行星齒輪113軸向地錯開。此結(jié)構(gòu)允許增加第一級行 星齒輪的數(shù)目并使第二級行星齒輪節(jié)徑最大化，從而使得齒輪整體傳動比最大化，同時保 持重量和可能的系統(tǒng)成本最低。 第一太陽齒輪114圍繞中心軸線122旋轉(zhuǎn)，并接合第二組多個第二級行星齒輪 113。第二太陽齒輪116圍繞中心軸線122與第一太陽齒輪114成同軸關(guān)系旋轉(zhuǎn)，并接合第 一組多個第二級行星齒輪112。 轉(zhuǎn)矩差動機構(gòu)120構(gòu)造成從第一太陽齒輪114和第二太陽齒輪116 二者將轉(zhuǎn)矩傳 遞給輸出軸118。然而本發(fā)明并不限于此，且轉(zhuǎn)矩差動機構(gòu)120可以輕易地由其它轉(zhuǎn)矩差 動機構(gòu)替代，以在兩組第二級行星齒輪112U13之間達成轉(zhuǎn)矩差異均衡。使第二級行星齒 輪112， 113和對應的太陽齒輪114， 116之間的定時問題(timing issue)和負載分配最小 化可以可選地通過定時成彌補差異的太陽齒輪輪齒而達成。 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖1中描繪的齒圈102的更多細節(jié)。多個 第一級行星齒輪104顯示為接合靜止的齒圈102。齒圈102構(gòu)造成接合六個第一級行星齒 輪104，盡管僅描繪了其中四個第一級行星齒輪104以便提供更清晰的細節(jié)。但本發(fā)明并不 限于此，并且可輕易地采用具有多于或少于六個第一級行星齒輪104的其它實施例以實現(xiàn) 本文所述的原理。 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖1中描繪的第二行星齒輪113的更多細 節(jié)。轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器100構(gòu)造成采用從三個第二級行星齒輪113軸向地偏 離的三個第二級行星齒輪112。為了細節(jié)的清晰，僅示出了其中兩個第二級行星齒輪112。 當齒輪驅(qū)動器100適當?shù)貥?gòu)造成具有更多或更少第一級行星齒輪104時，第二級行星齒輪 112，113的數(shù)目可以輕易地比所示的數(shù)目更大或更小。 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器200。 但是齒輪驅(qū)動器200不同于齒輪驅(qū)動器100之處在于盡管齒輪驅(qū)動器100使得各組第二級 行星齒輪112， 113定位在第一級行星齒輪104的相對側(cè)上，但齒輪驅(qū)動器200卻使得兩組 第二級行星齒輪112， 113都定位在第一級行星齒輪104的一個共同側(cè)(下風側(cè))上。
總體而言，以上已經(jīng)描述了具有多于三個第二級行星齒輪和多于三個第一級行星齒輪的轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器的特定實施例。這些實施例提供了一種轉(zhuǎn)矩分流式 復合行星齒輪驅(qū)動器，其使得第一級和第二級之間的傳動比最大化，同時使行星齒輪的數(shù) 目增加到大于三以減小各行星齒輪上的轉(zhuǎn)矩負載。不同組的第二級行星齒輪定位在不同的 軸向平面中，以增加齒輪驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩密度(轉(zhuǎn)矩/重量)。 一些實施例可以提供比現(xiàn)有齒 輪驅(qū)動器多達20%的重量減輕，同時降低各行星齒輪上的負載。 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器300。 轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器300類似于以上描述的轉(zhuǎn)矩分流式復合行星齒輪驅(qū)動器 100，除了齒輪驅(qū)動器300采用了不同于圖2中描繪的轉(zhuǎn)矩差動機構(gòu)120的雙斜齒輪聯(lián)接器 302。以下以更多細節(jié)描繪的齒輪聯(lián)接器302工作以使得兩組第二級行星齒輪112， 113之 間的轉(zhuǎn)矩均衡。齒輪驅(qū)動器300還包括與第一組多個第二級行星齒輪112嚙合的第一太陽 齒輪304以及與第二組多個第二級行星齒輪113嚙合的第二太陽齒輪306。第一太陽齒輪 304和第二太陽齒輪306工作以修正第一組多個行星齒輪112和第二組多個行星齒輪113 之間可能存在的可能由制造公差、材料偏轉(zhuǎn)等導致的角度差。各太陽齒輪304，306包括與 對應的一組第二級行星齒輪嚙合的一組對應的外齒308，310，并且還包括如圖8中所見的 一組對應的內(nèi)齒312,314。 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖7中描繪的太陽齒輪304，306的更多細 節(jié)。太陽齒輪304包括構(gòu)造成和如圖9中所見的第一組斜聯(lián)接齒輪316嚙合的一組內(nèi)齒 312。太陽齒輪306包括構(gòu)造成和同樣如在圖9中所見的第二組斜聯(lián)接齒輪318嚙合的一 組內(nèi)齒314。 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圖7中描繪的雙螺旋形聯(lián)接機構(gòu)302的 更多細節(jié)。如上所述，雙螺旋形聯(lián)接機構(gòu)302包括第一組斜聯(lián)接齒輪316和第二組斜聯(lián)接 齒輪318。雙螺旋形聯(lián)接機構(gòu)302構(gòu)造成具有適合的機構(gòu)，例如但不限于軸向彈簧或柔性機 構(gòu)320，其工作以使得該雙螺旋形機構(gòu)302穩(wěn)定，并提供移動特征(shift feature)，以適應 第一太陽齒輪304和第二太陽齒輪306之間可能存在的定時差異。因此聯(lián)接機構(gòu)302將被 允許通過以自對準的方式軸向地移動而工作，以適應由可能存在于與本文所描述的螺旋齒 輪傳動相關(guān)聯(lián)的傾斜平面之間的差異所導致的定時差異。 雙螺旋形聯(lián)接機構(gòu)302有利地減少了軸承的數(shù)目，這對實施其它類型的聯(lián)接機構(gòu)
(如圖2中所示的轉(zhuǎn)矩差動機構(gòu)120)可能是需要的，轉(zhuǎn)矩差動機構(gòu)120被構(gòu)造成從多個太
陽齒輪114， 116將轉(zhuǎn)矩傳遞給輸出軸118。雙螺旋形聯(lián)接機構(gòu)302還有利地減少了達成自
對準所需的組成部件的數(shù)目，降低了生產(chǎn)成本，增強了可靠性，并簡化了生產(chǎn)過程。 盡管本文僅示出和描述了本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多變更
和更改。因此，應該懂得所附權(quán)利要求意在覆蓋落入本發(fā)明真實精神范圍之內(nèi)的所有此類
變更和更改。
權(quán)利要求
一種復合行星齒輪傳動單元(100)，包括靜止的齒圈(102)；行星架(106)，其包括至少一個架臂，所述行星架(106)構(gòu)造成響應于輸入轉(zhuǎn)矩圍繞所述齒圈(102)的中心軸線(122)旋轉(zhuǎn)；第一級，其包括多個行星齒輪(104)，各第一級行星齒輪(104)構(gòu)造成響應于至少一個行星架臂的運動而圍繞對應的銷(110)的軸線旋轉(zhuǎn)，各第一級行星齒輪(104)還構(gòu)造成接合所述靜止的齒圈(102)；以及第二級，包括構(gòu)造成繞所述中心軸線(122)旋轉(zhuǎn)的第一組多個行星齒輪(112)，第一組多個第二級行星齒輪(112)內(nèi)的各個行星齒輪接合與第一級行星齒輪(112)相關(guān)聯(lián)的對應的銷，以及構(gòu)造成繞所述中心軸線(122)旋轉(zhuǎn)的第二組多個行星齒輪(113)，第二組多個第二級行星齒輪(113)內(nèi)的各個行星齒輪接合與第一級行星齒輪(113)相關(guān)聯(lián)的對應的銷(110)，使得各第一級行星齒輪銷驅(qū)動單個的第二級行星齒輪(112)、(113)，其中所述第一組多個第二級行星齒輪(112)從所述第二組多個第二級行星齒輪(113)軸向地錯開。
2. —種風力渦輪機齒輪箱(12)，包括第一級，其包括接合靜止的齒圈(102)的多個行星齒輪(104)，各第一級行星齒輪構(gòu)造 成響應于風力渦輪機轉(zhuǎn)子(18)的旋轉(zhuǎn)圍繞對應的銷(110)的軸線旋轉(zhuǎn)；以及 第二級，包括構(gòu)造成繞中心軸線(122)旋轉(zhuǎn)的第一組多個行星齒輪(112)，第一組多個第二級行星 齒輪(112)內(nèi)的各個行星齒輪接合與第一級行星齒輪(112)相關(guān)聯(lián)的對應的銷(110)，以及構(gòu)造成繞所述中心軸線(122)旋轉(zhuǎn)的第二組多個行星齒輪(113)，第二組多個第二級 行星齒輪(113)內(nèi)的各個行星齒輪接合與第一級行星齒輪(113)相關(guān)聯(lián)的對應的銷(110)， 使得各第一級行星齒輪銷(110)驅(qū)動單個的第二級行星齒輪(112)、 (113)，其中所述第一組多個第二級行星齒輪(112)從所述第二組多個第二級行星齒輪(113) 軸向地錯開。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風力渦輪機齒輪箱(12)，其特征在于，所述風力渦輪機齒輪 箱(12)還包括:第一太陽齒輪(114)，其能夠圍繞所述中心軸線(122)旋轉(zhuǎn)，并接合所述第一組多個第 二級行星齒輪(112);第二太陽齒輪(116)，其能夠圍繞所述中心軸線(122)與所述第一太陽齒輪(114)成同 軸關(guān)系旋轉(zhuǎn)，并接合所述第二組多個第二級行星齒輪(113);以及轉(zhuǎn)矩傳遞機構(gòu)(120)，其構(gòu)造成從所述第一太陽齒輪(114)和所述第二太陽齒輪(116) 二者將轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(20)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的風力渦輪機齒輪箱(12)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩傳遞機構(gòu) (120)包括差速齒輪系統(tǒng)，所述差速齒輪系統(tǒng)構(gòu)造成均衡由所述第一太陽齒輪(114)和所 述第二太陽齒輪(116)傳遞給所述發(fā)電機(20)的轉(zhuǎn)矩差異。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的風力渦輪機齒輪箱(12)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩傳遞機構(gòu) (120)構(gòu)造成彌補所述第一太陽齒輪(114)和所述第二太陽齒輪(116)之間的定時差異。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的風力渦輪機齒輪箱(12)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩傳遞機構(gòu)(120)包括雙螺旋形聯(lián)接機構(gòu)(302)，所述雙螺旋形聯(lián)接機構(gòu)(302)構(gòu)造成均衡由所述第一 太陽齒輪(114)和所述第二太陽齒輪(116)傳遞給所述發(fā)電機(20)的轉(zhuǎn)矩差異。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風力渦輪機齒輪箱(12)，其特征在于，所述多個第一級行星 齒輪(104)包括多于三個行星齒輪。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風力渦輪機齒輪箱(12)，其特征在于，所述第一組多個第二 級行星齒輪(112)和所述第二組多個第二級行星齒輪(113) —起軸向地遠離所述第一級設(shè) 置在所述第一級行星齒輪(104)的一側(cè)上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風力渦輪機齒輪箱(12)，其特征在于，所述第一組多個第二 級行星齒輪(112)軸向地遠離所述第一級設(shè)置在所述第一級行星齒輪(104)的一側(cè)上，而 所述第二組多個第二級行星齒輪(113)軸向地遠離所述第一級設(shè)置在所述第一級行星齒 輪(104)的不同側(cè)上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風力渦輪機齒輪箱(12)，其特征在于，各第一級行星齒輪 (104)能夠通過柔性元件或柔性銷(110)旋轉(zhuǎn)，所述柔性元件或柔性銷(110)構(gòu)造成促進所 述第一級行星齒輪(104)和所述靜止的齒圈(102)之間的負載分配。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于風力渦輪機應用的轉(zhuǎn)矩分流式復合行星傳動系，具體而言，一種復合行星齒輪傳動單元(100)包括具有軸向地交錯的行星齒輪(112)，(113)的第二級。
文檔編號F03D1/00GK101725462SQ200910208869
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者A·D·加德里, D·L·哈爾曼, F·J·羅佩斯 申請人:通用電氣公司