图1  在风力发电设备的多个部位中，制动器都是非常重要的零部件

较短的工作循环、很高的承载能力和很高的工作可靠性，这些就是对不同风力发电设备制动器提出的要求，而且大多数情况下都是在装配空间非常狭小时必须满足的要求。

随着对清洁能源需求的增加，人们对风力发电的兴趣也越来越大。由风力发电设备发出的电力与受风的转子旋翼面积成正比。因此，只加大风力发电设备的大小并不是可取的。相应的提高风力发电设备的承载能力、提高机械零部件的传动能力则是非常重要的，这其中就包括风力发电设备制动器的承载能力。

无人值守风力发电设备自动工作的制动器

风力发电设备制动器必须满足的特殊要求是：较短的工作周期，很高的承载能力和可靠性，而且这些特殊要求都要集中在比传统制动器更加紧凑的空间里。另外，这些制动装置还应在它们的安装使用地点自动工作，因为它们的维护保养一般都非常困难，需要投入大量的资金。它们也必须能够在恶劣的环境中工作。即使是在工作条件差别很大的情况下，制动器都应具有抵抗风沙和尘土的能力，必须绝对的安全可靠。

在风力发电设备的多个部位都要用到制动器，因此可以说它是风力发电设备中的一个重要零部件。无论风力发电设备的规格大小，风力发电设备的转子都要有转子制动器、风向跟踪（偏航跟踪系统）制动器和叶片角度调整（旋翼角度调节）制动器，而在这些制动器设计时又提出了各自不同的要求。

保护风力发电设备不会超速运行

转子制动器的功能之一就是防止风力发电设备超速运行，起到制动和紧急停止制动器的作用。Altra工业控制技术公司下属的Twiflex公司是一家经验丰富的大型风力发电设备转子制动器供应商。一般情况下，转子制动器的设计是使其具有自动防故障功能，即弹簧驱动、液压通风排气。它拥有强力的弹簧，可直接通过弹簧或者杠杆传递弹簧力，把一片片制动盘压紧，并可用高压液压油使这些弹簧松开。

转子制动器即可安装在慢速旋转的转子轴上，也可安装在快速旋转的发电机轴上，在有些情况下也可安装在上述两种轴上。安装在慢速转子轴上的转子制动器原则上其结构并不复杂。它可以使用大型的制动盘，有着较大面积的摩擦表面，但在这种慢速旋转轴上的制动器要求有很大的制动力矩。因此，一般规律是在变速器和发电机之间高速旋转的轴上安装转子制动器。这样，变速器的变速比使得输出扭矩明显减小。

图2  不仅是风力发电设备中的转子制动器（a），还是偏航制动器（b）都有着很高的紧凑性要求

转子制动器中集成的多种功能

另一方面，转子制动器安装在高速旋转轴上时所需的空间占用也较小。无论制动器是安装在高速旋转的变速器轴上，还是安装的高速旋转的发电机轴上，风力发电设备输出的能量保持不变。也就是说，整个制动摩擦面积应该是相同的。在选择转子制动器时，转速和可以安装制动器的空间大小是确定制动盘直径的制约性因素。

制动力矩也是一个在转子制动器方案设计时就必须确定下来的重要参数。在向转子轴上安装制动器时，转子制动器允许的最大力矩取决于转子叶片以及转子叶片在变速箱动力输入轴上的规定情况。当把转子制动器安装在高速旋转的轴上时，制动扭矩的大小则只取决于变速箱允许承受的最大负载。另外，对制动器还有一个不能低于最小制动力矩的要求。否则，根据风力发电设备不同工作条件而强烈变化的摩擦力会对设备转子造成损伤。

在设计计算时还必须考虑的一些重要因素是转子的贯性矩、空气动力学的力矩、转子转速、制动片材料的化学成分和制动片的热力学性能。

风力发电设备驱动系统中使用的第二个制动器是偏航制动器。它灵活的根据风向调节着机舱的旋转运动。一般情况下，偏航制动器是一种拖动制动的、对背压有一定限制的制动器，而其背压的大小又与施加的弹簧力和制动扭矩的大小有关。

当风向检测仪发出风向改变的信号后，偏航驱动系统和偏航制动器即开始工作。当机舱旋转到预定的最佳位置时，再次发出一个停止信号使偏航驱动系统停止工作。不同的风力大小对偏航驱动电机的负载有一定的影响，也会影响到偏航定位控制机舱定位的准确性。偏航驱动电机的负载也可以不受风力大小的影响而进行调节，此时就需要在机舱齿圈上安装一套有效的机电一体化控制的松开和锁紧制动器。根据电动机电流大小的波动，电流信号控制制动器的拖动。

大多数的风力发电设备都有4~8个偏航制动器。一般情况下，这些偏航制动器都安装在电动机的驱动轴上，大多数都安装在偏航齿圈的下方。它保障了风机机舱准确的定位和最佳的效率。

旋翼调节机构制动器的结构应非常紧凑

为了最佳的利用风能，带水平轴的大型风力发电设备旋翼叶片角度一般都是可以调节的，也就是所谓的‘旋翼调节’。另外，为了避免强台风造成风力发电设备的损坏且便于维修，旋翼调节应能把叶片旋转到“不受风位置”。旋翼调节的驱动系统有电动和液压旋翼调节驱动之分。电动驱动的旋翼调节驱动装置是最常用的，因为它可以设计的非常紧凑。另外，电动驱动的旋翼调节机构占用空间小，能够轻松的安装在不同场合中编制程序进行控制。在这一驱动装置中集成的由静态电流驱动的停止制动器作为辅助安全保护装置以及旋翼调节出现问题时的动态制动。

在选择合适的旋翼调节驱动装置制动器时要考虑多种因素。旋翼调节驱动装置本身必须非常的紧凑，因为风机机舱圆锥形的机头中安装空间是非常有限的。因此，旋翼调节装置的制动器应在有限的体积内提供足够的制动力矩。一般情况下，这种旋翼调节制动器的直径要小于电动机制动器和调节装置制动器，而且其长度也不能太大。

同样，在其零部件的选择中也要注意有很长的使用寿命。一台大型的风力发电设备的使用寿命可以长达20年。它的每一个零部件和集成在内的系统至少应有相同的使用寿命，甚至更长的使用寿命。

专门设计的钳式制动器可以承受这么大的力矩和热负载。但这种钳式制动器的直径尺寸较大，因此在有限的安装空间中很难容纳。法兰连接的弹簧驱动的电气复位标准电机制动器虽然能够满足空间小、结构紧凑的要求，但一般情况下满足不了规定的扭矩和散热要求。因此，在风力发电设备中使用的是专门研发的结构坚固的满足了上述要求的专用制动器。