畢業(yè)設計論文小型風力發(fā)電機畢業(yè)設計

小型風力發(fā)電機畢業(yè)設計摘要基于開發(fā)風能資源在改善能源構造中的重要意義，本論文對風力發(fā)電機的特性作了簡要的簡介，且對風力發(fā)電機的多種參數(shù)和風力機類型作了必要的闡明。在此基礎上，對風力發(fā)電機的原理和構造作了細致的分析。首先，對風力發(fā)電機的總體機械構造進行了設計，并且設計了限速控制系統(tǒng)。本課題設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發(fā)電機構成。這種發(fā)電機有體積小、噪音小、使用壽命長、價格低的特點，適合在有風能資源地區(qū)的樓房頂部，供應家庭用電，例如照明：燈泡,節(jié)能燈；家用電器:電視機、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱。關鍵詞：風力發(fā)電限速控制系統(tǒng)小型風力發(fā)電機AbstractExploitingwindenergyresourcesisofgreatsignificanceinimprovingenergystructure.Inthediscourse，thecharactersofwindgeneratorareintroducedbriefly，whileparametersandtypesofwindgeneratorsarealsonarrated.Baseonthese，thetheoryandconstitutionofthewindgeneratoraremeticulouslyanalyzed.Firstly，Hascarriedonthedesigntowind-drivengenerator'soverallmechanism,Andhasdesignedtheregulatingcontrolsystem.WhatIdesignisonekindofnewverticalaxissmallwind-drivengenerator,bytheairblowerimpeller,thecolumn,thecrossbeam,thegearshiftmechanism,theengaginganddisengaginggearandthegeneratoriscomposed.Thiskindofgeneratorhasthevolumetobesmall,thenoiseissmall,theservicelifeislong,thepricelowcharacteristic,suitsinhasthewindenergyresourcesareabuildingcrown,thesupplyfamilyuseselectricity,Forexampleillumination:Thelightbulb,conservesenergythelamp;Domesticelectricappliances:Television,radio,electricfan,washer,electricrefrigerator.Keywords：Windpowergeneration,Regulatingcontrolsystem,Smallwind-drivengenerator目錄摘要 IAbstract II目錄 III序言 11概述 21.1開發(fā)運用風能的動因 21.1.1經(jīng)濟驅動力 21.1.2環(huán)境驅動力 31.1.3社會驅動力 31.1.4技術驅動力 41.2風力發(fā)電的現(xiàn)實狀況 41.2.1世界風力發(fā)電現(xiàn)實狀況 41.2.2中國風力發(fā)電現(xiàn)實狀況 41.3風力發(fā)電展望 52風力機理論 72.1基本公式 72.1.1風能運用系數(shù) 72.1.2風壓強 72.1.3阻力式風力機的最大效率 72.2工作風速與輸出功率 82.2.1風力發(fā)電機的輸出效率 82.2.2工作風速與輸出功率 92.2.3啟動風速和額定風速的選定 92.3風能運用與氣象 122.3.1風的觀測對風能運用的意義 132.3.2風能運用中需要的氣象調(diào)查 132.4風的觀測 133風力發(fā)電機方案和構造設計 143.1小型垂直式風力發(fā)電機方案設計 143.2風葉 153.3行星齒輪加速器設計計算 163.3.1設計規(guī)定 163.3.2選加速器類型 163.3.3確定行星輪數(shù)和齒數(shù) 173.3.4壓力角(α)的選擇 173.3.5齒寬系數(shù)的選擇 183.3.6模數(shù)選擇 183.3.7預設嚙合角 183.3.8太陽輪與行星輪之間的傳動計算 183.3.9行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算 193.3.10行星排各零件轉速及扭矩的計算 203.3.11行星排上各零件受力分析及計算 203.3.12行星齒輪傳動的強度校核計算 213.4電磁離合器設計計算 253.4.1選型 253.4.2牙嵌式電磁離合器的動作特性 263.4.3離合器的計算轉矩 263.4.4離合器的外徑 263.4.5離合器牙間的壓緊力 263.4.6線圈槽高度 273.4.7磁軛底部厚度 27總結 28致謝 29參照文獻 30序言伴隨世界工業(yè)化進程的不停加緊，使得能源消耗逐漸增長，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而導致氣候異常、災害增多、惡性疾病的多發(fā)。因此，能源和環(huán)境問題成為當今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引起的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要?？梢哉f，對風力發(fā)電的研究和進行這方面的畢業(yè)設計對我們從事風力發(fā)電事業(yè)的同學是有著十分重大的理論和現(xiàn)實意義的，也是十分有必要的。1概述1.1開發(fā)運用風能的動因風能作為一種新能源它的開發(fā)運用是有一定動因的，并且伴隨時間的推移，開發(fā)運用風能的動因也在變化。下面將重要從經(jīng)濟、環(huán)境、社會和技術進步四方面來簡介風能開發(fā)運用的動因。1.1.1經(jīng)濟驅動力經(jīng)濟最優(yōu)化能源供應的經(jīng)濟最優(yōu)化提供了重視開發(fā)運用的基本原理。在偏遠地區(qū)，電力供應困難。與常規(guī)電網(wǎng)延伸和柴／汽油機發(fā)電相比，運用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢。例如在內(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)，運用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電，農(nóng)牧戶承擔的成本約2元/KW左右。假如用電網(wǎng)延伸的措施，農(nóng)牧戶承擔的成本高于8元/KW。在這些地區(qū)，運用汽油／柴油發(fā)電機的供電，考慮油料的運送成本，農(nóng)牧戶承擔的成本也要高于6元/KW?；茉促Y源枯竭與供應安全進入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中通過了多次能源危機。人們開始認識到，無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源，終有資源枯竭的一天。目前石油儲量約1300億噸，年消耗量約35億噸，計此后25年中平均年消耗量將達50億噸，雖然加上新發(fā)現(xiàn)的油田，專家估計總儲量也不會超過億噸，有油資源在四五十年后也將枯竭。為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，當務之急是尋找和研究運用其他可再生資源。風能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。某些國家要靠進口化石能源來滿足本國內(nèi)能源的消費。風能的開發(fā)運用可以減少對國外能源的依賴，并加強本國的能源供應安全水平，國內(nèi)的化石能源價格變化較小，社會經(jīng)濟穩(wěn)定性也因此而增強。增進能源產(chǎn)業(yè)升級風力發(fā)電技術屬于新興技術，風電產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)。風力發(fā)電技術的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進入市場，將給整個能源產(chǎn)業(yè)帶來新的活力，成為國民經(jīng)濟的一種新的經(jīng)濟增長點。一種國家假如開發(fā)運用風能技術早，就有也許占據(jù)風能運用的技術和市場優(yōu)勢。1.1.2環(huán)境驅動力除了人們早先認識到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認識到二氧化碳等溫室氣體的大量排放對全球氣候變暖給人類社會帶來的有害影響。冰山消融、海平面升高、大氣環(huán)流和海洋異常導致自然災害的頻發(fā)、土地沙漠化，使“地球村”的效應愈加明顯，各國都認識到必須共同采用措施減緩和影響這種變化。為減緩地球變暖，1997年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第3次大會上，84國代表審議通過《京都議定書》，規(guī)定工業(yè)發(fā)達國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。風能在能源轉化工程中不會產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。1.1.3社會驅動力風能份額增長時，會發(fā)明諸多直接和間接的就業(yè)機會。除了在工廠的生產(chǎn)和裝機工程中發(fā)明就業(yè)之外，在設備維護方面也會提供就業(yè)機會。此外，在某些國家（如歐盟國家）中，風能開發(fā)運用已經(jīng)成為熱點問題，得到了公眾的支持。許多民眾十分關注風能的發(fā)展，并將運用風能和其他可再生能源當成他們的生活方式。綠色電力的發(fā)展就是一種經(jīng)典的例予，人們自愿以高于化石電力的價格購置風電和其他可再生能源電力。1.1.4技術驅動力伴隨科技的進步，空氣動力理論的不停發(fā)展、新型高強度、輕質(zhì)材料的出現(xiàn)，計算機設計技術的廣泛應用和自動控制技術的不停改善，機械、電氣、電子元件制造技術的成熟，為風電技術向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。1.2風力發(fā)電的現(xiàn)實狀況1.2.1世界風力發(fā)電現(xiàn)實狀況20世紀80年代以來，工業(yè)發(fā)達國家對風力發(fā)電機組的研制獲得了巨大進展。1987年美國研制出單機容量為3.2MW的水平軸風力發(fā)電機組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。1987年加拿大研制出單機容量為4.OMW的立軸達里厄風力發(fā)電機組，安裝于魁北克省的凱普一柴特。進入20世紀80年代，單機容量在100KW以上的水平軸風力發(fā)電機組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國獲得了迅速發(fā)展。到20世紀90年代，單機容量為100～200KW的機組已在中型和大型風電場中成為主導機型。同步單機容量在1MW以上的風力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在風電場中成功運行。世界風電總裝機容量1997年終為746萬KW，1998年終為1015萬KW，1999年終風力發(fā)電機的設計及風力發(fā)電系統(tǒng)的研究為1393萬KW，達1845萬KW，達2493萬KW，達3112KW，平均年增長率在30%以上。歐洲風能協(xié)會估計，全世界到風力發(fā)電裝機容量將超過1億KW，占歐洲總發(fā)電量的20%以上。世界能源委員會估計，全世界到風力發(fā)電裝機容量可達1.8億～4.7億KW。1.2.2中國風力發(fā)電現(xiàn)實狀況中國風力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。目前風力發(fā)發(fā)電機組的研制開發(fā)重點分兩方面，一是1KW如下獨力運行的小型風力發(fā)電機組，二是100KW以上并網(wǎng)運行的大型風力發(fā)電機組。20世紀80年代中期，中國開始規(guī)劃風力發(fā)電場的建設。1983年在山東榮城引進3臺丹麥55KW風力發(fā)電機組，開始并網(wǎng)風力發(fā)電技術的試驗和示范。1986年在新疆達坂城安裝了1臺100KW風力發(fā)電機組，1989年又安裝了13臺150KW風力發(fā)電機組，同年在內(nèi)蒙古朱日和也安裝5臺美國100KW機組，開始了中國風電場運行的試驗和示范。尤其近年來，中國的風力風電場建設獲得了很好的經(jīng)濟效益和巨大的發(fā)展。據(jù)記錄，究竟，中國共建有27座風電場，裝機812臺，總容量39.98985方KW。目前正處于前期工作階段和正在建設的風電場以遍及10多種省、市和自治區(qū)。1.3風力發(fā)電展望風力發(fā)電技術目前還在不停發(fā)展，重要體目前單機容量不停增大上。目前主流發(fā)電機組的功率，以上升到600～750KW，MW級的機組也成批生產(chǎn)，24MW級的機組已在試驗生產(chǎn)。這就必然要采用某些新的復合材料和新的技術。例如，單機容量不停增大，槳葉的長度也在不停增長，容量為2MW的風力機葉輪掃風直徑達72m。目前最長的葉片以做到50m。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、重量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。初期的某些風力機槳葉是根據(jù)直升飛機的機翼設計的，而風力機的槳葉運行在與直升飛機很不一樣的空氣動力環(huán)境中。對葉型的深入改善，增強了風力機捕捉風能的效率。例如，在美國，國家可再生能源試驗室研制開發(fā)了一種新型葉片，比初期的某些風力機槳葉捕捉風能的能力要大20%。目前，丹麥、美國、德國等風電科技較發(fā)達的國家，有許多專業(yè)研究人員在運用較先進的設備和技術條件致力與新葉型的從理論到應用的研究開發(fā)。在中、大型風電機組的設計中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風能。地處平坦地帶的風力機。在50m高處捕提的風能要比30m高處多20%。尤其值得注意的是，伴隨電力電子技術的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風力發(fā)電機，風力發(fā)電機的設計及風力發(fā)電系統(tǒng)的研究組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到風力發(fā)電機組軸上，轉子的轉速隨風阻而變化，其交流電的頻率也隨之變化，通過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。由于他被設計成在幾乎所有的風況下都能獲得較大的空氣動力效率，因而提高了捕捉風能的效率，試驗表明，在平均風速6.7m/s時，變速風力發(fā)電機組要比恒速風力發(fā)電機組多捕捉15%的風能，同步每由于機艙重量減輕和改善了傳動系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風力發(fā)電機組的支撐構造減輕，塔架等基礎費用也可減少。其運行維護費用也較低。這是一種很有發(fā)展前途的技術。風力發(fā)電場未來的發(fā)展趨向將集中在：提高機群安裝場地選擇的精確性；進機群布局的合理性：提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)運行的最佳控制；深入減少設備投資及發(fā)電成本；總裝機容量在1MW以上的風力發(fā)電場將占據(jù)主導地位，風力發(fā)電場內(nèi)的風力發(fā)電機組單機容量將重要是百千瓦以上至兆瓦級的。2風力機理論2.1基本公式2.1.1風能運用系數(shù)風力機從自然風能中吸取的能量大小程度用風能運用系數(shù)Cp表達。橫截面積為s(m2)的氣流的動能為E=0.5ρSVf3式中ρ——空氣密度，㎏/m3Vf——風速，m/s假如風力機實際獲得的軸功率為P,那么風能運用系數(shù)為CP=P/E=P/(0.5ρSVf3)（2-1）2.1.2風壓強如圖2-1a，根據(jù)伯努力方程，風中物體受到的風壓Q為Q=0.5CPVf2式中C——空氣阻力系數(shù)與物體形狀有關，平板一般取2Vf——風與平板的相對速度2.1.3阻力式風力機的最大效率建立簡樸的理想模型，一種平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖2-l（b），并規(guī)定平板上游一定距離上的風速為Vf，平板的運動速度為V，那么平板吸取的功率可以表達為P=FV=QSV式中F——板受到風的壓力，牛頓S——平板的面積，m2圖2-1平板模型F=QS=0.5CPS(Vf-V)2因此P=0.5CPS(Vf-V)2V(2-2)對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數(shù)的功率變化關系式，對V進行微分得dp／dv=CP(Vf-V)(Vf-V／3)令dp／dv=0，可以得到兩個解：V1=Vf沒有物理意義V2=Vf／3對應于最大值Pmax=0.5ρSV3f(4C/27)CPmax=4C/27(2-3)從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一措施是設法提高風的阻力系數(shù)C。2.2工作風速與輸出功率2.2.1風力發(fā)電機的輸出效率最理想的風力機也不也許吸取所有的風能，而只能吸取部分風能。如上一節(jié)推導的那樣，有一種最大風能運用系數(shù)Cpmax。不過，風力機在制做過程中，由于受到多種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。實際風力機吸取的功率與理想風力機吸取的功率的比值叫做風力機的效率。用η1表達。此外尚有傳動機構的效率甲η2和發(fā)電機的效率η3等，因此實際風力發(fā)電機輸出的效率，可以表達為η=η1·η2·η32.2.2工作風速與輸出功率風力機啟動時，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風力機的啟動力矩。啟動力矩重要與風力機自身的傳動機構摩擦阻力有關·因此風力機有一最低工作風速稱Vfmin，只有風速不小于Vfmin時風力機才能工作。當風速超過某一值的時候，基于安全上的考慮(重要是塔架和槳葉強度)，風力機應當停止運轉，因此每一臺風力機都規(guī)定有最高風速Vfmax，最高風速Vfmax與風力機的設計強度有關，是設計時給定的參數(shù)。最小風速稱Vfmin，和最大風速Vfmax之間的風速叫做風力機的工作風速，對應于工作風速風力機有功率輸出。當風力機的輸出功率到達標稱功率時的工作風速叫做該風力機的額定風速。2.2.3啟動風速和額定風速的選定怎樣根據(jù)風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風速和額定風速是關鍵。（1）雙參數(shù)威布爾分布風能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風能密度，設ρ為空氣密度，V為風速，則風能密度p=0.5ρv3，p隨V的立方增大，變化非?？?，故懂得風速的變化狀況是運用風能的先決條件。風速V是隨機變量，經(jīng)研究專家們多認為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風速頻率分布最佳腳。威布爾分布函數(shù)形如下式其中K為形狀參數(shù)，無量綱，C為尺度參數(shù)，量綱為ms-1。不一樣地區(qū)，不一樣步期參數(shù)K、C是不一樣的，可根據(jù)某地持續(xù)30年的風資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖2-2。參數(shù)K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。圖2-2威布爾分布函數(shù)曲線上式滿足(2-4)（2）起動風速啟動風速為風力機風輪由靜止開始轉動并能持續(xù)運轉的最小風速:風力機分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式尚有若干種規(guī)格，只有科學地選擇適合當?shù)仫L能資源的風力機，才能以較少的投資獲取較多的風能。根據(jù)國內(nèi)外100多種風力機，起動風速的范圍是2ms-1，至6ms-1，這一范圍能滿足風能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可運用區(qū)的不一樣需要。雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對應的凡就是起動風速(圖2-2)。對上式求一階導數(shù)且令其等于O有解得 (2-5)證明氣是出現(xiàn)概率最大的風速。使用起動力風速不小于上式計算的氣的風力機會損失小風速這一區(qū)段的風能，使用起動風速不不小于上式計算的咋的風力機與否更好呢?表面看低風速的風能得到更多的運用，深入研究可知在之氣的較高風速區(qū)風能運用率下降，總體上是得不償失，故選用盡量靠近上式成果的風力機最為理想。（3）額定風速額定風速的選定直接影響風能運用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟性，是風力發(fā)電機設計中的重要參數(shù)。己知風能密度p=12ρv3，對一臺效率為?，槳葉半徑為廠的風力機，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為w(V)峰值對應之風速VP應是額定風速，此時風力機提取的風能最多。令 (2-6)（4）風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系可以簡樸地如圖2-3來表達(注:圖中縱坐標表達輸出功率，單位為:w/m2;橫坐標表達風能，單位為:m/s)A—理論風能曲線B—扣除空氣動力損失后的風力機吸取的功率C—計算傳動損失和機械能轉換損失后的功率曲線D—發(fā)電機實際輸出功率曲線圖2—3功率與風速的關系2.3風能運用與氣象2.3.1風的觀測對風能運用的意義在前面已經(jīng)講述過，風能與風速的三次方成正比。因此，當風速測量有10%的誤差時，風力機輸出功率的誤差將擴大到33%。在風力機的設計中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟損失。風速隨時間變化很大，并且地區(qū)性差異也很大，對的把握風況并不是一件輕易的事情。因此在風力機設計計劃中，對風的觀測非常受重視。2.3.2風能運用中需要的氣象調(diào)查在風能運用中，需要進行四項氣象調(diào)查:(l)風能密度調(diào)查結合風能的地辨別布和可設置風力機地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對可運用的風能量進行估算。(2)選定適合地點在一年中，對通過強風場所的調(diào)查。(3)風速的頻率分布調(diào)查在風力機的設計中，為了估算平均出力和運轉時間等量，必須理解風力機軸高處的風況。(4)為了風力機設計強度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查異常的強風出現(xiàn)的概率、風的不定向性以及突風程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。2.4風的觀測風的觀測，因其目的不一樣而有各自的特點。對于風能運用，通過對風的觀測，可以估算出該地區(qū)可運用的風能大小，為風力機的設計和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟性等提供條件。風速的測量包括風向和風速的測量。由于風速隨時間變化很大，并且變化不定，因此測量時取一定期間內(nèi)的風速大小的平均值和最長時間的風向。我國現(xiàn)行的風速觀測有兩種措施:一種是每日定期4次兩分鐘平均風速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風速觀測。實際測量成果表明，前一種措施的誤差比較大，因此在風力發(fā)電機的設計中采用后一種測量措施得到的數(shù)據(jù)。3風力發(fā)電機方案和構造設計3.1小型垂直式風力發(fā)電機方案設計目前，各個發(fā)達國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，由于太陽能的設置地點較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進行一體化設計。不過風力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。老式的風力發(fā)電機啟動風速規(guī)定較高，發(fā)電噪音也很大，因此只能將風力發(fā)電機放在人跡罕至的地方或風力較大的地方。設備也是往大型風力發(fā)電機發(fā)展，專門建設大型風力發(fā)電場，這樣，小型風力發(fā)電在相稱長的時間里未得到很好的發(fā)展。因此，怎樣使風力發(fā)電和建筑進行一體化設計，減少小型風力發(fā)電機噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質(zhì)量，已成為各個國家研究的焦點！我設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發(fā)電機構成。如下圖所示：圖3-1小型垂直軸風力發(fā)電機框圖該小型垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)電原理為：在風的吹動下，風輪轉動起來，使空氣動力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉矩和扭矩傳遞到風力發(fā)電機軸上，帶動發(fā)電機軸旋轉，從而使永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風速的不停變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也伴隨變化。發(fā)出的電通過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220伏的交流電，供應顧客的家用電器。應用范圍：提供220伏交流電或24伏、36伏或48伏直流電照明:燈泡,節(jié)能燈家用電器:電視機、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱；該新型垂直軸風力發(fā)電機的特點為：額定功率（ｗ）：300輸出電壓（v）：24啟動風速（m/s）：2額定風速（m/s）：6最大使用風速（m/s）：20發(fā)電機為額定功率300w，輸出電壓24v。該新型垂直軸風力發(fā)電機的長處為：構造簡樸易維護運行平穩(wěn)安全抗強風能力強操作簡樸價格低廉3.2風葉采用帆翼式風葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風力機，構造簡樸、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡樸，成本低，性能好，因此適于推廣使用。圖3-2帆翼式3.3行星齒輪加速器設計計算3.3.1設計規(guī)定設計壽命5年，單班，一年365天，中等傳動，傳動逆轉，齒輪對稱布置，不容許點蝕，無嚴重過載，閉式傳動。齒輪精度8-7-7，齒輪材料:20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo，氮化處理，硬度為Hv40O以上。3.3.2選加速器類型小型風力發(fā)電機是安裝在樓頂或屋頂上的，因此盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設備。在選擇行星齒輪時，我選擇NGW型星形齒輪加速器，由于這個型號的齒輪傳動效率高，體積小，重量輕，構造簡樸，制造以便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于多種工作條件的特點。輸入軸輸入軸輸出軸RSCP圖3-3NGW型行星齒輪加速器3.3.3確定行星輪數(shù)和齒數(shù)在行星齒輪加速器中選擇行星輪數(shù)：Nw=3通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機械手冊）：總傳動比i=5.4太陽輪齒數(shù)ZS=20內(nèi)齒輪齒數(shù)Zr=88行星輪齒數(shù)Zp=343.3.4壓力角(α)的選擇我們國家和許多國家都把齒輪的原則壓力角規(guī)定為20o，因此，本次設計的變速箱采用20o壓力角，以提高加工刀具的通用性。3.3.5齒寬系數(shù)的選擇對于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應不不小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般狀況下，硬齒面值齒輪可取Фd<0.7。齒寬系數(shù)小Фa=(b/a)，一般可取0.4--0.8，常取0.6--0.7。3.3.6模數(shù)選擇齒輪的模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的重要參數(shù)，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強度。設計變速箱選用模數(shù)的大小，重要與下列原因有關:1.齒輪上受力的大小，作用力大，模數(shù)也大。2.與材料、加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量好壞有關。對于模數(shù)(m)確實定，可以根據(jù)同類變速箱的記錄，參照選擇。下列為行星傳動變速箱模數(shù)登記表:型號SD08SD10TY130BTY160BTY180CTY220TY230TY320BTY320CTY420A整機功率（kw）597495.5120142162169235235310模數(shù)（mm）22.533.5343434.5通過以上比較，我確定本次設計變速箱的模數(shù)為:2.5mm。3.3.7預設嚙合角嚙合角定義：嚙合齒的兩節(jié)圓的公切線與嚙合線的夾角（銳角）。預先設定嚙合角為：α,sp=20o30,α,pr=19o3.3.8太陽輪與行星輪之間的傳動計算（1）計算未變位時的中心距adsp===67.5（2）初算中心距變動系數(shù)y,sp==（3）計算中心距并取圓整值a=m()=70（4）實際中心距變動系數(shù)ysp==0.75（5）計算嚙合角α,spcosα,sp===0.912323,=（6）計算總變位系數(shù)xspxsp==（20+34=0.827（7）校核xsp介于p7及p8之間，有助于接觸強度及抗彎強度，因此可用（8）分派變位系數(shù)xs=0.437xp=0.393.3.9行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算（1）計算未變位時的中心距adcr===67.5（2）計算中心距變動系數(shù)ypr==－0.25（3）計算嚙合角α,rpcosα,rp===0.9488,=（4）計算總變位系數(shù)xrp==(88-34)=－0.241（5）分派變位系數(shù)xr=xrp＋xp=-0.241＋0.39=0.1493.3.10行星排各零件轉速及扭矩的計算因效率對強度校核的扭矩影響比較小，因而在下面的扭矩計算中不考慮效率的影響。對行星排各零件的扭矩進行計算。MS:MR:MC=1:α:(1+α)=1:2.4545:-3.4545因通過太陽輪輸出扭矩，風力發(fā)電機發(fā)電時發(fā)電機的轉矩為2168(Nm)，故反方向計算，故太陽輪為輸入扭矩:Mi=MS=2168(Nm)風力發(fā)電機正常工作時的轉速為ni=1175（rpm）太陽輪轉速ns=1175（rpm）行星輪轉速np==1148（rpm）3.3.11行星排上各零件受力分析及計算1．太陽輪S受力如下圓周力Fts根據(jù)公式=式中Ms一作用在太陽輪上的扭矩Ms=2168(N·m)Cs一行星輪數(shù)目Cs=3rs一太陽輪分度圓直徑rs=74.25(mm)徑向力Frs根據(jù)公式=式中α一齒輪壓力角α=20oβ一分度圓上螺旋角β=0oFrs1=9733×tg20o=3543(N)2．行星輪P受力分析如下：圓周力Ftp=Fts=9733(N)徑向力Frp=Frs=3543(N)3．行星架C受力如下：圓周力Ftc=2Fts=29733=19466(N)徑向力Frc=0(N)4．齒圈R受力如下：圓周力FtR1=Fts1=9733(N)徑向力FrR1=Frs1=3543(N)3.3.12行星齒輪傳動的強度校核計算行星齒輪傳動中的齒輪計算措施重要是按照GB3480“漸開線圓柱齒輪承載能力計算措施”計算，并考慮行星傳動的特點進行計算校核。(1).彎曲疲勞強度校核1.分度圓上的圓周力Ft根據(jù)前面的計算成果，行星輪和齒圈上受力在前進二檔時最大，所受的圓周力均為Ft=13360(N)2.齒寬計算太陽輪與行星輪的齒寬分別為48mm、46mm；齒圈的齒寬為54mm 3.使用系數(shù)KA查手冊得KA=1.254.動載系數(shù)KV太陽輪分度圓上的圓周速度，根據(jù)下列公式計算=式中VC一太陽輪相對于行星架的圓周速度（m/s）ds一太陽輪分度圓直徑(mm)ds=148.5（mm）ns一太陽輪轉數(shù)(rpm)ns=733(rpm)ncp一行星輪相對行星架的轉數(shù)(rpm)ncp=-716(rpm)nc一行星架轉數(shù)(rpm)nc=212(rpm)代入公式因此==4.05（m/s）=1+（）=1.1（m/s）同理可得行星輪P==4.06（m/s）計算得KV=1.10齒圈R=計算得KV=1.1145.齒間載荷分派系數(shù)KFa、KHa由于/b=3N/mm100N/mm且為表面硬化的直齒輪。因此KHa=KFa=1.26.齒向載荷分布系數(shù)KFβ對于太陽輪、行星輪和齒圈，它們的齒輪寬度和行星齒輪的分度圓直徑比都不不小于1，則KHβ=KFβ=17.復合齒形系數(shù)YFS=4YFS=3.95YFS=4.068.重疊度系數(shù)由于εasp=1.47εapr=1.583=0.25+太陽輪與行星輪Yε=0.76行星輪與齒圈Yε=0.7249.螺旋角系數(shù)=1-由于β=0因此YβA=YβC=Yβ=110.彎曲應力σF由公式：==×1.25×1.1×1.2×1×4.0×0.76×1×1.15=356.78(MPa)=×1.25×1.1×1.2×1×3.9×0.724×1×1.15=367.6(MPa)=×1.25×1.1×1.2×1×4.0×0.724×1×1.15=364.6(MPa)11.彎曲疲勞強度的壽命系數(shù)YN=60rnt>3因此YNS=YNP=YNR=1取σFlim=380Mpa12.YST相對齒根的圓角敏感系數(shù)YδrelT查表得太陽輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為YδrelT=113.相對齒根表面狀況系數(shù)YRrelT查表得YRrelT=0.914.應力修正系數(shù)YST=215.齒輪的彎曲疲勞極限σ,Flim由公式σ,Flim=σFlimYNYSTYXYδrelTYδrelTσ,FlimS=460×1×2×1×1×0.9=828（Mpa）σ,FlimP=322×1×2×1×1×0.9=579.6（Mpa）σ,FlimR=380×1×21×1×0.9=684（Mpa）安全系數(shù)S===2.32===1.57===1.87按具有高可靠性規(guī)定取最小安全系數(shù)SFlim=1.5從而可看出：Ss>SFminSp>SFminSR>SFmin因此彎曲強度校核通過。（2）接觸疲勞強度校核1.接觸強度的齒間載荷分派系數(shù)kHa太陽輪與行星輪嚙合時總重疊度εy=εa=1.47查表得kHa=1.2齒圈與行星輪嚙合時的總重疊度εy=εa=1.583查表得kHa=1.22.節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH計算=得ZH=2.31863.彈性系數(shù)Zε可由公式Zε=得太陽輪與行星輪嚙合時Zε==0.918齒圈與行星輪嚙合時Zε==0.89754.接觸疲勞強度極限σHlim太陽輪與行星輪是合金鋼滲碳處理，σHlim取1500Mpa齒圈是合金鋼氮化處理，σHlim取1200Mpa5.壽命系數(shù)ZN=60rnt>5因此===16.潤膜影響系數(shù)ZLVR太陽輪和行星輪為8級精度，齒圈為9級精度，選用v40=115mm2/s的礦物油，則查表得：太陽輪和行星輪為ZLVR=0.9，齒圈為ZLVR=0.87.齒面工作硬化系數(shù)Zw=18.尺寸系數(shù)Zx=19.齒輪的接觸疲勞極限σ,Hlim由公式σ,Hlim=σHlimZNZLVRZWZXσ,HlimS=1500×1×0.9×1×1=1350(MPa) σ,HlimP=1500×1×0.9×1×1=1350(MPa)σ,HlimR=150010.811=9600(MPa)10.安全系數(shù)S===1.05===1.05===1.47按具有高可靠性規(guī)定取最小安全系數(shù)SHlim=1.0從而看出齒輪滿足使用規(guī)定。3.4電磁離合器設計計算3.4.1選型為滿足風力發(fā)電機工作環(huán)境的需要，在風力發(fā)電系統(tǒng)中我選擇牙嵌式電磁離合器，由于牙嵌式電磁離合器有外形尺寸小，傳遞轉矩大，無空轉轉矩，無摩擦發(fā)熱，無磨損，不需調(diào)整，傳動比恒定無滑差，使用壽命長，脫開快，干、濕兩用的特點。（電源為12v直流電）3.4.2牙嵌式電磁離合器的動作特性通電后，當激磁電流按指數(shù)曲線上升時，由于銜鐵被吸引，線圈中電感增大，引起電流第一次短時間下降，后來還會由于銜鐵吸引后尚不能起動負載轉矩，出現(xiàn)牙間嵌合、脫開和再嵌合的滑跳現(xiàn)象，致使電流發(fā)生多次跳動，直到能帶動負載轉矩時才趨向穩(wěn)定。對于靜態(tài)接合，起動時間的長短重要與銜鐵吸引時間有關，而對動態(tài)起動，則與相對轉速、負載特性、負載的增長狀況以及牙的相對位置等原因有關。離合器的脫開時間就是從切斷激磁電流開始到牙完全脫開嵌合，傳遞力矩消失所經(jīng)歷的時間，此時電流也按指數(shù)曲線衰減。3.4.3離合器的計算轉矩TC=KT式中T-離合器傳遞的理論轉矩，它包括工作轉矩和起動的慣性轉矩T=2168（Nm）；K-工作狀況系數(shù)K=1.5因此TC=1.5×2168=3252（Nm）3.4.4離合器的外徑=1333.4.5離合器牙間的壓緊力Q式中α-牙形角，α=30oρ-摩擦角，ρ=8oDm-牙的平均直徑U1-銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù)d1-銜鐵導向孔直徑Fd-彈簧推力，F(xiàn)d=403.4.6線圈槽高度=20mm式中β-線圈槽高度比，β=5αs-傳熱系數(shù)，αs=11fH-填充系數(shù)，fH=0.6ρ-電阻系數(shù)，ρ=0.017mm2/m3.4.7磁軛底部厚度==4(mm)總結本文首先根據(jù)當今的世界狀況，引出了能源危機和怎樣生產(chǎn)清潔能源的問題。接著通過對各文獻的閱讀，對我國風力發(fā)電水平以及國外先進水平有了初步的認識，并著重簡介了垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展狀況。接著又進行了市場調(diào)查、社會調(diào)查，理解了垂直軸風力發(fā)電機的詳細構造和工作原理，并根據(jù)搜集到的數(shù)據(jù)和垂直軸風力發(fā)電機的工作原理，提出了多種可行性選擇