风电增速器封闭式行星传动功率分流原理分析

蒋克勤

摘 要：将封闭式行星传动功率分流原理应用于风电减速器，可有效提高齿轮箱的扭矩质量比，减少风电机塔头的质量。因此，介绍了封闭式行星轮系的功率分流原理，分析了一种在国外已被成熟应用的功率分流式风电增速器，并展望了功率分流技术在大型风力发电机上的应用前景。

关键词：封闭式行星传动轮系；功率分流；传动效率；扭矩质量比

中图分类号：TH132.425 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.066

风能作为一种取之不尽的清洁能源，早已得到了世界各国的开发利用，各国争相建造了风电场，风力发电机的单机容量纪录也在不断被刷新。在此情况下，大功率风电机不断涌现，大功率增速齿轮箱也随之应运而生。然而，随着功率的提高，齿轮箱的质量也在增大。因此，如何有效提高齿轮箱的扭矩质量比，减少风电机塔头的质量，并提高齿轮箱的可靠性和经济效益，成为了各国风电厂商竞相追逐的目标。在增速齿轮箱上采用功率分流技术，即解决上述问题最有效的方法之一。

1 封闭式行星传动的功率分流原理

采用普通定轴齿轮传动或简单的行星齿轮传动封闭连接一个具有两个自由度的差动行星机构，进而构成只有一个自由度的行星轮系，即封闭式行星传动。封闭式行星齿轮传动的效率不仅与基本构件中的输入件和输出件有关，还与其传动比、符号有关。具体而言，传动效率值与其功率流的方向有关，而功率流的方向又取决于传动形式、结构组成和运动状况等。通常而言，将封闭行星齿轮传动中的差动行星齿轮传动称为原始机构，而将其中起封闭作用的普通定轴齿轮传动或简单的行星齿轮传动称为封闭机构。封闭机构与原始机构的连接方法通常有两种，即用连接机构连接两个中心轮、用连接机构连接行星架与中心轮。

如果封闭式行星轮系选择不当，则可能会引发封闭功率流。当机构中存在封闭功率流时，会大幅度降低轮系的传动效率，使轴承和齿轮的磨损加剧。在实际使用中，应避免上述情况出现。以下具体分析4种封闭式行星传动的功率分流情况。

在以下分析中定义：

. （1）

1.1 第一种封闭式行星轮系

第一种封闭式行星轮系如图1所示。

图1中，用封闭机构k将差动轮系中的a与b连接起来，构成一个封闭式行星传动轮系。在此轮系中，“1”为输入轴，“2”为输出轴。进入输入轴的功率流P1在封闭机构k的作用下分成两路，一路流经a，另一路流经b，并最终在行星架H处汇合。其传动比的计算式为：

. （2）

太阳轮和内齿圈的功率分别为：

Pa=Taωa. （3）

Pb=Tbωb=PTa . （4）

“1”轴的输入功率为：

. （5）

行星架的输出功率为：

. （6）

当i12>0时，太阳轮与内齿圈的转向相同，机构中不存在封闭功率，输出功率等于输入功率；当-p

1.2 第二种封闭式行星轮系

第二种封闭式行星轮系如图2所示。

图1 第一种封闭式行星轮系 图2 第二种封闭式行星传动轮系

图2中，用封闭机构k将差动轮系中的b与H连接起来，构成一个封闭式行星传动轮系。在此轮系中，“1”为输入轴，“2”为输出轴，进入输入轴的功率流P1经原始机构分成两路，一路从a流经b再经过封闭机构k，另一路从a流经行星架H，两路最终在输出轴处汇合。其传动比的计算式为：

=1+p（1-ib2）. （7）

内齿轮和行星架传递的功率分别为：

. （8）

. （9）

已知轴1的输入功率P1=Taωa，当ib2>1+ 时，1+p（1-ib2）

<0，Pb<0，PH>0，则P2=|Pb|-|PH|，机构中存在封闭功率流，

PH为封闭功率；当00，Pb>0，

PH<0，则P2=|PH|-|Pb|，机构中存在封闭功率流，Pb为封闭功率；当ib2<0时，1+p（1-ib2）>0，Pb<0，PH<0，机构中不存在封闭功率流，输出功率数值等于输入功率；当ib2=1+

时， =1，机构传动比为1，不存在封闭功率流。

1.3 第三种封闭式行星传动轮系

第三种封闭式行星传动轮系如图3所示。

图3中，用封闭机构k将差动轮系中的b与H连接起来，构成一个封闭式行星传动轮系。在此轮系中，“1”为输入轴，“2”为输出轴，进入输入轴的功率流P1经原始机构分成两路，一路流经a，另一路流经b，并最终在行星架H处汇合。其传动比的计算式为：

=iH2（1+p）-p. （10）

内齿轮和行星架传递的功率分别为：

. （11）

. （12）

已知轴1的输入功率P1=Taωa，当ib2> 时，iH2（1+p）

-p>0，Pb>0，PH<0，P2=|PH|-|Pb|，机构中存在封闭功率

流，Pb为封闭功率；当0

Pb<0，PH>0，P2=|Pb|-|PH|，机构中存在封闭功率流，PH为封闭功率；当ib2<0时，iH2（1+p）-p<0，Pb<0，PH<0，

机构中不存在封闭功率流，输出功率数值等于输入功率；当ib2

= 时， =0，机构无法传动。

1.4 第四种封闭式行星传动轮系

第四种封闭式行星传动轮系如图4所示。

图3 封闭式行星传动轮系 图4 第四种封闭式行星传动轮系

图4中，用封闭机构k将差动轮系中的b与H连接起来，构成一个封闭式行星传动轮系。在此轮系中，“1”为输入轴，“2”为输出轴，进入输入轴的功率流P1经原始机构分成两路，一路流经a和b，另一路从a流经行星架H，最终两路在封闭机构k处汇合后输出。根据叠加原理可知，其传动比的计算式为b路传动比+H路传动比：

=iH2（1+p）-pib2. （13）

内齿轮和行星架传递的功率分别为：

. （14）

. （15）

. （16）

当iH2>0，ib2<0时，iH2（1+p）-pib2>0，Pb<0，PH<0，机构中不存在封闭功率流，输出功率数值等于输入功率；当iH2<0，ib2>0时，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH<0，机构中不存在封闭功率流，输出功率数值等于输入功率，即iH2与ib2

异号时，机构中不存在封闭功率流；当iH2>0，ib2>0且

时，iH2（1+p）-pib2>0，Pb>0，PH<0，P2=|PH|-|Pb|，机

构中存在封闭功率流，Pb为封闭功率；当iH2>0，ib2>0且

时，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH>0，P2=|Pb|-|PH|，

机构中存在封闭功率流，PH为封闭功率；当iH2<0，ib2<0且

时，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH>0，P2=|Pb|

-|PH|，机构中存在封闭功率流，PH为封闭功率；当iH2>0，ib2

<0且 时，iH2（1+p）-pib2>0，Pb>0，PH<0，P2

=|PH|-|Pb|，机构中存在封闭功率流，Pb为封闭功率，即当iH2与ib2同号时，机构中存在封闭功率流。

2 某种风电机增速器的实际应用分析

该封闭式行星传动由第一级差动行星、第二级定轴准行星和第三级NGW行星连接封闭而成，属于上述图4中的情形。其行星机构基本方程组如图5所示。

图5 行星机构基本方程组

则：

. （17）

在每一级中均应用上述方程组，输入P入=Taωa>0，输出P出=Tbωb<0；P出=THωH<0，由此推导出第一级行星架的传递功率为：

. （18）

第一级内齿圈的传递功率为：

. （19）

其功率分流的组合方式框图如图6所示。

图6 功率分流的组合方式框图

由图6可看出，功率从低速级的行星架输入后分为两路：一路通过低速级的太阳轮直接传送到高速级行星架；另一路通过与低速级行星架相连的中间级内齿圈，并经过中间级定轴传动传到与中间级太阳轮相连的高速级内齿圈。两路功率流最终在高速级差动行星轮系中汇合，并通过高速级的太阳轮输出。