小型风力发电机动力结构设计

式中：?r、?a

——径向与周向变形（?m）；

Kr,Ka ——径向与周向刚度（?m）； Fr,Fa——轴承的径向和轴向载荷（N）；

? ——接触角（°）；

db——球径（mm）；

la ——滚子有效长度（mm）;

i,z ——列数和每列滚动体数；

Qr,Qa ——单个滚动体的径向和轴向载荷（N）；

Qr?5Frizcos?Fazsin?

Qa?轴承的刚度不是一个定值，而是载荷的函数，载荷越大，刚度也越大。

由于球轴承载荷对刚度的影响比滚子轴承的影响大，所以，球轴承在计算时应该同时考虑预紧力。

计算时，当外载荷无法确定时，常取轴承额定动载荷的0.1倍作为轴承的载荷。 主动锥齿轮轴上的圆锥滚子轴承，系轴向游动轴承，因此，将其外圈以可移动方式配合于H6级精度的外壳孔内。另一个圆锥滚子轴承，一般用端盖通过外圈进行调整，因此应将外圈间隙配合于H6级的外壳孔中。安装在输出轴上的圆锥滚子轴承，为适应轴的热伸长，也应将外壳孔加工到H6级精度。

两根轴上所有轴承的内圈，均受循环载荷，故全部采用过盈配合的方式，安装在k5级精度的轴上。当载荷很大时，可将轴的精度降为m6。

由于锥齿轮的线速度已超过2m/s，因此该变向器里的全部轴承均采用飞溅润滑。即依靠锥齿轮的旋转，将油甩到箱体内壁上，然后经上箱壁和下箱座抛分面上的输出沟，以及轴承盖上的导油槽，将油引入轴承。

为保证良好的润滑，应控制箱体内油面的高度。一般情况下，应把大锥齿轮的整个齿宽，至少0.7倍齿宽浸入油中

为了防止变向器周围环境中的灰尘、水气、酸气、和其他杂质浸入轴承内，同时防止箱内润滑油外漏，在轴伸出端盖的部分，应设置密封装置。在多数情况下，应使用橡胶密封圈。

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4.2.6.4键的选择

根据轴径大小所选键均为16*10，与联轴器相连的两个键为16*10*70，主动轴与锥齿轮连接的键为16*10*56，从动轴与锥齿轮连接的键为16*10*63。

以上为本课题所涉及到的设计计算。

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第五章 垂直轴风力发电机正常工作的条件

5.1垂直轴风力发电机的调速

垂直轴风力发电机调速的方式也很多，如改变叶片转动半径以改变叶片扫掠面达到调速的目的；用改变叶片的迎风角来调速等等。但结构都很复杂，制造成本也很高，且难以稳 定在风轮额定转速范围内。较好的办法是采用恒定扭矩输出器以保证发电机获得恒定扭矩达到发电机运行在额定转速范围内。另一种较好的办法是不调速，为了更好地利用风能，可 安装二台或更多台发电机。当风轮所获得的风能满足1台发电机时接通1台，当风速增大，能满足2台发电机功率时接通2台……，所发交流电经交一交逆变器达到并网的频率。

5.2垂直轴风力发电机的启动

垂直轴小型风力发电机不能自行启动，需外部动力启动后方能自行运转。

大、中型垂直轴风力发电机并网的并且调速稳定，可以采用异步发电机。当启动时，电网向发电机供电，发电机成为电动机转动启动风轮转动，风轮转动后再切断电网供电。

不并网的单机使用的垂直轴风力发电机，应附加启动装置。一般在增速器与发电机之间安装离合器并安装启动装置，动力由直流或交流电机供给。启动后将启功电机分离，再将增速器与发电机之间的离合器结合，实现发电机正常运转发电。单机使用的垂直轴风力发电机应备有储存电能的蓄电池，将多余电能经整流(交流发电机)或直接(直流发电机)向蓄电池充电，用以启动和无风时向用电器供电。

5.3垂直轴风力发电机制动器的设计

一般微型和小型风力发电机不设制动器，中大型风力发电机大部分的制功器采用液压或电磁制动器，也有备用手制动器的。

为了使风力发电机结构简单、重量轻，一般将联轴器与制动器设计在一起，并且置于增速器与发电机之间的高速轴部位，很少有布置在低速轴位置的，因为低速轴的制动力矩大。 我国制功器已有标准并且有商品可供应。但我国制定制动器标准时没有考虑风力发电机，主要适合于通用机械、起重机械等制动用，制动器通常既大又重。

风力发电机用制动器应具有重量轻、制动力矩大、经久耐用、制动可靠等特点。

5.4 小型风力发电系统中配置的蓄电池

5.4.1为什么用蓄电池

由于风能的间歇性和不稳定性，如果用电器直接由风力发电机来供电，会出现供电时有时无、忽高忽低现象，这种电能是无法使用的。为建立一个供电电压稳定、能够全天候提供均衡供电的电源系统，就必须在风力发电机和用电器之间设置储能装置，把风力发电机发出的电储存起来，稳定地向用电器供电。

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理想的电能储存装置应当具有大的储存密度和容量；储存和供电具有良好的可逆性；有高的转换效率和低的转换损耗；运行要便于控制和维护；使用安全，无污染；有良好的经济性和较长的使用寿命。

现在，正在研究、开发和应用的电能贮存方式有改进型铅蓄电池和新型蓄电池储能；飞轮储能；水位储能；压缩空气储能；超导线圈储能等形式。

从目前小型风力发电机的实际应用看，最方便、经济和有效的储能方式是采用蓄电池储能。

蓄电池又称“电瓶”，它能够把电能转变为化学能储存起来，使用时再把化学能转变为电能，变换过程是可逆的，充电和放电过程可以重复循环、反复使用，因此蓄电池又称为“二次电池”。

5.4.2．现在使用的蓄电池

现在使用的蓄电池，虽然从外形看有大有小，形状不一，但从电解液的性质来区分，主要分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类酸性蓄电池也叫铅蓄电池，它是各种二次电池中使用最多的一种。由于铅的资源丰富，铅蓄电池的造价较低，因而应用非常广泛。

作为风力发电系统中的储能设备，无论是酸性蓄电池还是碱性蓄电池，只有用户了解它们的性能和使用操作方法，才能延长蓄电他的使用寿命。早期的铅蓄电他的充放电循环次数只有200—300次，使用寿命只有1—2年。随着工艺及结构不断改进，其性能不断提高，目前充放电次数已超过500次，使用寿命可达3—4年，不过蓄电池的实际使用寿命和能否正确使用维护有很大关系。若能正确操作使用，按时维护．有的铅蓄电池可使用5年以上。

5.5发电机系统中的防雷击设施

风力发电机安装在室外，塔架加风轮和轮毂高度达十几米，遭受雷击屡见不鲜，特别是在雷电多发地区，电闪雷鸣，释放出巨大能量，雷击会造成风力发电机叶片损坏，井常常引起发电系统过电压，造成发电机击穿、控制设备烧毁、电气设备损坏等事故，甚至危及人员安全。所以，雷击威胁着风力发电机的安全运行。因此，我们在安装风力发电机时，一定要注意做好防雷击措施。

小型风力发电机上如果不方便安装防雷击设施，可在其附近安装避雷设施，达到防雷击效果。

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结束语

根据导师布置的课题，本文对小型风力发电机部分零部件的设计进行了研究和探讨，针对垂直轴小型风力发电机的叶片、轴毂、支撑架、变向器等重要部件的结构进行了研究。其主要内容如下：

1、 根据现有理论和条件要求设计出了合适的叶片，并利用Solidworks软件建立叶片的三维模型，叶片是设计的重点也是难点，它直接影响所设计的小型风力发电机的工作效率。

2、 根据设计需求，设计出了轴毂、支撑架等零部件，并利用Solidworks软件建立了三维模型。

3、 根据设计需求，设计出了变向器装置，并合理地选择了轴承、键等配套零部件。

待解决的问题:

由于个人时间和知识水平的限制，虽然通过努力完成了上述内容的研究，但对于垂直轴小型风力发电机尚有以下3个问题需要进一步研究：

1、叶片三维模型的气动特性模拟与仿真。目前国内外对气动特性的模拟与仿真主要集中在二维叶素的研究上，针对三维模型特别是旋转的叶轮模型的气动特性模拟与仿真却留有很大空白，在技术和方法上的研究有很大的提升空间。

2、叶片气动实验研究。主要利用风洞实验等空气动力学研究的常用方法对叶片在实际运行情况下的各项特性进行研究，如流场情况、风轮的启动情况、高风速下的失速特性、噪音大小等，这些指标的好坏将能够全方位反映叶片的设计制造水平。

3、小型风力发电机的手动制动系统。虽然小型风力发电机有单片机控制的制动系统，可以不设计手动刹车系统，但为了维修方便，最好设计出相应的手动刹车系统。 展望：

随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭及越来越严重的环境污染问题，21世纪必将是风能快速发展的世纪，风力发电技术也必将得到快速提高，因此对于小型风力发电机来说充满着机遇与挑战，性能优越的风力发电机将越来越广泛的应用到人们的日常生活中，因此对垂直轴小型风力发电机的研究有着非常重要的现实意义，对此作以下展望:

(1) 垂直轴小型风力发电机的研究将继续向着提高风能转换效率的方向发展，也将继续向着轻质高强的方向发展，碳纤维将越来越多的使用到小型发电机叶片的制造中来。

(2)计算机技术，特别是有限元技术将会更多的用到风力发电机的设计与制造及分析中来，其中将会出现风力发电机叶片设计制造与分析的专门软件，风力发电机的设计将更加专门化和商业化。

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