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小型风力发电机毕业设计作者姓名：xxx专业名称：机械工程及自动化指导教师：xxxxx 助教摘要基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力发电机的特性作了简要的介绍，且对风力发电机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。关键词： 风力发电 限速控制系统 小型风力发电机 IAbstractExploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator.Key words：Wind power generation, Regulating control system, Small wind-driven generatorII目录摘要IAbstractII目录III前言11 概述21.1 开发利用风能的动因21.1.1 经济驱动力21.1.2 环境驱动力31.1.3 社会驱动力31.1.4 技术驱动力41.2 风力发电的现状41.2.1 世界风力发电现状41.2.2 中国风力发电现状41.3 风力发电展望52 风力机理论72.1 基本公式72.1.1 风能利用系数72.1.2 风压强72.1.3 阻力式风力机的最大效率72.2 工作风速与输出功率82.2.1 风力发电机的输出效率82.2.2 工作风速与输出功率92.2.3 启动风速和额定风速的选定92.3 风能利用与气象122.3.1 风的观测对风能利用的意义132.3.2 风能利用中需要的气象调查132.4 风的观测133 风力发电机方案和结构设计143.1 小型垂直式风力发电机方案设计143.2 风叶153.3 行星齿轮加速器设计计算163.3.1 设计要求163.3.2 选加速器类型163.3.3 确定行星轮数和齿数173.3.4 压力角()的选择173.3.5 齿宽系数的选择183.3.6 模数选择183.3.7 预设啮合角183.3.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算183.3.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算193.3.10 行星排各零件转速及扭矩的计算203.3.11 行星排上各零件受力分析及计算203.3.12 行星齿轮传动的强度校核计算213.4 电磁离合器设计计算253.4.1 选型253.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性263.4.3 离合器的计算转矩263.4.4 离合器的外径263.4.5 离合器牙间的压紧力263.4.6 线圈槽高度273.4.7 磁轭底部厚度27总结28致 谢29参考文献30IV前言随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发。因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。11 概述1.1 开发利用风能的动因风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。1.1.1 经济驱动力1.1.1.1经济最优化能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。例如在内蒙古农牧区，利用小型离网风力发电系统供电，农牧户承担的成本约2元/KW左右。如果用电网延伸的方法，农牧户承担的成本高于8元/KW。在这些地区，利用汽油柴油发电机的供电，考虑油料的运输成本，农牧户承担的成本也要高于6元/KW。1.1.1.2化石能源资源枯竭与供应安全进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。目前石油储量约1300亿吨，年消耗量约35亿吨，计今后25年中平均年消耗量将达50亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量也不会超过2000亿吨，有油资源在四五十年后也将枯竭。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小，社会经济稳定性也因此而增强。1.1.1.3促进能源产业升级风力发电技术属于新兴技术，风电产业是朝阳产业。风力发电技术的研发、示范到商业化发展，最终进入市场，将给整个能源产业带来新的活力，成为国民经济的一种新的经济增长点。一个国家如果开发利用风能技术早，就有可能占据风能利用的技术和市场优势。1.1.2 环境驱动力除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化，使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。为减缓地球变暖，1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架缔约方第3次大会上，84国代表审议通过京都议定书，要求工业发达国家大幅度削减二氧化碳等温室气体排放量。这也迫使人们重视寻找其他可再生的替代能源。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。1.1.3 社会驱动力风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装机工程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。另外，在一些国家（如欧盟国家）中，风能开发利用已经成为热点问题，得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例予，人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。1.1.4 技术驱动力随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。1.2 风力发电的现状1.2.1 世界风力发电现状20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.OMW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普一柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。世界风电总装机容量1997年底为746万KW，1998年底为1015万KW，1999年底风力发电机的设计及风力发电系统的研究为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW，平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW，占欧洲总发电量的20%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿4.7亿KW。1.2.2 中国风力发电现状中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发发电机组的研制开发重点分两方面，一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了1台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985方KW。目前正处于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。1.3 风力发电展望风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600750KW，MW级的机组也成批生产，24MW级的机组已在实验生产。这就必然要采用一些新的复合材料和新的技术。例如，单机容量不断增大，桨叶的长度也在不断增长，容量为2MW的风力机叶轮扫风直径达72m。目前最长的叶片以做到50m。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的，而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进，增强了风力机捕捉风能的效率。例如，在美国，国家可再生能源实验室研制开发了一种新型叶片，比早期的一些风力机桨叶捕捉风能的能力要大20%。目前，丹麦、美国、德国等风电科技较发达的国家，有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。在中、大型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。地处平坦地带的风力机。在50m高处捕提的风能要比30m高处多20%。尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近年来发展了一种变速风力发电机，风力发电机的设计及风力发电系统的研究组，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风力发电机组轴上，转子的转速随风阻而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，因而提高了捕捉风能的效率，试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能，同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风力发电机组的支撑结构减轻，塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。风力发电场未来的发展趋向将集中在：提高机群安装场地选择的准确性；进机群布局的合理性：提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；进一步降低设备投资及发电成本；总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。282 风力机理论2.1 基本公式2.1.1 风能利用系数风力机从自然风能中吸收的能量大小程度用风能利用系数Cp表示。横截面积为s(m2)的气流的动能为E=0.5SVf3式中 空气密度，/m3 Vf 风速，m/s如果风力机实际获得的轴功率为P,那么风能利用系数为CP=P/E=P/(0.5SVf3) （2-1） 2.1.2 风压强如图2-1a，根据伯努力方程，风中物体受到的风压Q为Q=0.5CPVf2式中 C空气阻力系数与物体形状有关，平板一般取2Vf风与平板的相对速度2.1.3 阻力式风力机的最大效率建立简单的理想模型，一个平板在风的气动压力作用下沿着风速方向运动，如图2-l（b），并规定平板上游一定距离上的风速为Vf，平板的运动速度为V，那么平板吸收的功率可以表示为P=FV=QSV式中 F板受到风的压力，牛顿 S平板的面积，m2图2-1 平板模型F=QS=0.5CPS(Vf-V)2所以P=0.5CPS(Vf-V)2V (2-2)对给定的上游风速玲，可以写出以平板的运动速度V为函数的功率变化关系式，对V进行微分得dpdv=CP(Vf-V)(Vf-V3)令dpdv=0，可以得到两个解：1） V1=Vf没有物理意义2） V2=Vf3对应于最大值Pmax=0.5SV3f(4C/27)CPmax=4C/27 (2-3)从上式中可以看出，阻力式风力机的效率是比较低的，提高效率的唯一办法是设法提高风的阻力系数C。2.2 工作风速与输出功率2.2.1 风力发电机的输出效率最理想的风力机也不可能吸收全部的风能，而只能吸收部分风能。如上一节推导的那样，有一个最大风能利用系数Cpmax。但是，风力机在制做过程中，由于受到各种条件的限制，做不到完全理想的形状。因此实际的风力机和理想的风力机之间也有差异。实际风力机吸收的功率与理想风力机吸收的功率的比值叫做风力机的效率。用1表示。另外还有传动机构的效率甲2和发电机的效率3等，所以实际风力发电机输出的效率，可以表示为= 1·2·32.2.2 工作风速与输出功率风力机启动时，为了克服其内部的摩擦阻力而需要一定的力矩。这一最低力矩值叫做风力机的启动力矩。启动力矩主要与风力机本身的传动机构摩擦阻力有关·因此风力机有一最低工作风速称Vfmin，只有风速大于Vfmin时风力机才能工作。当风速超过某一值的时候，基于安全上的考虑(主要是塔架和桨叶强度)，风力机应该停止运转，所以每一台风力机都规定有最高风速Vfmax，最高风速Vfmax与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。最小风速称Vfmin，和最大风速Vfmax之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出。当风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速叫做该风力机的额定风速。2.2.3 启动风速和额定风速的选定如何根据风能资源来选用风力机，使风力机的运行状态最佳，确定起动风速和额定风速是关键。（1） 双参数威布尔分布 风能就是流动空气具有的动能。单位时间通过垂直于空气流的单位面积的空气流所具有的动能叫风能密度，设为空气密度，V为风速，则风能密度p=0.5v3，p随V的立方增大，变化非常快，故知道风速的变化情况是利用风能的先决条件。风速V是随机变量，经研究专家们多认为用双参数威布尔概率密度函数拟合风速频率分布最好脚。威布尔分布函数形如下式其中K为形状参数，无量纲，C为尺度参数，量纲为ms-1。不同地区，不同时期参数K、C是不同的，可根据某地连续30年的风资料算出该地的K、C参数，威布尔分布函数曲线见图2-2。参数K、C影响曲线形状，K大C大曲线陡峻，峰右移，反之亦然。图2-2 威布尔分布函数曲线上式满足(2-4)（2）起动风速 启动风速为风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速:风力机分水平轴和垂直轴两大类，每一类又有多种形式，同一形式还有若干种规格，只有科学地选择适合当地风能资源的风力机，才能以较少的投资获取较多的风能。根据国内外100多种风力机，起动风速的范围是2ms-1，至6ms-1，这一范围能满足风能丰富区、较丰富区、可利用区的不同需要。双参数威布尔分布函数曲线峰值对应的凡就是起动风速(图2-2)。对上式求一阶导数且令其等于O有解得(2-5)证明气是出现概率最大的风速。使用起动力风速大于上式计算的气的风力机会损失小风速这一区段的风能，使用起动风速小于上式计算的咋的风力机是否更好呢?表面看低风速的风能得到更多的利用，深入研究可知在之气的较高风速区风能利用率下降，总体上是得不偿失，故选用尽可能接近上式结果的风力机最为理想。（3）额定风速 额定风速的选定直接影响风能利用系统整体的效率和经济性，是风力发电机设计中的重要参数。己知风能密度p=12v3，对一台效率为，桨叶半径为厂的风力机，输出功率w(V)的威布尔分布函数为w(V)峰值对应之风速VP应是额定风速，此时风力机提取的风能最多。令(2-6)（4）风力机的工作风速、输出功率与风能的关系 风力机的工作风速、输出功率与风能的关系可以简单地如图2-3来表示(注:图中纵坐标表示输出功率，单位为:w/m2;横坐标表示风能，单位为:m/s)A理论风能曲线B扣除空气动力损失后的风力机吸收的功率C计算传动损失和机械能转换损失后的功率曲线D发电机实际输出功率曲线图23 功率与风速的关系2.3 风能利用与气象2.3.1 风的观测对风能利用的意义在前面已经讲述过，风能与风速的三次方成正比。所以，当风速测量有10%的误差时，风力机输出功率的误差将扩大到33%。在风力机的设计中，输出功率出现30%以上的误差，将带来很大的经济损失。风速随时间变化很大，而且地区性差异也很大，正确把握风况并不是一件容易的事情。所以在风力机设计计划中，对风的观测非常受重视。2.3.2 风能利用中需要的气象调查在风能利用中，需要进行四项气象调查:(l)风能密度调查 结合风能的地区分布和可设立风力机地区面积的调查，在全国范围内对可利用的风能量进行估算。(2)选定适合地点 在一年中，对通过强风场所的调查。(3)风速的频率分布调查 在风力机的设计中，为了估算平均出力和运转时间等量，必须了解风力机轴高处的风况。(4)为了风力机设计强度和安全系数的气象调查 异常的强风出现的概率、风的不定向性以及突风程度，冰暴、盐害等的调查。2.4 风的观测风的观测，因其目的不同而有各自的特点。对于风能利用，通过对风的观测，可以估算出该地区可利用的风能大小，为风力机的设计和性能研究以及开发的经济性等提供条件。风速的测量包括风向和风速的测量。因为风速随时间变化很大，而且变化不定，所以测量时取一定时间内的风速大小的平均值和最长时间的风向。我国现行的风速观测有两种方法:一种是每日定时4次两分钟平均风速观测;一种是一日24次自记10分钟平均风速观测。实际测量结果表明，前一种方法的误差比较大，因此在风力发电机的设计中采用后一种测量方法得到的数据。3 风力发电机方案和结构设计3.1 小型垂直式风力发电机方案设计现在，各个发达国家均大力发展新能源产业，虽然太阳能一直是新能源商业化的首选，因为太阳能的设置地点较灵活，不会产生噪音，可以和建筑进行一体化设计。但是风力发电较太阳能而言，它的成本优势明显。传统的风力发电机启动风速要求较高，发电噪音也很大，所以只能将风力发电机放在人迹罕至的地方或风力较大的地方。设备也是往大型风力发电机发展，专门建设大型风力发电场，这样，小型风力发电在相当长的时间里未得到较好的发展。所以，如何使风力发电和建筑进行一体化设计，降低小型风力发电机噪音，使其安装在建筑周围而不影响人的生活质量，已成为各个国家研究的焦点！我设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。如下图所示：图3-1小型垂直轴风力发电机框图该小型垂直轴风力发电机的发电原理为：在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能（转速+扭矩）。通过增速系统和离合器使转矩和扭矩传递到风力发电机轴上，带动发电机轴旋转，从而使永磁三相发电机发出三相交流电。风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，通过逆变器后变成了220伏的交流电，供给用户的家用电器。应用范围：提供220伏交流电或24伏、36伏或48伏直流电照明: 灯泡,节能灯家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱；该新型垂直轴风力发电机的特点为：1. 额定功率（）：3002. 输出电压（v）：243. 启动风速（m/s）：24. 额定风速（m/s）：65. 最大使用风速（m/s）：20发电机为额定功率300w，输出电压24v。该新型垂直轴风力发电机的优点为：1. 结构简单2. 易维护3. 运行平稳安全4. 抗强风能力强5. 操作简单6. 价格低廉3.2 风叶采用帆翼式风叶，帆翼式是英国发展的一种立轴帆翼式风力机，结构简单、性能较高。帆翼的形状如下图所示。由于其制造简单，成本低，性能好，所以适于推广使用。图3-2 帆翼式3.3 行星齿轮加速器设计计算3.3.1 设计要求设计寿命5年，单班，一年365天，中等传动，传动逆转，齿轮对称布置，不允许点蚀，无严重过载，闭式传动。齿轮精度8-7-7，齿轮材料:20CrNiMoH，碳氮共渗处理，硬度为Hv740以上。轴材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齿圈材料:42CrMo，氮化处理，硬度为Hv40O以上。3.3.2 选加速器类型小型风力发电机是安装在楼顶或屋顶上的，所以尽量选择体积小、重量轻、性能稳定的设备。在选择行星齿轮时，我选择NGW型星形齿轮加速器，因为这个型号的齿轮传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，轴向尺寸小，可用于各种工作条件的特点。输入轴输出轴RSCP图3-3 NGW型行星齿轮加速器3.3.3 确定行星轮数和齿数在行星齿轮加速器中选择行星轮数：Nw=3通过查表法确定了齿轮的齿数（机械手册）：总传动比 i =5.4太阳轮齿数 ZS =20内齿轮齿数 Zr =88行星轮齿数 Zp =343.3.4 压力角()的选择我们国家和许多国家都把齿轮的标准压力角规定为20o，因此，本次设计的变速箱采用20o压力角，以提高加工刀具的通用性。3.3.5 齿宽系数的选择对于硬齿面齿轮的齿宽系数应小于软齿面的齿宽系数。一般情况下，硬齿面值齿轮可取d<0.7。齿宽系数小a=(b/a)，一般可取0.4-0.8，常取0.6-0.7。3.3.6 模数选择齿轮的模数是决定齿轮大小和几何参数的主要参数，它直接影响齿轮的抗弯曲疲劳强度。设计变速箱选取模数的大小，主要与下列因素有关:1.齿轮上受力的大小，作用力大，模数也大。2.与材料、加工质量、热处理质量好坏有关。对于模数(m)的确定，可以根据同类变速箱的统计，参考选择。下列为行星传动变速箱模数统计表:型号SD08SD10TY130BTY160BTY180CTY220TY230TY320BTY320CTY420A整机功率（kw）597495.5120142162169235235310模数（mm）22.533.5343434.5通过以上比较，我确定本次设计变速箱的模数为:2.5mm。 3.3.7 预设啮合角啮合角定义：啮合齿的两节圆的公切线与啮合线的夹角（锐角）。 预先设定啮合角为：,sp =20o30, ,pr=19o3.3.8 太阳轮与行星轮之间的传动计算 （1）计算未变位时的中心距adsp =67.5 （2）初算中心距变动系数y,sp=（3）计算中心距并取圆整值 a=m()=70 （4）实际中心距变动系数ysp=0.75 （5）计算啮合角,spcos,sp=0.912323, = （6）计算总变位系数xspxsp=（20+34=0.827 （7）校核xsp介于p7及p8之间，有利于接触强度及抗弯强度，所以可用（8）分配变位系数 xs=0.437 xp=0.393.3.9 行星轮与内齿轮之间的传动计算（1）计算未变位时的中心距adcr =67.5（2）计算中心距变动系数ypr=0.25（3）计算啮合角,rpcos,rp=0.9488, =（4）计算总变位系数xrp=(88-34)=0.241（5）分配变位系数 xr=xrpxp=-0.2410.39=0.149 3.3.10 行星排各零件转速及扭矩的计算因效率对强度校核的扭矩影响比较小，因而在下面的扭矩计算中不考虑效率的影响。对行星排各零件的扭矩进行计算。MS:MR:MC= 1:(1+)=1:2.4545:-3.4545因通过太阳轮输出扭矩，风力发电机发电时发电机的转矩为2168(Nm)，故反方向计算，故太阳轮为输入扭矩:Mi=MS=2168(Nm)风力发电机正常工作时的转速为ni=1175（rpm） 太阳轮转速 ns=1175（rpm）行星轮转速 np=1148（rpm）3.3.11 行星排上各零件受力分析及计算1太阳轮S受力如下圆周力Fts根据公式 = 式中Ms一作用在太阳轮上的扭矩Ms=2168 (N·m)Cs一行星轮数目Cs=3rs一太阳轮分度圆直径rs=74.25 (mm)径向力Frs根据公式 =式中 一齿轮压力角=20o一分度圆上螺旋角=0oFrs1=9733×tg20o=3543(N)2行星轮P受力分析如下： 圆周力 Ftp=Fts=9733(N)径向力 Frp=Frs=3543(N)3行星架C受力如下：圆周力 Ftc=2Fts=29733=19466(N)径向力 Frc=0(N)4齿圈R受力如下： 圆周力 FtR1=Fts1=9733(N)径向力 FrR1=Frs1=3543(N)3.3.12 行星齿轮传动的强度校核计算行星齿轮传动中的齿轮计算方法主要是按照GB3480“渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法”计算，并考虑行星传动的特点进行计算校核。 (1).弯曲疲劳强度校核1.分度圆上的圆周力Ft根据前面的计算结果，行星轮和齿圈上受力在前进二档时最大，所受的圆周力均为Ft=13360(N)2.齿宽计算太阳轮与行星轮的齿宽分别为48mm、46mm；齿圈的齿宽为54mm3.使用系数KA 查手册得KA =1.254.动载系数KV太阳轮分度圆上的圆周速度，根据下列公式计算=式中 VC一太阳轮相对于行星架的圆周速度（m/s）ds 一太阳轮分度圆直径(mm) ds=148.5（mm）ns一太阳轮转数(rpm) ns=733(rpm)ncp一行星轮相对行星架的转数(rpm) ncp=-716(rpm)nc一行星架转数(rpm) nc=212(rpm)代入公式 所以 =4.05（m/s） =1+（）=1.1（m/s）同理可得 行星轮P =4.06（m/s）计算得 KV=1.10齿圈R =计算得 KV=1.1145.齿间载荷分配系数KFa、KHa因为 /b=3N/mm100N/mm 且为表面硬化的直齿轮。 所以 KHa =KFa=1.26.齿向载荷分布系数 KF对于太阳轮、行星轮和齿圈，它们的齿轮宽度和行星齿轮的分度圆直径比都小于1，则KH= KF=17.复合齿形系数 YFS=4 YFS=3.95 YFS =4.068.重合度系数因为asp =1.47 apr =1.583 =0.25+太阳轮与行星轮Y=0.76 行星轮与齿圈Y=0.7249.螺旋角系数 =1-因为=0 所以 YA=YC=Y=110.弯曲应力 F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.弯曲疲劳强度的寿命系数YN=60rnt>3 所以 YNS=YNP=YNR=1取Flim=380Mpa12.YST相对齿根的圆角敏感系数YrelT 查表得 太阳轮、行星轮、齿圈的敏感系数均为YrelT =113.相对齿根表面状况系数YRrelT查表得 YRrelT =0.914.应力修正系数 YST=215.齿轮的弯曲疲劳极限,Flim由公式 ,Flim=FlimYNYSTYXYrelTYrelT,FlimS=460×1×2×1×1×0.9=828（Mpa）,FlimP=322×1×2×1×1×0.9=579.6（Mpa）,FlimR=380×1×21×1×0.9=684（Mpa）安全系数S=2.32=1.57=1.87按具有高可靠性要求取最小安全系数SFlim=1.5 从而可看出：Ss>SFmin Sp> SFmin SR> SFmin所以弯曲强度校核通过。（2） 接触疲劳强度校核1. 接触强度的齿间载荷分配系数kHa太阳轮与行星轮啮合时总重合度y=a=1.47 查表得 kHa =1.2齿圈与行星轮啮合时的总重合度y=a=1.583查表得 kHa=1.22.节点区域系数ZH计算=得ZH=2.31863.弹性系数Z可由公式Z=得太阳轮与行星轮啮合时Z=0.918齿圈与行星轮啮合时Z=0.89754.接触疲劳强度极限Hlim太阳轮与行星轮是合金钢渗碳处理，Hlim取1500Mpa齿圈是合金钢氮化处理，Hlim取1200Mpa5.寿命系数ZN=60rnt>5 所以 =16.润膜影响系数ZLVR太阳轮和行星轮为8级精度，齿圈为9级精度，选用v40=115mm2/s的矿物油，则查表得：太阳轮和行星轮为ZLVR=0.9，齿圈为ZLVR=0.87.齿面工作硬化系数Zw=18.尺寸系数Zx=19.齿轮的接触疲劳极限,Hlim由公式,Hlim=HlimZNZLVRZWZX,HlimS=1500×1×0.9×1×1=1350(MPa),HlimP=1500×1×0.9×1×1=1350(MPa),HlimR=150010.811=9600(MPa)10.安全系数S =1.05=1.05=1.47按具有高可靠性要求取最小安全系数SHlim=1.0从而看出齿轮满足使用要求。3.4 电磁离合器设计计算3.4.1 选型为满足风力发电机工作环境的需要，在风力发电系统中我选择牙嵌式电磁离合器，因为牙嵌式电磁离合器有外形尺寸小，传递转矩大，无空转转矩，无摩擦发热，无磨损，不需调节，传动比恒定无滑差，使用寿命长，脱开快，干、湿两用的特点。（电源为12v直流电）3.4.2 牙嵌式电磁离合器的动作特性通电后，当激磁电流按指数曲线上升时，由于衔铁被吸引，线圈中电感增大，引起电流第一次短时间下降，以后还会由于衔铁吸引后尚不能起动负载转矩，出现牙间嵌合、脱开和再嵌合的滑跳现象，致使电流发生多次跳动，直到能带动负载转矩时才趋向稳定。对于静态接合，起动时间的长短主要与衔铁吸引时间有关，而对动态起动，则与相对转速、负载特性、负载的增加情况以及牙的相对位置等因素有关。离合器的脱开时间就是从切断激磁电流开始到牙完全脱开嵌合，传递力矩消失所经历的时间，此时电流也按指数曲线衰减。3.4.3 离合器的计算转矩TC=KT式中 T-离合器传递的理论转矩，它包括工作转矩和起动的惯性转矩