漲知識 | 風力發電機-行星齒輪傳動原理與結構

行星齒輪增速是風力發電機增速箱的主要傳動方式，行星齒輪增速具有增速比大、承載能力高、體積小，重量輕、輸入輸出軸在同一軸線上，非常適合風力發電機增速使用，本課件主要介紹行星齒輪變速的原理與結構。

行星齒輪傳動原理與結構

圖1是一個行星齒輪機構示意圖，機構由多個圓柱齒輪組成，包括1個齒圈（內齒輪）、3個行星輪（外齒輪）、1個太陽輪（外齒輪）、行星架組成，太陽輪與齒圈共一軸線，3個行星輪的軸固定在行星架上，行星架的軸線與太陽軸線輪重合。行星齒輪與齒圈是內嚙合傳動，行星齒輪與太陽輪是外嚙合傳動，行星齒輪可繞自己的軸線轉，又可隨著行星架一起繞行星架軸線旋轉，行星齒輪即既有自轉又有公轉。通過固定行星架、齒圈、太陽輪之中的任一個，就可得到不同的傳動變比，本課件介紹最常用的一種，即固定齒圈的結構。

圖1--行星齒輪系

下面通過5張圖片介紹一個單級行星齒輪箱模型的結構與組成，每張圖片有兩張圖從兩個角度分別顯示部件的結構與組成。

圖2是行星架的結構圖，行星架呈盤狀，盤上固定3個軸，按120度分布，相互平行。行星架的轉軸安裝在軸承內，轉軸另一端是低速軸法蘭，連接風輪主軸。

圖2--行星架

3個行星齒輪安裝到行星架的3個行星齒輪軸上，見圖3，每個行星齒輪可繞自己的軸自由旋轉。

圖3--行星齒輪

把行星架通過軸承安裝到行星齒輪箱前端蓋（行星齒輪機座）內，並在前端蓋內圈安裝齒圈，齒圈有內齒，能與行星齒輪很好的嚙合，當行星架轉動時，行星齒輪沿齒圈內圓齒滾動。見圖4，圖中端蓋被剖去1/4。

圖4--行星齒輪與齒圈

太陽輪的軸是高速端輸出軸，把太陽輪放入行星齒輪中間，太陽輪的齒可與所有行星齒輪的齒很好的嚙合，見圖5。

圖5--行星齒輪機構

把後端蓋與前端蓋合攏安裝，在後端蓋中間有軸承，用來安裝太陽輪軸（高速輸出軸）。一個單級行星齒輪箱模型組裝完畢，見圖6。

圖6--行星齒輪箱

這種結構的行星齒輪系的變比I為：

I=1+ Z2/Z1

Z1——太陽輪齒數，Z2——齒圈齒數。

本例行星齒輪箱的變比是4，當低速軸轉動1周時，高速軸轉動4周。由於齒輪結構限制，這種傳動方式的單級行星齒輪變比在8以下較合適。

下面請觀看單級行星齒輪運轉動畫，為清晰演示運行狀態把不同零件用不同顏色表示。左面是行星齒輪箱的運轉動畫；右面是行星齒輪系的運轉動畫，兩動畫同步運轉。右邊動畫中黃橙色長箭頭是行星架的轉動指針，淺紫色短箭頭是太陽輪的轉動指針，2個指針更清楚的演示了齒輪系的運行與變比。

註：由於瀏覽器動畫播放幀頻遠低於動畫原頻，會出現太陽輪反轉假象，把動畫下載用電腦上其他動畫播放器播放能還原真實狀態。

單級行星齒輪運轉動畫

單級行星齒輪增速箱多用在半直驅風力發電機組中。

採用行星齒輪的風力機增速齒輪箱的主要形式

下面介紹幾種以行星齒輪傳動為主的增速器形式，有關齒輪傳動簡圖符號見風力發電機的齒輪箱（1），介紹中均按減速器計算傳動比。

單級行星齒輪傳動

與普通圓柱齒輪增速器相比，行星齒輪增速器尺寸小，重量輕，但製造精度要求較高，結構較複雜，在要求結構緊湊的動力傳動中應用廣泛。 傳動比範圍 i=2.8~12.5

一級行星兩級圓柱齒輪傳動

體積小，低速軸為行星齒輪傳動，使功率分流，同時合理應用了內嚙合。末二級為平行軸圓柱齒輪傳動，可合理分配增速比，提高傳動效率。傳動比範圍 i=20~80

二級行星齒輪傳動

可得到大傳動比，其他特性同單級行星齒輪傳動。 傳動比範圍 i=14~160

二級行星一級圓柱齒輪傳動

增速比高，體積小

風力發電機增速齒輪箱的低速轉軸都是管狀空心的，穿過齒輪箱，一頭聯接風力機主軸，另一頭通到齒輪箱另一面外端，轉軸的通孔是變槳機構的機械驅動裝置或電力線路、信號線路、油管等的通道。

圖7是從網上下載的齒輪箱內部結構圖，第一級行星齒輪機構的輸出連接第二級行星齒輪機構的行星架，第二級行星齒輪機構的輸出採用一個大直徑齒輪帶動小齒輪繼續增速。所有齒輪採用斜齒使傳動更平穩，適當的設計可得到百倍以上的變比，但過高的增速比會使傳動效率下降。

圖7--多級齒輪增速機構

圖8是兩張從網路上下載的風力發電機齒輪箱照片。

圖8--風力發電機齒輪箱

風力機的其他齒輪箱

在風力發電機中還有偏航驅動電機與變槳驅動電機，這些電機都要通過齒輪箱大變比減速後帶動相關係統的運行。圖9是從網路轉載的圖片，左面圖是偏航驅動電機，其下部是行星齒輪減速箱，輸出軸裝有偏航小齒輪。右面圖是變槳驅動電機，其下部是行星齒輪減速箱，輸出軸裝有變槳小齒輪。其實兩者無大區別，僅僅是輸出轉矩大小、輸出轉速、安裝方式、驅動電源的不同。

圖9--偏航驅動電機與變槳驅動電機

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