风力发电机传动系统结构设计.doc

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1、本科论文目 录摘 要1Abstract2引 言31 绪论41.1 风力发电机研究目的和意义41.2 风力发电机在国内外现状及分析41.3 主要解决问题51.4 风力发电期望62 齿轮传动系统相关参数计算82.1风能相关计算公式82.2增速齿轮相关参数计算132.3轴承的寿命计算172.4键的计算193 风力发电机的方案设计203.1 轴向选择203.2 风轮装置设计203.3 增速齿轮箱的设计243.4 框架的设计293.5 发电机主体设计334 三维模型渲染35结 论37参考文献39致 谢41本科论文摘 要近年来伴随着环境问题的日趋严重，廉价且环保的清洁能源逐渐成为人们关注的焦点，而想要更好

2、的利用清洁能源就要进行许多跨领域的合作，风力发电技术正是多领域合作催生的产物，与此同时，风力发电机也应孕而生。 本文选取了一种小型垂直轴风力发电机作为主要研究对象，其主要工作原理是通过风轮装置的旋转带动发电机运转，实现由风能向电能的转化，从而让居住在偏远山区或者临时搭建房屋的人们同样能够方便用电。 本文在进行基础计算的同时也考虑到使用者的舒适度，在查阅了人体工程学相关资料后对整体尺寸，材料和颜色做了调整；同时在桨叶设计方面采用了蝴蝶翅膀的仿生形态，5片桨叶互成角度，具有折叠单元，实用且不失美感。关键词：风力发电机；传动系统；方案设计；三维建模AbstractIn recent years, w

3、ith the increasingly serious environmental problems, the cheap and environmental clean energy has become the focus of attention, and to make better use of clean energy requires a lot of cross-sectoral cooperation, wind power technology is the product of multi-field cooperation. At the same time, win

4、d turbines are also born.This article selects a small vertical axis wind turbine as the main research object. Its main working principle is to drive the generator to rotate through the rotation of the wind wheel device to achieve the conversion of wind energy into electrical energy. So that people l

5、iving in remote mountain areas or temporary housing can also be easy access to electricity.This article also takes into account the users comfort while performing basic calculations. After consulting the ergonomics-related data, the overall size, material and color are adjusted. At the same time, th

6、e bionic form of butterfly wings is used in the blade design. The 5 blades are at an angle to each other, with a folding unit, practical and without losing beauty.Keywords: Wind Turbine；Transmission system；schematic design；Three-dimensional Modeling引 言早在20世纪70年代，小型风力发电技术在我国风能资源丰富的内蒙古、新疆等地就得到了发展,最初小型

7、风力发电技术被广泛应用在“光明工程”和“送电到乡”项目中，用于为农牧民解决家庭或村落基本的生活用电问题2。随着小型风力发电技术的完善与发展，我国小型风力发电机组不仅可以单独应用，还能与光伏发电互补应用，被广泛应用于离网供电系统2。近年来，我国小型风力发电设备出口量稳步增长，小型风力发电技术和可再生能源离网互补技术已跃居国际领先地位2。除了规模型的大型风力发电场，离网型的小型风力发电也是我国风力发电产业发展的重要方向。为全面推动经济社会发展，部分仍存在缺电、无电居民的地区加快了发展小型风力发电的步伐，政府加大了解决边远地区群众用电难问题的投资力度,有力推动了小型风力发电产业的进一步发展5。小型风

8、力发电具有适用的气候条件广泛、适宜安装的地域广阔等特点5。发展小型风力发电场，省去了铺设电缆、挖掘地基和长时间建设等投资费用，尤其在广大无电地区以及通信、工业控制等领域，相对于常规电力市场优势明显5。我国风力发电等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持快速发展。随着我国风力发电设备的国产化，以及风/光互补发电系统等新型技术的日渐成熟，小型风力发电的成本有望再降,经济效益和社会效益不断提升,小型风力发电市场潜力巨大7。小型风力发电机组相关设备制造和新技术研发得到重视和发展，风/光互补路灯、风能海水淡化等领域成为新的应用热点，市场前景看好7。 当然，垂直轴风力发电机还有一些

9、难以实现的技术问题，本文将对传统的垂直轴进行总结和归纳，并在此基础上进行创新与优化。希望在未来的某一天，垂直轴风力发电机能够在市场占有一席之地。1 绪论1.1 风力发电机研究目的和意义 为了满足工业生产和日常生活，世界各国对能源的需求与日俱增，再加上煤、石油、天然气等常规能源的逐渐枯竭，人们开始寻找各类可再生能源的踪迹。其中，风能因其获取途径简单且经济环保等特点深受人们的青睐。 我国是一个人口众多、资源相对匮乏的国家，在这个能源稀缺的时代，大力发展风力发电技术是解决此问题的不二之选。此举可以优化中国的能源消费结构，减少对进口石油能源的依赖，无论对经济发展还是环境保护都具有十分重要的战略意义。

10、图1.1 风力发电机组1.2 风力发电机在国内外现状及分析1987年，对于世界风力发电技术而言是一个重要的时间节点，这一年美国研制的功率为3.2兆瓦的水平轴风力发电机组在夏威夷群岛上安家；同年，加拿大研制的功率为4.0兆瓦的立轴达里厄风力发电机组在魁北克省拔地而起。一些欧洲国家也不甘示弱，相继研制出单机功率在100千瓦以上的水平轴风力发电机组。 据统计，世界发电机总发电量在1997年年底为746万千瓦，在2000年年底为1845万千瓦，在2002年年底更是达到了3112万千瓦，平均年增长率在30%以上；按照这种发展速度，预计到今年年底，总发电量将超过1亿千瓦。图1.2 风力发电机叶片中国对风力

11、发电技术的探索相对较晚，但是在借鉴他国经验的基础上进行了积极的自主创新，发展较为迅速。目前我国的重点研究对象主要有二，一是1千瓦及以下独立运行的小型风力发电机组，二是100千瓦及以上并网运行的大型风力发电机组。 我国的风力发电场建设要追溯到20世纪80年代，截止2001年年底，我国共建成并投入使用27座风电场，风力发电机保有量达到812台，共累计发电约40万千瓦。这一数字还在逐年递增，相信在不久的将来，我国将发展成为风力发电大国。1.3 主要解决问题有无良好的风力发电系统是衡量一个风电场是否符合标准的重要因素，风力发电系统的好坏直接影响着风力发电机的性能、效率以及供电质量，同时也间接影响着工作

12、方式和零部件结构。因此，研制出发电效率高、供电性能好且控制方便的风力发电系统成为本文的主要解决问题。图1.3 一种垂直轴风力发电机1.4 风力发电期望目前，风力发电技术正处于不断发展的阶段，其主要成果体现在单机发电量的逐渐增加，现在世界主流的发电机租发电功率最高可达750千瓦。而随着叶片长度的不断增加，传统的材料开始暴露出各种问题，这无疑催生了许多新型复合材料和新的技术。目前已知叶片长度可达50米，叶片材料采用质量较轻、强度较高的碳纤维材质。 早期的风力发电机叶片设计灵感来源于直升机的螺旋桨，但是后来经过相关实验验证:两者处于不同的空气动力环境，所以现在市场上常见的风力发电机都是经过相关改进的

13、。近些年，美国的可再生能源实验室就研发了一种新型叶片，其风能捕捉率要比早期的风力发电机高20%左右。在大中型风力发电机组的设计中往往采用更高的塔架以提高风能利用率。相关实验表明:在50米高空捕捉的风能要比30米处多20左右。随着电力电子技术的发展，一种变速风力发电机组应孕而生，这种新型发电机组取消了沉重的增速齿轮箱，从而达到了传统风力发电机无法企及的高度。这种风力发电机的轴直接在风力发电机组的轴上，其内部转子的转速随着风阻的改变而产生相应变化，所以产生交流电的频率也就随之变化，产生的交流电经过大功率的电子转换器整流成为直流电，最好再逆变成为与国家电网匹配的交流电并源源不断地输送给千家万户。由此

14、可见风力发电的未来发展趋势主要集中在:合理选择风电场的建设位置，优化风力发电机组的整体布局，研制风能利用率更高的新型风力发电机以及降低设备的制造成本等方面。图1.4 新型变速风力发电机组2 齿轮传动系统相关参数计算2.1风能相关计算公式(1) 风能利用系数风力发电机从风中获取能量的能力用风能利用系数CP表示。横截面积为s(m2)的气体流动所产生的的动能为: （2-1）式中 为空气密度，单位是 为风速，单位是m/s如果风力发电机的实际功率为P,那么风能利用系数为: （2-2）(2) 风压强处在风中物体受到的风压Q为: （2-3）式中为空气阻力系数，与迎风物体形状有关，截面一般取2为风与截面之间的

15、相对速度(3) 风力发电机的最大效率建立一个如下图所示的物理模型，截面a在风的作用下自左向右运动，假设截面左侧一段距离的风速为Vf，截面所处位置的运动速度为V，那么风对截面做工的功率可以表示为。式中F为截面受到风的作用力，单位是N S为截面的表面积，单位是m2图2.1 截面物理模型所以: （2-4）截面的运动速度V为函数变量的功率变化关系式，并对V进行微分。令，可以得到两个解：其中时没有物理意义对应着函数的最大值 （2-5）从上式可以看出，提高风力发电机效率的唯一办法是提高阻力系数。(4) 风力发电机的输出功率常规的风力发电机只能获取部分风能，一般用风能利用系数来表示。此外，风力发电机在制做过

16、程中，由于加工的偏差和外界因素的影响，无法达到理想的形状。风力发电机实际获取的功率与理想功率的比值叫做风力发电机的效率，用表示。同理传动机构的效率和发电机的效率也存在与上述情况类似的损耗，所以风力发电机输出的实际功率可表示为:(5) 工作风速与输出功率当工作风速达到某一数值的时候，出于安全考虑，风力发电机将被强制采取刹车措施，此时风力发电机的工作风速为Vfmax，这一风速也被称为最高风速，Vfmax是风力发电机的一项重要设计参数。介于最小风速Vfmin，和最大风速Vfmax之间的风速叫做风力发电机机的工作风速，在此期间工作风速对应的功率称为输出功率。(6) 启动风速和额定风速的计算 因为每个地

17、区的风力资源存在差异，所以在选用风力发电机时要进行一定的参数计算，其中启动风速和额定风速就是衡量风力发电机是否与当地风力资源相匹配的重要参数。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，其变化会越来越快10。故知道风速的变化情况是利用风能的基础。风速v是随机变量，现多认为用双参数威布尔概率密度函数拟合风速频率分布比较直观10。威布尔分布函数如下所示:其中K为形状参数，无单位，C为尺度参数，单位是ms-1。不同地区，不同时期K、C的数值均有所不同，可根据某地连续30年的风力资料算

18、出该地的K、C数值，其威布尔分布函数曲线如图2.2所示。图2.2 威布尔分布函数曲线上式满足威布尔概率累积函数g（V）为：风速V的概率Q（V）为： (2-6)启动风速:风力发电机按轴向可分为水平轴和垂直轴两大类，其中每一类又可分为很多不同种类的形式，每种形式又可以细化为不同规格的风力发电机，只有选择了适合一个地区的风力发电机，才能使经济效益达到最大化。通过研究对比国内外100多种风力发电机的启动风速可知：启动风速的范围由2ms-1一直延伸到6ms-1，这一范围基本能够满足我国大多数地区对于风力发电的需要。双参数威布尔分布函数曲线峰值对应的参数就是启动风速。对上式求一阶导数且令其等于零，则有:因

19、为,所以：解得： (2-7)额定风速:额定风速的选定直接影响到风力发电机的工作效率及实用性，是风力发电机设计设计过程中的重要参数。己知风能密度，对一台效率为，桨叶半径为r的风力机，输出功率W的威布尔分布函数为:W的峰值对应的风速应是额定风速，此时风力发电机获取的风能达到最大值: (2-8)(7) 风力发电机的工作风速、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)图2.3 功率与风速的关系2.2增速齿轮相关参数计算通过增速齿轮一和齿轮二啮合计算：小齿轮40Cr（调质），硬度2

20、80HBS，大齿轮45钢（调质），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。由机械设计20表10-4（P196）选择齿轮精度为8级。取太阳轮齿数 =12，则行星轮齿数=i=30，取=30。按齿面接触疲劳强度设计：由机械设计20公式10-11（P203）进行试算： （2-9）其中试选小齿轮传递的转矩： 由机械设计20表10-7（P206），选取齿宽系数 由机械设计20图10-20（P203），选取区域系数 由机械设计20表10-5（P202），得材料的弹性影响系数 由机械设计20图10-25（P211），按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ，大齿轮的接触疲劳强度极限 计算的寿命系数 （以工

21、作寿命10年，每年工作300天，每天8小时设计）：太阳轮应力循环系数： 行星轮应力循环系数： 由机械设计20图10-23（P208）查得按接触疲劳疲劳寿命系数 ， ，取失效概率为，安全系数 ，由机械设计20式10-14（P207）得 取和 中的较小者作为该齿轮的接触疲劳许用应力，即(1) 计算齿轮分度圆直径 （2-10）(2) 计算圆周速度： 模数：齿宽：取= 1.45,，齿宽应为整数b=400mm。 齿高： h=2.25mt=2.25x22.91=51.55mm 高宽比：(3) 计算载荷系数 根据V=1.72m/s ，查机械设计20图10-8（P194），得动载系数。由机械设计20表10-3

22、（P195），得直齿轮 。由机械设计20表10-2（P192），得。由机械设计20表10-4（P196），得7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时。由齿宽与齿高比2.136及,查机械设计 中图10-13（P197）得。所以载荷系数为按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，查机械设计20公式10-12（P204）得计算模数： (4) 齿根弯曲疲劳强度校核：试算模数，由机械设计20式10-7（P200） （2-11）由机械设计20得小齿轮弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；由机械设计20图10-22（P208）取弯曲疲劳寿命系数,；计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由机械设

23、计20中公式10-14(P207)得计算载荷系数： 由机械设计20图10-17（P200）取齿形系数：,由机械设计20图10-18（P201）取应力修正系数：,故，小齿轮 大齿轮，大齿轮的值大故 载荷系数计算齿轮模数，查机械设计公式10-13（P204)得 （2-12）查阅模数表并就近圆整为标准值m=25,按接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=300算出小齿轮齿数：行星齿轮齿数：故增速齿轮一的模数为27、齿数为26，增速齿轮二的小齿轮模数为27、齿数为12；同理可计算得出增速齿轮二的大齿轮模数为25、齿数为30，增速齿轮三的模数为25、齿数为12。通过增速齿轮二和齿轮三啮合计算：(1) 圆周速度

24、:(2) 齿宽:(3) 齿高h:h=2.25mt=2.25x25=56.25mm(4) 高宽比:(5) 计算分度圆直径:(6) 计算中心距: (7) 计算齿轮宽度:所以取太阳轮齿轮齿宽：=400mm 行星齿轮齿宽：=300 mm经整理，齿轮传动部分的设计参数见表2.1所示：表2.1齿轮传动设计参数表 参数齿数Z模数m/(mm)分度圆直径d/(mm)齿宽b/(mm)传动比太阳齿轮12253004002.5行星齿轮30257503002.52.3轴承的寿命计算(1) 轴承的选择轴承选择深沟球轴承，轴承型号为6208。(2) 轴承的寿命验算由于转速小有较小轴向力，故选用球轴由机械设计课程设计19查得

25、6208轴承： =19.8kN =13.5kN计算两轴承受到的径向载荷由轴的受力分析可知，两轴承所受的径向载荷分别为由前面计算得知：FNV1=202.72N FNH1=986.43NFNH2=962.3N FNV2=476.5N计算两轴承所受到的轴向力查机械设计与制造基础15表15-5得，深沟球轴承的型号为6208， Y=1.6，则由径向力产生的派生轴向力分别为两派生轴向力的方向见下图故轴左移，2端压紧，1端放松，则两轴承的轴向力分别为求轴承的当量动载荷由机械设计与制造基础15表15-5得，轴承座的型号为6208，e=0.37由机械设计与制造基础15表13-6，取载荷系数，则轴承的当量动载荷为

26、因为所以按P2计算轴承的寿命 预期寿命: 49756.8h43800h，寿命符合要求。2.4键的计算 普通平键的主要失效形式是键，键是轴和齿轮、键三个零件中较弱零件的压溃。由于轴材料是钢，许用挤压应力由机械设计20表2-4查得： =0.8=0.8*290=232MPa。键与轴和减速器链接，故可以选择圆头平键A型。由于轴的直径为40mm,通过查询机械设计20得键的尺寸为12x8，因齿轮的宽长为300mm，故键的长度为280mm。键的工作长度：=-=280-12=268mm.由机械设计20式2-35得：= 所以符合设计标准。 3 风力发电机的方案设计3.1 轴向选择风力发电机一般可分为两类：水平轴

27、风力发电机与垂直轴风力发电机。如今市面上比较常见的是水平轴风力发电机，但随着时代的发展、科技的进步，越来越多科研人员把研究重点放在垂直轴风力发电机身上，为了确定最终的设计方向，我们将两者进行简单的比较，详情见表3.1：表3.1 两种轴向发电机性能对比轴向类型性能对比水平轴风力发电机垂直轴风力发电机风能利用率风能利用率较低风能利用率较高启动风速启动风速较高启动风速较低制造成本制造成本较高制造成本较低后期维护机架高、维护费用高维护费用相对较低发电功率是否稳定较为稳定不稳定通过分析比较两种轴向发电机的性能可得：垂直轴风力发电机的风能利用率要优于水平轴，制造成本也比垂直轴要低，因此轴向类型初步拟定为垂

28、直轴。 3.2 风轮装置设计垂直轴风力发电机的特点是叶片与主轴处于同一水平面，且垂直于地面，正是这一特点使得风力发电机的叶片能够与空气充分接触。与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴取消了高高的支架，所以无论在安装还是维护方面，都要比水平轴方便的多；再加之其无需安装像水平轴那样的迎风装置，所以科研人员把更多的精力放在了风轮装置的研究上。由此可见，风轮装置的设计好坏将最终决定风力发电机的发电效率。风轮装置主要是由叶片、主轴和龙骨等零部件组成。叶片作为风力发电机必不可少的部件，其外形设计直接决定了风能利用率和发电效率。主轴是发电机组的主要受力部件，同事也能传递横向的风力载荷；若直接将叶片与发电机相连

29、会使发电机同时承受弯曲载荷和扭转载荷，处于交变应力状态，无论对于发电机的寿命还是发电效率而言都会带来极大的影响。龙骨的主要作用是连接叶片和主轴，以形成具有一定刚性的“H”型框架结构。有利于整体结构的安全性。材料选择：设计叶片的形状后，应选择叶片的材料。小型风力发电机通常使用以下材料：(1) 木质叶片：由优质木材制成，对木材的挑选主要有以下要求:质地较硬，宜于切割加工，纹路整齐清晰无疤痕。但是大多数木材都比较容易吸收水分，从而导致变形，所以在叶片制作成型后需要涂上油漆以达到保护效果；纵使如此，木质叶片的寿命也远远要短于其他类型的叶片。由此可见木质叶片不适合安装在室外环境中。(2) 玻璃钢叶片：表

30、面光滑，硬度高，造型容易。因此，在小型风力涡轮机中，玻璃纤维增强塑料叶片被最广泛地使用。 FRP刀片有两种类型。一种是木芯包裹的玻璃钢叶片。该叶片重量轻，成本低并且被广泛使用，但是使用寿命短，通常约3-5年。第二种是空心的全玻璃FRP刀片。这种刀片很重且很昂贵，但是使用寿命很长，大约4-6年。全玻璃纤维桨叶分为两种，一种是简单的叶柄；另一种是简单的叶柄。另一个是带有离心速度控制装置的叶柄。(3) 铁制叶片：主要用于带离心调速装置的风机，一般用0.5mm厚的镀锌铁板制成，空心，一端用金属块密封，另一端用叶轮根部充满离心速度调节装置。该刀片非常重并且运行平稳。由于诸如高惯性，高硬度和尖锐边缘的原因

31、，在操作过程中，尤其是在安装和维护时，存在某些不安全因素。这种刀片使用寿命长，通常长达10年左右。(4) 铝合金叶片：这是近年来生产和使用的新型叶片。该刀片由铝合金制成，是坚固的。它的形状很特别。叶片的前后边缘是弯曲的，上半部像新月形一样向后弯曲。机械强度很高。将刀片水平放置在地面上，两端用砖砌成，悬挂在中间，单独放置，刀片不会连续弯曲。它的启动风速小，可以在微风中发电。据估计其使用寿命超过10年，并且它是一种很有前途的叶子。这种刀片的缺点是操作中存在不安全因素。它具有较重的重量，很强的惯性和锋利的前缘。它像三把飞刀一样旋转，这很危险。在安装，维护和操作过程中，请当心。考虑到多个叶片的特性，本

32、设计使用铝合金叶片作为小型立式风力涡轮机的叶片。三维造型：首先在前视基准面绘制两条弦长为300mm的同向相交圆弧，得到如下草图：图3.1 桨叶草图然后沿着Z方向将草图进行拉伸，指定长度1500mm，得到如下凸台：图3.2 桨叶三维造型在上视基准面绘制两个相隔50mm的全等直角三角形，得到如下草图：图3.3 桨叶支架草图已两个直角三角形长直角边为轴创建基准面1和基准面2，并在与两基准面成30的方向上创建基准面3和基准面4，具体效果如下：图3.4 创建基准面已三角形斜边两个顶点为圆心，分别在四个基准面上会绘制半径为10mm的圆，使用【放样】指令，分别选中基准面1和3、基准面2和4上的圆进行放样，具

33、体效果如下：图3.5 风力发电机叶扇三维建模图3.3 增速齿轮箱的设计因为风轮装置在实际使用过程中不能与电动机直接相连，所以需要通过在风轮和发电机之间增设一个连接两端的增速齿轮箱来起到传递机械能的作用。同时为了使风轮装置的制动与刹车更加灵活，又在增速齿轮箱的输出部位安装一个制动装置，以实现整体单元共同制动的目的。三维造型：在前视基准面绘制如下草图，并在圆心处再绘制一个半径大小为60mm的圆，执行【拉伸】命令，分别选中两条轮廓线，拉伸长度为150mm，最后在拉伸得到的齿轮两侧绘制半径大小为150mm的圆，并执行【拉伸切除】命令，长度为20mm，即可得到增速齿轮1的三维造型。图3.6 增速齿轮1草

34、图图3.7 增速齿轮1三维造型增速齿轮1相关参数：齿轮内孔直径120mm，齿轮外径600mm，齿轮内切直径300mm，齿长100mm，齿轮厚度 150mm，齿轮齿数26齿。在前视基准面绘制如下草图1，执行【拉伸】命令，拉伸长度为300mm，得到一个齿轮，在其中一侧创建基准面并绘制草图2，并执行【拉伸】命令，拉伸长度为250mm，最后选中小齿轮内径执行【拉伸切除】命令，方向指向大齿轮，长度为550mm，即可得到增速齿轮2的三维造型。图3.8 增速齿轮2草图图3.9 增速齿轮2草图图3.10 增速齿轮2三维造型增速齿轮2相关参数：齿轮内孔直径80mm，大齿轮厚度300mm, 大齿轮外径600mm，

35、齿长100mm；小齿轮厚度，小齿轮外径350mm，齿长100mm，大齿轮齿数30齿，小齿轮齿数12齿。在前视基准面绘制如下草图1，执行【拉伸】命令，拉伸长度为400mm，得到一个齿轮，在其中一侧创建基准面并绘制一个半径大小为60mm的圆，并执行【拉伸】命令，拉伸长度为400mm，最后在圆柱远离齿轮的端面上绘制草图2，并执行【拉伸切除】命令，长度为35mm，即可得到增速齿轮3的三维造型。图3.11 增速齿轮3草图图3.12 增速齿轮3草图图3.13 增速齿轮3三维造型增速齿轮3相关参数：齿轮外径120mm，齿轮轴高900mm，齿轮厚度400mm，齿轮齿数12齿。图3.14 增速齿轮箱三维造型3.

36、4 框架的设计框架主体分为机架和底座两部分，机架的主要作用是固定转动轴两端的轴承以及增速齿轮两端的轴承。考虑到叶扇转动时会产生剧烈的抖动，所以机架采用了比较稳定的十字交叉结构，这样一来既坚固稳定也不影响叶扇与风充分接触，同时由于增速齿轮箱位于整体结构的中部，为了避免齿轮运转时与叶扇产生剐蹭，又在转动轴与轴承之间增设了一组十字梁结构。底座的主要作用是稳定机架及固定电机，考虑到机架本身无法很好的固定，所以在其底部设计了一个比较稳定的底座，同时也对电机起到一定的保护作用。叶扇、增速齿轮箱、电机三部分看似紧密相连，其实每部分相对独立，这样的好处在于后期维护时，如需更换某个部件可以直接拆卸并更换，既节省

37、人力也节约成本。三维造型：由于框架的底座需要承载整个风力发电机的重量，所以在设计时对其采用了特殊的结构构件方形管，大小选择80805；路径线段分为两组，第1组选择边长为2000mm的正方形草图，第2组选择边长为60mm的正方形草图，应用边角处理选择终端对接，即可得到如下的三维模型。 图3.15 底座初步三维造型在绘制好底座的一个支架后，为了确保稳定性，又在其与正方形框架接触的部分加设了一组角撑板，具体参数如下图所示：图3.16 角撑板相关参数同时为了方便现场安装与固定，又在支架底部加设了凸台，并配有M24-六角凹头螺钉的住行沉头孔，凸台草图如下图所示：图3.17 凸台草图对支架、凸台以及角撑板

38、执行【镜向】指令，得到关于右视基准面对称的另一支架，镜向具体参数如下图所示：图3.18 镜向命令相关参数将上述操作得到的一组支架再次进行【镜向】操作，得到关于上视基准面的另一组支架；至此，底座的4个支架全部绘制完毕，具体效果图如下所示：图3.19 底座最终三维造型因为上部机架的建模方式与底座大致相同，故不再赘述；因为风轮、增速齿轮箱等装置需要固定在机架上，所以在完成相关三维建模后需要对框架进行打孔操作，执行【拉伸切除】命令，在机架上开3个半径大小为180mm、4个半径大小为120mm的圆孔。底座相关参数：长2000mm，宽2000mm，高1000mm。机架相关参数：长2000mm，宽2000m

39、m，高3500mm。图3.20 框架三维造型3.5 发电机主体设计风力发电机主要由风轮装置、增速齿轮箱、制动装置、发电机和塔架等部分组成。本文设计的风力发电机适用于风力资源丰富但电力难以普及的山区或者临时搭建的房屋。这种风力发电机也可以与太阳能电池板结合使用，在阴天下雨或者晴好无风的天气可以相互补充实现持续发电。理论上在其达到额定输出功率时可以满足各类电器的电力供应。其主要优点有：(1) 安全性好：结构上采用垂直叶片和三角形双枢轴设计，调整了应力的作用点，使叶片因转速过高导致脱落的问题得以解决。(2) 噪音较低：因为采用了类似蝴蝶翅膀的叶片造型设计，所以除了发电机工作时产生的噪音外，其余噪音基

40、本不存在；(3) 抗风能力强：结构上采用垂直叶片和三角形双枢轴设计使其受风压的影响较小，在山区或者沿海地区同样适用。(4) 回转半径小：由于采用了竖轴设计，与水平轴风力发电机相比，回转半径更小，从而为其他部件的安装节省了空间。(5) 风速范围广泛：由于增速齿轮箱和制动装置的存在，其风速适用范围从2.5m/s一直延伸到25m / s，可最大限度地利用风能，提高发电效率。(6) 便于维护：使用不带转向机构的直驱式永磁发电机，每六个月对各部件检查一次即可。4 三维模型渲染首先在solidworks2016中打开风力发电机装配体，进入【外观】功能页面，选择装配体框架，应用到零部件层，选择【金属】【钢】

41、【抛光钢】选项，将装配体主体框架渲染成为带有反光效果的光滑钢面材质，具体操作步骤如图4.1、4.2所示。图4.1 选取材质图4.2 指定部件接着选择底板应用到零部件层，选择【金属】【钢】【抛光钢】选项，具体操作步骤如图4.3所示。图4.3 底板渲染然后进行背景的渲染，在【外观，布景和贴图】功能页面中点击【布景】选项，依次选择【基本布景】【三点减退】，最终效果如下图所示。图4.4 风力发电机三维造型结 论本文首先分析了当前的世界发展趋势，提出了能源危机以及如何利用清洁能源。接着通过查阅各类资料，我对风能的产生和利用产生了浓厚的兴趣，并最终把设计方向确定为垂直轴风力发电机的传动系统。在进行市场和社

42、会调查时我更深一步了解到垂直轴风力发电机的具体结构和工作原理。根据分析收集的相关数据提出了几种可行性方案，通过进一步计算和比对最终确定了本文的设计方案。 我国的垂直轴风力发电机行业处于起步阶段，这就意味着未来充满无限挑战和机遇。随着科技的进步、社会的发展，各方面的用电量将呈现与日俱增的趋势，这对于正在起步阶段的垂直轴风力发电机来说无疑是一个机遇。 相信在不久的将来，垂直轴风力发电机定能在我国乃至世界市场是占有一席之地。本科论文参考文献 1 范海宽. 风力发电技术及应用M. 北京: 北京大学出版社, 2013.6: 15-212 张亚彬, 马丽娜, 昌志友. 小型风力发电实用技术M. 北京: 人

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