趙昕 霍斌

摘要：本文介紹小型家用立軸風力發(fā)電機的設(shè)計背景及重要意義，進行了傳動方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵零部件的強度校核。

關(guān)鍵詞：風力;發(fā)電機;立軸

0引言

隨著全球能源危機、環(huán)境問題的不斷凸顯，越來越多的國家及地區(qū)開始重視風電的開發(fā)與利用。風能作為一種清潔能源，具有蘊藏量豐富、可再生、分布廣、無污染等特性，使之成為可再生能源發(fā)展的重要方向。

相比大型風力發(fā)電機組，小型風力發(fā)電機組系統(tǒng)簡單、體型小、可靠性更高，并能在低風甚至無風的情況下繼續(xù)工作，是山區(qū)、牧區(qū)、農(nóng)村等偏遠地區(qū)可靠的供電途徑，解決當?shù)赜脩粲秒娦枨?。在中國大部分的區(qū)域，小型風力發(fā)電機特別適合在平均風速為3m/s缺電的山區(qū)和偏遠地區(qū)。小型風力發(fā)電機僅使用有限的材料和較少的土地，滿足了居民的電力需求，改善了農(nóng)村的生活條件，縮小了城鄉(xiāng)差距。隨著國家不斷出臺相關(guān)扶植政策，小型家用風力發(fā)電機作為分布式電源的一種，以其小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電模式成為一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電方式和能源綜合利用方式。

1 立軸風力發(fā)電機傳動方案設(shè)計

通過研究小型家用立軸發(fā)電機組的適用環(huán)境，探討立軸風機的結(jié)構(gòu)和特點，分析該風機在一定速度的風流中綜合受力情況和風輪轉(zhuǎn)矩的變化情況，提出一種新型家用立軸風機結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計為一種小型家用立軸風力發(fā)電機組，由風輪、發(fā)電機、調(diào)向器、塔架、限速安全機構(gòu)儲能裝置和逆變器等構(gòu)件組成。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，故障率低，維護方便;能夠解決農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)用戶用電需求，具有廣闊發(fā)展前景。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵零部件強度校核

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(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉(zhuǎn)矩和扭矩傳遞到風力發(fā)電機軸上，帶動發(fā)電機軸旋轉(zhuǎn)，從而使永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)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，供給用戶的家用電器。

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，結(jié)構(gòu)簡單、性能較高。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。

小型風力發(fā)電機是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設(shè)備。行星傳動是風電齒輪箱中較為常見的傳動方案。其優(yōu)點主要有結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，重量比較輕，傳動比大可實現(xiàn)運動的合成和分解，效率較高，功率損失小，齒輪傳動穩(wěn)定，抗沖擊振動能力強。根據(jù)所提供的參數(shù)，經(jīng)過方案的對比，選擇一級行星傳動+兩級平行軸傳動的方案。確認其傳動方案后，進行對齒輪箱太陽輪，行星輪和平行軸齒輪的相關(guān)設(shè)計和材料的選擇，對各個齒輪進行幾何尺寸設(shè)計和主要參數(shù)進行一系列計算，并對其校核，對齒輪箱進行潤滑和密封選擇，從而完成增速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

由于風力發(fā)電機組工作環(huán)境惡劣，受力情況復(fù)雜，所以對所選的材料除了要滿足機械強度的條件外，還應(yīng)該考慮在溫差較大和惡劣環(huán)境的條件下，材料所具有的特性選擇合適的材料。綜合考慮選擇球磨鑄鐵作為齒輪箱的箱體，其他箱體部分材料選擇QT600-2，軸承座的箱體的材料選擇40Cr。選擇太陽輪和行星輪的材料為18CrNiMo7。

3 結(jié)論

針對山區(qū)、牧區(qū)、農(nóng)村等偏遠地區(qū)用戶可靠用電的需求，設(shè)計了一種新型的小型家用風力發(fā)電機組。研究小型家用發(fā)電機組的適用環(huán)境，分析該風機在風流中綜合受力情況和風輪轉(zhuǎn)矩的變化情況，提出一種新型家用立軸風機結(jié)構(gòu)，并完成了相關(guān)零部件的強度校核計算。

參考文獻

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[3]張立勇，王長路，劉法根.風力發(fā)電及風電齒輪箱概述[J].機械傳動，2018，32（06）：1-4+130.

基金項目：大連科技學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（X202013207101），小型家用立軸風力發(fā)電機

作者簡介：趙昕（1987-），女，遼寧省大連市，大連科技學院，副教授，研究方向風電齒輪箱、激光焊接工藝。

大連科技學院機械工程學院，遼寧大連?116052