小型家用立軸風力發電機結構設計

趙昕 霍斌

摘要：本文介紹小型家用立軸風力發電機的設計背景及重要意義，進行了傳動方案設計、結構設計及關鍵零部件的強度校核。

關鍵詞：風力;發電機;立軸

0引言

隨著全球能源危機、環境問題的不斷凸顯，越來越多的國家及地區開始重視風電的開發與利用。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展的重要方向。

相比大型風力發電機組，小型風力發電機組系統簡單、體型小、可靠性更高，并能在低風甚至無風的情況下繼續工作，是山區、牧區、農村等偏遠地區可靠的供電途徑，解決當地用戶用電需求。在中國大部分的區域，小型風力發電機特別適合在平均風速為3m/s缺電的山區和偏遠地區。小型風力發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，改善了農村的生活條件，縮小了城鄉差距。隨著國家不斷出臺相關扶植政策，小型家用風力發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、可靠的發電模式成為一種新型的、具有廣闊發展前景的發電方式和能源綜合利用方式。

1 立軸風力發電機傳動方案設計

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

本設計為一種小型家用立軸風力發電機組，由風輪、發電機、調向器、塔架、限速安全機構儲能裝置和逆變器等構件組成。結構簡單，體積小，故障率低，維護方便;能夠解決農村、牧區、山區用戶用電需求，具有廣闊發展前景。

2 結構設計及關鍵零部件強度校核

該小型垂直軸風力發電機的發電原理為：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）。通過增速系統和離合器使轉矩和扭矩傳遞到風力發電機軸上，帶動發電機軸旋轉，從而使永磁三相發電機發出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發電機發出的電流和電壓也隨著變化。發出的電經過控制器的整流，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，帆翼式是英國發展的一種立軸帆翼式風力機，結構簡單、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、性能穩定的設備。行星傳動是風電齒輪箱中較為常見的傳動方案。其優點主要有結構簡單，體積較小，重量比較輕，傳動比大可實現運動的合成和分解，效率較高，功率損失小，齒輪傳動穩定，抗沖擊振動能力強。根據所提供的參數，經過方案的對比，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設計和材料的選擇，對各個齒輪進行幾何尺寸設計和主要參數進行一系列計算，并對其校核，對齒輪箱進行潤滑和密封選擇，從而完成增速箱結構設計。

由于風力發電機組工作環境惡劣，受力情況復雜，所以對所選的材料除了要滿足機械強度的條件外，還應該考慮在溫差較大和惡劣環境的條件下，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 結論

針對山區、牧區、農村等偏遠地區用戶可靠用電的需求，設計了一種新型的小型家用風力發電機組。研究小型家用發電機組的適用環境，分析該風機在風流中綜合受力情況和風輪轉矩的變化情況，提出一種新型家用立軸風機結構，并完成了相關零部件的強度校核計算。

參考文獻

[1]趙昕，金越，石宇，秦龍，孫玲玲.基于Flowmaster軟件的風電齒輪箱潤滑系統研究[J].機械傳動，2018，42（01）：37-40+46.

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基金項目：大連科技學院大學生創新創業訓練計劃項目（X202013207101），小型家用立軸風力發電機

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