2KW家用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

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A0變向器裝配圖.dwg

A0小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝圖.dwg

A0整體裝配圖.dwg

A3主動(dòng)軸.dwg

A3從動(dòng)軸.dwg

A3葉片.dwg

A3架子.dwg

A3軸.dwg

A3軸轂.dwg

任務(wù)書.doc

外文翻譯--小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)入門.doc

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開題報(bào)告.doc

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2KW家用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)論文.doc

摘  要

能源危機(jī)是我們面對的最大挑戰(zhàn)之一，風(fēng)力發(fā)電是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗谶h(yuǎn)期有可能成為世界重要的替代能源。盡管水平軸風(fēng)力機(jī)是目前應(yīng)用最廣的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但垂直軸風(fēng)力機(jī)有著優(yōu)越的性能，并越來越被人們所重視。垂直軸風(fēng)力機(jī)具有比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)更好的商業(yè)開發(fā)價(jià)值，應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣。

闡述了垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)展歷史及基本現(xiàn)狀，從各方面比較了水平軸風(fēng)力機(jī)以及垂直軸風(fēng)力機(jī)，得出垂直軸風(fēng)力機(jī)在各方面的優(yōu)勢，并介紹了達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的改進(jìn)型式。論證了垂直軸風(fēng)力機(jī)的整體方案，確定了風(fēng)力機(jī)固定攻角及可變攻角兩種方案的運(yùn)行方式。由于風(fēng)力發(fā)電裝置所需的發(fā)電機(jī)未形成標(biāo)準(zhǔn)和系列，無法選型，因此自主設(shè)計(jì)了50kW發(fā)電機(jī)。最后詳細(xì)設(shè)計(jì)了垂直軸風(fēng)力機(jī)的機(jī)械本體，確定了風(fēng)力機(jī)各部分結(jié)構(gòu)的最終數(shù)據(jù)，經(jīng)校核驗(yàn)證垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能；垂直軸；風(fēng)力發(fā)電機(jī) 

ABSTRACT

The energy crisis is one of the biggest challenge that we have ever faced. Wind electric power generating, which is a reproducible resource that have large-scale development potential, will be an important alternative energy in the future. Although the horizontal axis wind turbine is used widely, the vertical axis wind turbine has attracted the notice of us because of the extraordinary performance of it. Having much more commercial value than the horizontal axis wind turbine, the vertical axis wind turbine can be used in many areas.

This issue introduces the basic situation and phylogeny of the vertical axis wind turbine, shows us the advantages in many aspects by comparing with the horizontal axis wind turbine, and introduces the improved version of the Darrieus. The design program of the vertical axis wind turbine has been demonstrated, and the running modes of fixed angle and variable angle are designed either. Since the power generator of the wind turbine can not be available because of no standards or series are formed, so one 50kW power generator is designed in special. All the mechanisms of the vertical axis wind turbine have been designed in detail, and all the dimensions of the components are chosen either. It can be proved that the vertical axis wind turbine can meet the demands perfectly after being checked.

Key words: wind energy; vertical axis; wind turbines

目  錄

第1章 緒論 1

1.1 前言 1

1.2 世界及我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 1

1.3 國內(nèi)外風(fēng)力機(jī)研究現(xiàn)狀 3

1.3.1 風(fēng)力機(jī)的造型 3

1.3.2 水平軸風(fēng)力機(jī) 3

1.3.3 垂直軸風(fēng)力機(jī) 3

1.4 垂直軸達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī) 4

1.4.1 達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的發(fā)展歷史 5

1.4.2 達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)與水平軸螺旋槳風(fēng)力機(jī)的比較 6

1.4.3 達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的改進(jìn) 7

1.5 設(shè)計(jì)選題目的及意義 8

1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及具體要求 8

第2章 總體方案的論證設(shè)計(jì) 9

2.1 總體結(jié)構(gòu)布局的初步確定 9

2.2 風(fēng)力機(jī)運(yùn)行方式的設(shè)計(jì) 9

2.2.1 固定攻角風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì) 10

2.2.2 可變攻角風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì) 11

2.3 本章小結(jié) 15

第3章 電機(jī)的設(shè)計(jì) 16

3.1 電磁設(shè)計(jì)的依據(jù)和任務(wù) 16

3.2 主要尺寸和極數(shù)的選擇 16

3.2.1 主要尺寸的確定 16

3.2.2 極弧系數(shù) 與電磁負(fù)載 及 的選擇 18

3.2.3 極數(shù)的選擇 20

3.3 電樞設(shè)計(jì) 20

3.3.1 電樞繞組、槽數(shù)和槽型 20

3.3.2 換向器的主要尺寸與電刷的選擇 22

3.4 磁路計(jì)算 23

3.4.1 直流電機(jī)的磁路與主極漏磁系數(shù) 23

3.4.2 氣隙 24

3.4.3 電樞齒部 24

3.4.4 主極 24

3.4.5 定子軛部 25

3.5 電機(jī)軸的設(shè)計(jì) 26

3.6 本章小結(jié) 26

第4章 機(jī)械本體設(shè)計(jì)及校核 27

4.1 聯(lián)軸器的選取 27

4.2 制動(dòng)器的選取 27

4.3 支承軸及其附件的設(shè)計(jì)校核 28

4.3.1 支承軸最小直徑的確定 28

4.3.2 支承軸的校核 29

4.3.3 支承軸上鍵的校核 32

4.3.4 深溝球軸承的校核 33

4.3.5 推力球軸承的的校核 34

4.4 旋轉(zhuǎn)支撐筒的設(shè)計(jì)及校核 34

4.5 等速同向傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核 35

4.5.1 軸的設(shè)計(jì) 35

4.5.2 齒輪的設(shè)計(jì)校核 40

4.5.3 軸承的選擇 42

4.6 橫桿的設(shè)計(jì)及校核 43

4.6.1 橫桿部分?jǐn)?shù)據(jù)的確定 43

4.6.2 下橫桿的受力分析 44

4.7 橫桿與法蘭連接處螺栓的選取及校核 46

4.8 葉片與橫桿連接處的設(shè)計(jì)校核 47

4.8.1 連接軸的設(shè)計(jì)校核 47

4.8.2 校核連接板的拉伸強(qiáng)度 48

4.8.3 軸承的選擇及校核 48

4.9 本章小結(jié) 49

結(jié)論 50

參考文獻(xiàn) 51

致謝 53

第1章 緒論

1.1 前言

穩(wěn)定、可靠、清潔的能源供應(yīng)是人類文明、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的保障。煤炭、石油、天然氣等化石能源支持了19世紀(jì)和20世紀(jì)近200年人類文明的進(jìn)步和發(fā)展。然而，化石燃料的大量消耗，不僅讓人類面臨資源枯竭的壓力，同時(shí)也感覺到了環(huán)境惡化的威脅。2l世紀(jì)是科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展的世紀(jì)，也將是從化石燃料時(shí)代向具有持續(xù)利用能力的可再生能源時(shí)代過渡，逐步開創(chuàng)一個(gè)人類擺脫化石燃料桎梏的能源新時(shí)代的世紀(jì)。

風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)的商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。積極發(fā)展可再生能源，對增加能源供應(yīng)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，緩解環(huán)境污染，保障能源安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建設(shè)和諧社會(huì)都起到重要作用。風(fēng)力發(fā)電是近期內(nèi)技術(shù)成熟，在遠(yuǎn)期有可能成為世界重要的替代能源。據(jù)專家們的估計(jì)，地球上所收到的太陽輻射能大約有2%轉(zhuǎn)換成風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電可以有效利用的風(fēng)速范圍為 ，最適宜的風(fēng)速范圍是 ，地球上蘊(yùn)有風(fēng)能約為2.74萬億kW，可利用的風(fēng)能約為200億kW，裝機(jī)容量可達(dá)10TW，每年可發(fā)出電力 。地球上的風(fēng)能資源是地球上水能資源的10倍，已經(jīng)利用的不足千分之一[10]。在技術(shù)上全球風(fēng)能資源是整個(gè)世界預(yù)期電力需求的2倍，也就是說，只要利用地球上50%的風(fēng)能資源就能滿足全球能源。

1.2 世界及我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

由于歐美國家風(fēng)能資源豐富，工業(yè)技術(shù)水平高，這些國家在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢。目前世界上裝機(jī)容量最大的國家是美國，其次是德國、丹麥、印度。它們的單機(jī)容量已達(dá) 。美國、德國、等許多國家都把風(fēng)力發(fā)電視為最大的補(bǔ)充能源。目前世界最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是德國制造，高達(dá)120m，風(fēng)機(jī)直徑可達(dá)126m，每個(gè)葉片長61.5m，每片重18t，裝機(jī)功率可達(dá)5MW[23]。預(yù)計(jì)到2050年風(fēng)力發(fā)電要占上述國家全國發(fā)電量的 。專家預(yù)測，到2010年，全世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量將突破1.2億kW。

4.9 本章小結(jié)

本章設(shè)計(jì)并校核了主要機(jī)械本體結(jié)構(gòu)。選取了聯(lián)軸器及制動(dòng)器，設(shè)計(jì)校核了支承軸及其附件，如軸承壽命、鍵的校核等，分析了橫桿的受力以及橫桿與法蘭連接處螺栓的受力，設(shè)計(jì)并校核了葉片與橫桿連接處軸及其附件，保證結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。

 

結(jié)  論

緒論中首先比較了水平軸及垂直軸風(fēng)力機(jī)，從比較中可以得出：相對于傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)具有設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、力學(xué)性能好，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，具有更加廣闊的市場前景。

在之后的設(shè)計(jì)中，主要完成了以下幾方面的工作：

1、進(jìn)行了50kW垂直軸風(fēng)力機(jī)整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)思設(shè)計(jì)，并擬定了兩種攻角方案，即固定攻角和可變攻角型式方案，固定攻角方案為傳統(tǒng)型達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可變攻角方案為直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)，葉片傾角的變化通過五桿機(jī)構(gòu)獲得。

2、按照進(jìn)度安排，擬定直流發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電裝置所用的電機(jī)并對其進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，確定了發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3、最后對垂直軸風(fēng)力機(jī)的機(jī)械本體進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)及校核，確定最終各部件的詳細(xì)尺寸，設(shè)計(jì)之中與Auto CAD及Autodesk Inventor作圖軟件相互配合，對風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的二維圖繪制，并繪制出風(fēng)力機(jī)的三維效果圖。

雖然查閱了大量的文獻(xiàn)資料，并且結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了精確的理論分析，設(shè)計(jì)出的垂直軸風(fēng)力機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，但是仍有不足和需要完善的地方，具體如下：

1、相對于傳統(tǒng)的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)，設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)仍沒有舍棄風(fēng)向舵，結(jié)構(gòu)上仍比較復(fù)雜。

2、由于結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜，不可避免地增加了成本，經(jīng)濟(jì)性有所降低。

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致  謝

經(jīng)過近四個(gè)月忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成，在設(shè)計(jì)中得到了導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起學(xué)習(xí)生活的同學(xué)們的支持，所有的成果都離不開老師和同學(xué)們的幫助。

首先感謝我的導(dǎo)師楊副教授，從選題、開題答辯到CAD繪制裝配圖、零件圖，完成說明書，期間每一過程都得到楊副教授的悉心指導(dǎo)，楊老師每周安排見面會(huì)，兢兢業(yè)業(yè)，身體力行地為我們排憂解難，不僅治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)而且為人師表，堪稱良師益友，教給我們的不僅是知識還有待人處世的積極態(tài)度，在此再次表示衷心的感謝及崇高的敬意。

感謝大學(xué)四年來所有的老師，尤其機(jī)電學(xué)院所有的老師，為我們打下了堅(jiān)實(shí)的機(jī)械專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝寢室及所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。

最后再一次向在百忙之中抽時(shí)間對本設(shè)計(jì)進(jìn)行審閱、評議及論文答辯的各位老師表示感謝，再一次向在我畢業(yè)設(shè)計(jì)期間所有做出無私幫助和支持的人表示最誠摯的謝意。

摘 要 能源危機(jī)是我們面對的最大挑戰(zhàn) 之一 ，風(fēng)力發(fā)電是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗谶h(yuǎn)期有可能成為世界重要的替代能源。 盡管 水平軸風(fēng)力機(jī)是目前應(yīng)用最廣的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 但 垂直軸風(fēng)力 機(jī) 有著優(yōu)越的性能，并越來越被人們所重視。垂直軸風(fēng)力機(jī)具有比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)更好的商業(yè)開發(fā)價(jià)值，應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣。 闡述了 垂直軸風(fēng)力機(jī)的 發(fā)展歷史及 基本現(xiàn)狀， 從各方面比較了 水平軸風(fēng)力機(jī) 以 及垂直軸風(fēng)力機(jī)，得出垂直軸風(fēng)力機(jī)在各方面的優(yōu)勢 ，并介紹了達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的改進(jìn)型式 。 論證 了 垂直軸 風(fēng)力機(jī)的整體方案 ， 確定了 風(fēng)力機(jī) 固定攻角及可變攻角兩種方案 的運(yùn)行 方式 。 由于 風(fēng)力發(fā)電裝置所需的發(fā) 電機(jī)未形成標(biāo)準(zhǔn)和系列， 無法 選型 ， 因此 自主 設(shè)計(jì)了 50電機(jī)。 最后 詳細(xì)設(shè)計(jì) 了垂直軸風(fēng)力機(jī) 的 機(jī)械本體 ， 確定了風(fēng)力機(jī)各部分 結(jié)構(gòu) 的最終數(shù)據(jù)，經(jīng) 校核驗(yàn)證 垂直軸 風(fēng)力發(fā)電 機(jī) 的性能滿足設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞： 風(fēng)能 ； 垂直軸；風(fēng)力發(fā)電機(jī) he is of we is a be an in is of us of of be in of us in by of of of of be of no or so 0kW is in of in of It be 目 錄 第 1章 緒論 ·············································································· 1 言 ················································································ 1 界及我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 ··············································· 1 內(nèi)外風(fēng)力機(jī)研究現(xiàn)狀 ························································ 3 力機(jī)的造型 ···························································· 3 平軸風(fēng)力機(jī) ···························································· 3 直軸風(fēng)力機(jī) ···························································· 3 直軸達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī) ························································ 4 里厄風(fēng)力機(jī)的發(fā)展歷史 ············································· 5 里厄風(fēng)力機(jī)與水平軸螺旋槳風(fēng)力機(jī)的比較 ···················· 6 里厄風(fēng)力機(jī)的改進(jìn) ··················································· 7 計(jì)選題目的及意義 ··························································· 8 計(jì)的主要內(nèi)容及具體要求 ·················································· 8 第 2章 總體方案的論證設(shè)計(jì) ····················································· 9 體結(jié)構(gòu)布局的初步確定 ····················································· 9 力機(jī)運(yùn)行方式的設(shè)計(jì) ························································ 9 定攻角風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì) ·············································· 10 變攻角風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì) ··············································· 11 章小結(jié) ········································································ 15 第 3章 電機(jī)的設(shè)計(jì) ·································································· 16 磁設(shè)計(jì)的依據(jù)和任務(wù) ······················································ 16 要尺寸和極數(shù)的選擇 ······················································ 16 要尺寸的確定 ······················································· 16 弧系數(shù)??與電磁負(fù)載 A 及 B?的選擇 ·························· 18 數(shù)的選擇 ····························································· 20 樞設(shè)計(jì) ········································································ 20 樞繞組、槽數(shù)和槽型 ·············································· 20 向器的主要尺寸與電刷的選擇 ································· 22 路計(jì)算 ········································································ 23 流電機(jī)的磁路與主極漏磁系數(shù) ································· 23 隙 ······································································ 24 樞齒部 ································································ 24 極 ······································································ 24 子軛部 ································································ 25 機(jī)軸的設(shè)計(jì) ·································································· 26 章小結(jié) ········································································ 26 第 4章 機(jī)械本體設(shè)計(jì)及校 核 ··················································· 27 軸器的選取 ·································································· 27 動(dòng)器的選取 ·································································· 27 承軸及其附件的設(shè)計(jì)校核 ················································ 28 承軸最小直徑的確定 ·············································· 28 承軸的校核 ·························································· 29 承軸上鍵的校核 ···················································· 32 溝球軸承的校核 ···················································· 33 力球軸承的的校核 ················································· 34 轉(zhuǎn)支撐筒的設(shè)計(jì)及校核 ··················································· 34 速同向傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核 ·········································· 35 的設(shè)計(jì) ································································ 35 輪的設(shè)計(jì)校核 ······················································· 40 承的選擇 ····························································· 42 桿的設(shè)計(jì)及校核 ···························································· 43 桿部分?jǐn)?shù)據(jù)的確定 ················································· 43 橫桿的受力分析 ···················································· 44 桿與法蘭連接處螺栓的選取及校核 ···································· 46 片與橫桿連接處的設(shè)計(jì)校核 ············································· 47 接軸的設(shè)計(jì)校核 ···················································· 47 核連接板的拉伸強(qiáng)度 ·············································· 48 承的選擇及校核 ···················································· 48 章小結(jié) ········································································ 49 結(jié)論 ························································································· 50 參考文獻(xiàn) ················································································· 51 致謝 ························································································· 53 1 第 1章 緒論 言 穩(wěn)定、可靠、清潔的能源供應(yīng)是人類文明、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的保障。煤炭、石油、天然氣等化石能源支持了 19 世紀(jì)和 20 世紀(jì)近 200 年人類文明的進(jìn)步和發(fā)展。 然而，化石燃料的大量消耗，不僅讓人類面臨資源枯竭的壓力，同時(shí)也感覺到了環(huán)境惡化的威脅。 2l 世紀(jì)是科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展的世紀(jì)，也將是從化石燃料時(shí)代向具有持續(xù)利用能力的可再生能源時(shí)代過渡，逐步開創(chuàng)一個(gè)人類擺脫化石燃料桎梏的能源新時(shí)代的世紀(jì)。 風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)的商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。積極發(fā)展可再生能源，對增加能源供應(yīng)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，緩解環(huán)境污染，保障能源安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建設(shè)和諧社會(huì)都起到重要作用。風(fēng)力發(fā)電是近期內(nèi)技術(shù)成熟，在遠(yuǎn)期有可能成為世界重要的替代能源。 據(jù)專家們的估計(jì)，地球上所收到的太陽輻射能大約有 2%轉(zhuǎn)換成風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電可以有效利用的風(fēng)速范圍為 3 ~ 20m / s ，最適宜的風(fēng)速范圍是 6 ~ 8m/ s ，地球上蘊(yùn)有風(fēng)能約為 億 利用的風(fēng)能約為 200 億機(jī)容量可達(dá) 10年可發(fā)出電力 。地球上的風(fēng)能資源是地球上水能資源的 10 倍，已經(jīng)利用的不足千分之一 [10]。在技術(shù)上全球風(fēng)能資源是整個(gè)世界預(yù)期電力需求的 2 倍，也就是 說，只要利用地球上 50%的風(fēng)能資源就能滿足全球能源。 界及我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 由于歐美國家風(fēng)能資源豐富，工業(yè)技術(shù)水平高，這些國家在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢。目前世界上裝機(jī)容量最大的國家是美國，其次是德國、丹麥、印度。它們的單機(jī)容量已達(dá) 1 0 0 0 ~ 3 2 0 0 k W。美國、德國、等許多國家都把 2 風(fēng)力發(fā)電視為最大的補(bǔ)充能源。目前世界最大的風(fēng)力發(fā)電 機(jī) 是德國制造，高達(dá) 120m，風(fēng) 機(jī) 直徑可達(dá) 126m，每個(gè)葉片長 片重 18t，裝機(jī)功率可達(dá) 53]。預(yù)計(jì)到 2050 年風(fēng)力發(fā)電要占上 述國家全國發(fā)電量的 20% ~ 30% 。專家預(yù)測，到 2010 年，全世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量將突破 我國的風(fēng)能資源豐富，總 儲(chǔ)量估計(jì)約 16 億 世界第三位。按目前估計(jì)的技術(shù)及可開發(fā)儲(chǔ)量計(jì)算，年電量可達(dá) 2 萬億 ，并且能有效地減少污染物的排放，緩解全球氣候變暖的趨勢。 2002 年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織發(fā)表了“風(fēng)力 研究報(bào)告，提出了 2020 年風(fēng)電在全球全部發(fā)電裝機(jī)中占據(jù) 12%的宏偉目標(biāo)，屆時(shí)，中國的風(fēng)力發(fā)電 將能夠占到全球風(fēng)電總量的 14%[15]。 目前，全球風(fēng)力發(fā)電居前三位的分別是德國、西班牙和美國，三國的風(fēng)力發(fā)電總量占全球風(fēng)力發(fā)電總量的 60%。近年來亞洲地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的增速顯著。我國是發(fā)展中國家，對風(fēng)能資源的開發(fā)利用也十分重視。在 20 世紀(jì) 60年代就開始研制有實(shí)用價(jià)值的新型風(fēng)力機(jī)， 20 世紀(jì) 70 年代以后發(fā)展較快，在裝機(jī)容量、制造水平及發(fā)展規(guī)模上都居于世界前列。中國已經(jīng)建成眾多風(fēng)電廠，掌握了風(fēng)電廠運(yùn)行管理的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)和鍛煉了一批風(fēng)電設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)人才，為風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)和利用奠定了良好的基礎(chǔ)。 2005 年 2月 ，《中華人民共和國可再生能源法》頒布后，我國風(fēng)能發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。到 2006 年底，全國除臺灣地區(qū)以外建成了 91 個(gè)風(fēng)電場，風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到了 2599中 2006 年新增 1337 2006 年新增風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量來看，印度和中國分別排第三位和第五位。專家預(yù)測，數(shù)年以后，全球風(fēng)力發(fā)電量第一的寶座將由美國和中國爭奪 [23]。 隨著風(fēng)電的發(fā)展，風(fēng) 力 機(jī)制造業(yè)也在迅猛發(fā)展，成為一種新興的機(jī)械行業(yè)。 3 內(nèi)外風(fēng)力機(jī)研究現(xiàn)狀 力 機(jī)的造型 風(fēng)力機(jī)又稱風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng) 力 機(jī)的造型，既要考慮到結(jié)構(gòu)和 質(zhì)量 的需要，也要考慮到視覺的要求。按風(fēng)輪軸的不同可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。能量驅(qū)動(dòng)鏈 (即風(fēng)輪、主軸、增速箱、發(fā)電機(jī) )呈水平方向的，稱之為水平軸風(fēng)力機(jī)。能量驅(qū)動(dòng)鏈成垂直方向的，稱之為垂直軸風(fēng)力機(jī) [10]。 平軸風(fēng)力機(jī) 水平軸風(fēng)力機(jī)是目前國內(nèi)外研制最多，最常見的一種風(fēng)力機(jī)（1]），也是技術(shù)最成熟的一種風(fēng)力機(jī)。其風(fēng)輪葉片數(shù)一般為 2~3 葉，葉片形狀一般為翼形，該風(fēng)輪啟動(dòng)力矩較大，風(fēng)能利用系數(shù)高。為使掃風(fēng)面隨時(shí)對風(fēng)，需 裝有調(diào)向裝置。 圖 平軸風(fēng)力機(jī) 直軸風(fēng)力機(jī) 傳統(tǒng)的 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無關(guān)，因此不需要像水平軸風(fēng)力機(jī)那樣采用迎風(fēng)裝置。 4 垂直軸風(fēng)力機(jī)可分為兩個(gè)主要類型，一類是 是 利用空氣動(dòng)力的阻力做功，典型的結(jié)構(gòu)是 S 風(fēng)輪，它由兩個(gè)軸線錯(cuò)開的半圓柱形組成，其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，缺點(diǎn)是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對稱氣流，從而對它產(chǎn)生側(cè)向推力。對于較大型的風(fēng)力機(jī)，由于受偏轉(zhuǎn)與極限應(yīng)力的限制，采用這種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的。另一類是利用翼型的升力做功，最典型的是達(dá)里厄 (風(fēng)力機(jī)。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)有多種形式 ，Φ型、 H 型、 Y 型和菱形（見圖 1]）?；旧鲜侵比~片和彎葉片兩種，以 Φ型 、 H 型 風(fēng)輪為典型 [10]。 H 型風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡單，但這種結(jié)構(gòu)造成的離心力使葉片在其連接點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲應(yīng)力，另外，直葉片需要采用橫桿或拉索支撐，這些支撐將產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，降低效率；Φ型風(fēng)輪看起來像是個(gè)巨型打蛋器，所采用的彎葉片只承受張力，不承受離心力荷載，從而使彎曲應(yīng)力減至最小。由于材料所承受的張力比彎曲應(yīng)力要強(qiáng)，所以對于相同的總強(qiáng)度，葉片比較輕，且比直葉片可以以更高的速度運(yùn)行。 圖 型及 H 型垂直軸風(fēng)力機(jī) 直軸達(dá)里厄型 風(fēng)力機(jī) 雖然目前世界各地的大部分風(fēng)場所用的風(fēng)力機(jī)為水平軸的，但由于垂直軸風(fēng)力機(jī)，尤其提到達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)，有著優(yōu)越的空氣動(dòng)力性能，提高了效 5 率，并且很大程度降低了造價(jià)，所以近年來廣泛受到各國研究人員的關(guān)注。 里厄風(fēng)力機(jī)的發(fā)展歷史 達(dá)里厄風(fēng)力機(jī) 是由法國人 1925 年發(fā)明的， 1931 年取得專利權(quán)。當(dāng)時(shí)這種風(fēng)力機(jī)并沒有受到 關(guān)注 ， 直到 20 世紀(jì) 70 年代石油危機(jī)以后，才得到加拿大國家科學(xué)研究委員會(huì) (美國圣地亞 (家實(shí)驗(yàn)室的重 視，進(jìn)行了大量的研究。 美國第一個(gè)達(dá)里厄型風(fēng)機(jī)只有 12 英寸高，安裝在一個(gè)工程師的桌子上，圣地亞的研究人員用扇子扇風(fēng)來運(yùn)行這個(gè)小風(fēng)機(jī)。不久，一個(gè) 5 米高的模型產(chǎn)生了，葉片是由鋼結(jié)構(gòu)做骨架，并用泡沫塑料和玻璃纖維罩面，葉片截面采用一般用于螺旋槳的淚珠形。實(shí)驗(yàn)人員把它安裝在屋頂上，并且需要手動(dòng)來啟動(dòng)它繞軸旋轉(zhuǎn)。 1975 年圣地亞 17 米的達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的模型誕生了， 良好運(yùn)行超過 10,000 小時(shí)。之后，這種風(fēng) 力 機(jī)用于商業(yè)開發(fā)，并且在氣候條件良好的福利尼亞州建了風(fēng)力發(fā)電場，該風(fēng)場由 500 多個(gè)這種垂直軸風(fēng)力機(jī)組成的 [10]。 80 年代中期， 司開始關(guān)注在 行的有關(guān) 降低造價(jià)以及提高可靠性方面的研究，并且給予了資金方面的支持。至此， 氣動(dòng)力學(xué)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，疲勞及可靠度，系統(tǒng)工程等。 由于 17m 風(fēng)力機(jī)的成功， 究人員在 1988 年建成了高達(dá) 34m 的風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?產(chǎn) 500量，滿足該地區(qū)一半以上的用電量。該風(fēng)力機(jī)的主要特性是在一定的風(fēng)速范圍內(nèi) ( 25 ~ 40它都能工作，而大多數(shù)的風(fēng)力機(jī)只能在某一恒定風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn) 。 現(xiàn)在， 續(xù)支持 研究。 驗(yàn)室正利用它的計(jì)算機(jī)模型計(jì)算各種工況下產(chǎn)生的應(yīng)力，并進(jìn)一步分析對結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響。 6 里厄風(fēng)力機(jī)與水平軸螺旋槳風(fēng)力機(jī)的比較 1、從葉片受力分析比較 水平軸 槳 葉上受到正面風(fēng)載荷力，離心力，葉片結(jié)構(gòu)相似懸臂梁，葉片根部受到的由彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力較大，大量事故都是葉片根部折斷 引起的 。 Φ型 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片兩頭與軸固定，尤如一張弓，葉片是柔性的，葉片的形狀不是由葉片的剛度來保證的，而是軸旋轉(zhuǎn)后葉片自然形成一條“無彎矩應(yīng)力曲線”，葉片只受拉應(yīng)力，故受力較小，用料少 ，不易折斷。 2、從系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 水平軸風(fēng) 力機(jī)機(jī)倉 放置在 較高 的塔頂，而且是一個(gè)可 360° 旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)聯(lián)接機(jī)構(gòu)，自身重達(dá)十幾噸至幾十噸，葉片上隨機(jī)風(fēng)荷載達(dá)幾十噸，重心高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，且高位放置導(dǎo)致安裝和維護(hù)不便。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的齒輪箱在底部，重心低，不僅穩(wěn)定，而且維護(hù)方便，風(fēng)機(jī)塔架可以用鋼索進(jìn)行固定，因而制造成本大大減小。 3、從迎風(fēng)分析 水平軸機(jī)組機(jī)倉需 360° 旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到“迎風(fēng)”目的。這個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含有風(fēng)向檢測、角位移發(fā)送、角位移跟蹤閉環(huán)電力拖動(dòng)系統(tǒng)。垂直軸風(fēng)力機(jī)不要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受 360° 方位中任何方向來風(fēng)，主軸永遠(yuǎn)向設(shè)計(jì)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 4、從附屬系統(tǒng)分析 達(dá)里厄系統(tǒng)不需要閉環(huán)液壓調(diào)距系統(tǒng)，不需要葉片迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不需要任何自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)或特殊設(shè)計(jì)的變速恒頻發(fā)電機(jī)，在整個(gè)可發(fā)電風(fēng)速范圍內(nèi)向電網(wǎng)輸出同頻率，同電壓的電功率。不需要發(fā)電機(jī)的過載、過流保護(hù)系統(tǒng)及復(fù)雜昂貴的監(jiān)控系統(tǒng)。 5、系統(tǒng)風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率高于其他機(jī)型與系統(tǒng) 風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率涉及到以下七個(gè)效率： （ 1）風(fēng)機(jī)效率 —— 也 就是 風(fēng)能利用系數(shù)平 7 軸風(fēng)力機(jī)最大值一般為 達(dá)里厄風(fēng)輪的氣動(dòng)性，加拿大氣動(dòng)研究委員會(huì)實(shí)驗(yàn)室主任坦普林 (為該風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)能達(dá) 華大學(xué)對直徑 600達(dá)里厄風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn) ， 表明其風(fēng)能利用系數(shù)最高可達(dá) 于風(fēng)輪葉片不可能永遠(yuǎn)運(yùn)行在最大值上。是隨系統(tǒng)工況而變。所以兩種風(fēng)力機(jī)平均都取1 ?； （ 2）升速齒輪箱效率2 ?(減速箱效率較高，升速箱低 )； （ 3）發(fā)電機(jī) 滿載時(shí)效率為 輕載時(shí)效率為 取平均效率3 ?； （ 4）大功率整流器效率4 ?； （ 5）蓄電池充電效率5 ?； （ 6）蓄電池放電效率6 ?； （ 7）直流變?nèi)嘟涣?，逆變器效? ?。 水平軸交 交并網(wǎng)發(fā)電， 風(fēng)電轉(zhuǎn)換綜合效率為以上七個(gè)效率相乘，等于 達(dá)里厄交流并網(wǎng)系統(tǒng)，因?yàn)榈臀徊贾每梢耘湟缘退侔l(fā)電機(jī)，而不要齒輪箱，它發(fā)出電能直接由發(fā)電機(jī)入網(wǎng)，不需要昂貴的交 交系統(tǒng)， 它的風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率是 21%，明顯高于水平軸風(fēng)力機(jī) [10]。 達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的缺點(diǎn) ： （ 1）不能自啟動(dòng)； （ 2）調(diào)速、限速困難； （ 3）葉片彎曲，不易加工。 里厄風(fēng)力機(jī)的改進(jìn) 為克服上述達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的問題，許多學(xué)者作了不少努力，在原先的達(dá)里厄基礎(chǔ)上做出了不少改進(jìn) ： （ 1）直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī) [14]：直葉片風(fēng)力機(jī) 不僅僅是具有活動(dòng)葉片的另一種 達(dá)里厄。葉片傾角的變化是用導(dǎo)桿或凸輪獲得的。試驗(yàn)表明在低速下直葉 片垂直軸風(fēng)力機(jī) 的效率比傳統(tǒng)的達(dá)里厄 風(fēng)力機(jī) 要高， 并具有 自啟動(dòng)的特 8 點(diǎn)。 （ 2） 學(xué)的德拉加德（ 學(xué)的伊萬斯（ 設(shè)計(jì) 的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī) ，是具有活動(dòng)葉片的達(dá)里厄 風(fēng)力機(jī) 。葉片的重心偏離葉片轉(zhuǎn)軸，作用在重心上大的離心力使葉片轉(zhuǎn)一定的角度，結(jié)果使風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)自調(diào)節(jié)。 （ 3）德拉加德風(fēng)輪上的葉片角度由兩塊擋塊和附裝在后緣的彈性 帶 限位。在伊萬斯 風(fēng)力機(jī) [14]上這個(gè)功能 是通過 離心 錘 和作用在前緣上 的 彈 簧力實(shí)現(xiàn)的。 與傳統(tǒng)的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī) 比較，這三種 風(fēng)力機(jī) 的優(yōu)點(diǎn)是 都 能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)。 計(jì)選題目的及意義 風(fēng)能資源是大自然賜予人類取之不盡用之不竭的綠色能源，世界各國研究人員都在努力尋找各種途徑，能最大限度的利用風(fēng)能。隨著科技的發(fā)展，水平軸和垂直軸風(fēng)力機(jī)相繼問世，并在不同時(shí)期不同地區(qū)發(fā)揮作用。然而如何以最低造價(jià)、最小人力物資投入而獲益最多是值得探討的問題，總結(jié)上文，可以發(fā)現(xiàn)垂直軸風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)力學(xué)性能好，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，值得大力推廣。 計(jì)的主要內(nèi)容及具體要求 （ 1）詳細(xì)查閱相關(guān)資料，明確工作重心，進(jìn)行論文及設(shè)計(jì)的 進(jìn)度安排 ； （ 2）垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝 置的總體方案設(shè)計(jì)，主要為機(jī)械結(jié)構(gòu)整體框架的設(shè)計(jì)，包括固定攻角型式風(fēng)力機(jī) 的設(shè)計(jì)及可變攻角 型式風(fēng)力機(jī) 的設(shè)計(jì) ； （ 3）設(shè)計(jì)發(fā)電裝置的詳細(xì)機(jī)械本體，并 初步 設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī) ； （ 4）進(jìn)行 受力及強(qiáng)度分析（不包括風(fēng)動(dòng)力分析）； （ 5） 通過 軟件繪圖 完成原樣圖，及工程化圖紙 ； （ 6） 撰寫 論文，詳盡闡述設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)、難點(diǎn)、重點(diǎn)。再次檢查、修改設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及畢業(yè)論文 ， 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。 9 第 2章 總體方案的論證設(shè)計(jì) 體結(jié)構(gòu)布局的初步確定 考慮到盡可能使風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率達(dá)到最高，因此 風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì) 采取簡單的組合以達(dá)到最高 的效率并保證機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)。 風(fēng)力發(fā)電裝置主要由葉片、連接桿、輪轂、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)裝置 及附件裝置 組成 ， 可簡單如圖 示。 a（ ） 方案為電機(jī)與輪轂間距離較小，電機(jī)的位置距離地面較高， b（ ） 方案為電機(jī)放置于地面，但輪轂與電機(jī)間需采用較長的聯(lián)軸器。經(jīng)比較，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)， a（ ） 方案在于電機(jī)需吊裝，發(fā)電機(jī)距離地面高，且不便于維護(hù)， b（ ） 方案電機(jī)便于維護(hù)，但需增加聯(lián)軸器，傳動(dòng)效率下降，且經(jīng)濟(jì)性下降。 因此 ， 風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì) 采取 a（ ） 方案。 圖 力機(jī)的總體布局 力機(jī)運(yùn)行方式 的設(shè)計(jì) 垂直軸風(fēng)力機(jī) 需要進(jìn)行兩種攻角的設(shè)計(jì)，即固定攻角和可變攻角。固定 10 攻角即葉片與橫桿固定連接，葉片與橫桿沒有相對運(yùn)動(dòng)；可變攻角可實(shí)現(xiàn)葉片與橫桿角度的相對變化，即葉片可根據(jù)設(shè)計(jì)達(dá)到最好的迎風(fēng)面。 定攻角 風(fēng)力機(jī) 的設(shè)計(jì) 1、固定攻角的介紹 固定攻角為傳統(tǒng)的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)型式，葉片的受力主要靠葉片的自身的流線型 ，對葉片的設(shè)計(jì)不做詳細(xì)的闡述。 固定攻角原理：假設(shè)風(fēng)輪在風(fēng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng) ，如圖 示 ，氣流與葉片的相對速度 W 與風(fēng)速 V 和葉片圓周速度的關(guān)系為 V U W?? ，如果已知矢量 V 和 U ，就可確定矢量 W 及葉片所受的空氣動(dòng)力。 圖 片不同位置受力圖 2、橫桿的改進(jìn)設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的 H 型風(fēng)力機(jī)如圖 示， 這種方式對發(fā)電機(jī)輸出軸要求較高，并且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，現(xiàn)場安裝程序較 多。另外，從力學(xué)方面分析， H 型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率越大、葉片越長、平行桿的中心點(diǎn)與發(fā)電機(jī)軸的中心點(diǎn)距離越長，抗風(fēng)能力越差 。因此，經(jīng)該進(jìn)的方案如圖 示，采用三角形 向 11 圖 進(jìn)的 H 型風(fēng)力機(jī)葉片連接型式 量 法 。 這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于： （ 1）中間旋轉(zhuǎn)筒的長度減小，從而減輕旋轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量； （ 2）減小了旋轉(zhuǎn)筒所受的應(yīng)力； （ 3）葉片的中心相對于旋轉(zhuǎn)軸的中心 降低了，從而減小了對中間旋轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力； （ 4）旋轉(zhuǎn)時(shí)橫桿能依靠離心力減小葉片自身重力引起的橫桿端部螺栓的受力。 經(jīng)總結(jié)，這種方案最為合理。 變攻角 風(fēng)力機(jī)的 設(shè)計(jì) 可變攻角是指 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，當(dāng)葉片處于不同位置時(shí)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向的變化情況，使葉片的“攻角”保持受控變化 ， 使其始終處在最佳的“攻角”位置，從而達(dá)到最大的風(fēng)能利用率。 本次設(shè)計(jì)采用上文所述的 直葉片垂直軸風(fēng)輪， 葉片變攻角本質(zhì)上是靠五桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。 平面 五 桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)計(jì)中有著廣泛應(yīng)用，隨著 工業(yè) 技術(shù)與可控機(jī)構(gòu)的發(fā)展 ，五桿機(jī)構(gòu)作為一種結(jié)構(gòu)簡單 、可以產(chǎn)生豐富運(yùn)動(dòng)軌跡的多自由機(jī)構(gòu)受到越來越多關(guān)注。 1、 五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析 已知主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)構(gòu)桿長，求解運(yùn)動(dòng)輸出點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為運(yùn) 12 動(dòng)學(xué)正解分析 。 如圖 示 ， 取鉸鏈 A 點(diǎn)為絕對坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn) 。 已知：原動(dòng)件為桿 1 和桿 4，1l、2l、3l、4機(jī)構(gòu)的桿長，兩原動(dòng)件的相位角為1?和4?；角速度為1?和4?； C 點(diǎn)的位置 ( , ) 由圖 封閉矢量法 得23C B Dr r l r l? ? ? ?； 圖 面五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析簡 圖 由各矢量在 軸上的投影，可得 C 點(diǎn)的位置方程 ： 2 2 32 2 3c o s c o ss i n s i Dx x l xy y l y??? ? ? ???? ? ? ??（ 將式 （ 移項(xiàng)后平方相加 ， 消去3?得 ： 0 2 0 2 0c o s s i n 0A B C??? ? ?（ 式中 022 ( )l x x??； 022 ( )l y y??； 2 2 20 2 3l l l? ? ? ； 13 22( ) ( )B D D B D Bl x x y y? ? ? ?； 解式 （ 可得 ： 2 2 20 0 0 02002 a r c t a n ( )B A B ? ? ?? ? （ 式 （ 中 ， “ ? ”和“ ? ”表示已知兩鉸點(diǎn) B 、 D 的位置和桿長2l、3l，該桿組可有兩種位置的可能 ， 如圖 1 中實(shí)線位置取“ ? ”，虛線位置取 “ ? ”。 將2?帶入式（ 可求得 C 點(diǎn)的位置可求得 3 a r c t a n ( / )C D C Dy y x x? ? ? ?2、 風(fēng)力機(jī)的五桿設(shè)計(jì) 如圖 示， 為葉片， 為橫桿， 和 保持角速度相等并隨時(shí)保持平行，即14???，14???。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù) 圖，初步選取1 ，2 1，3 ，4 1，5 ，初始時(shí)1490????，其中1海斯模電子設(shè)備有 限公司的 力發(fā)電機(jī)參數(shù) 。 圖 力機(jī)五桿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析簡圖 設(shè)計(jì)中將 圖軟件與葉片位置動(dòng)態(tài) 相聯(lián)合 ，繪制葉片在不同 14 位置時(shí)2?的 角度。 由圖 知葉片攻角的變化 ， 至于葉片在攻角的位置是否能達(dá)到迎風(fēng)最大效率，需要考慮葉片的形狀，葉片的設(shè)計(jì)涉及流體力學(xué)相關(guān)知識，不在本設(shè)計(jì)之內(nèi)。本設(shè)計(jì)所確定的桿長也只是作為機(jī)械本體的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，若流體效率方面存在問題，則需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，以便到最大的發(fā)電機(jī)效率 。 圖 力機(jī)葉片 攻角變化圖 3、橫桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 因變攻角在結(jié)構(gòu)上的要求， 裝置上增加了等速同向傳遞機(jī)構(gòu)，因此 橫桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 不能采用圖 示的結(jié)構(gòu)， 必須加以修改。 新改進(jìn)的結(jié)構(gòu)圖如圖 示， 上橫桿由原先的上傾斜變成水平。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于減小了等速同向傳遞機(jī)構(gòu)上軸的長度，從而減少了軸所受的應(yīng)力。 15 圖 桿與輪轂布置示意圖 章小結(jié) 在本章中，介紹了 垂直軸風(fēng)力機(jī) 結(jié)構(gòu)布局 的理解及設(shè)計(jì)內(nèi)容，理清了設(shè)計(jì)思路， 并 剖析了 所設(shè)計(jì)裝置的原理， 改進(jìn)了橫桿的設(shè)計(jì)， 確定了風(fēng)力機(jī) 的運(yùn)行 方式 ，即固定攻角和可變攻角兩種 運(yùn)行 方案 ， 為下一 章 的 進(jìn) 一步的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 16 第 3章 電機(jī)的設(shè)計(jì) 在 我國，大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起步較晚，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的專用電機(jī)還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)和系列。因此，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行了 初步 的設(shè)計(jì)，以供參考。 考慮到電能的存儲(chǔ)，選取直流發(fā)電機(jī)為垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置的發(fā)電機(jī)。直流電可以直接存儲(chǔ)于蓄電池中，減去了交流電存儲(chǔ)所需的逆變裝置，具有一定的優(yōu)點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的電機(jī)基本要求為：額定功率 50速 50r/ 磁設(shè)計(jì)的依據(jù)和任務(wù) 直流電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的任務(wù)是按電機(jī)額定數(shù)據(jù)確定其與電磁有關(guān)的幾何尺寸和繞組數(shù)據(jù)、計(jì)算換向參數(shù)、工作特性和溫升等。 電磁設(shè)計(jì)必須 使電機(jī)的工作特性、換向性能、溫升和一些主要安裝尺寸符合國家標(biāo)準(zhǔn) 機(jī)基本技術(shù)要求》及有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，滿足產(chǎn)品技術(shù)條件。 電磁設(shè)計(jì)的程序一般是：（ 1）根據(jù)電磁負(fù)載經(jīng)驗(yàn)值初步確定電樞直徑和長度，相應(yīng)的確定極數(shù)；（ 2）確定電樞繞組、電樞鐵心和換向器、電刷的主要尺寸；（ 3）確定磁路各部分的尺寸，計(jì)算空載特性曲線、電樞反應(yīng)去磁磁動(dòng)勢并確定勵(lì)磁繞組；（ 4）確定換向極和補(bǔ)償繞組；（ 5）計(jì)算損耗、效率和工作特性；（ 6）估計(jì)溫升、冷卻空氣的風(fēng)量和風(fēng)壓，確定風(fēng)扇尺寸。 設(shè)計(jì)中 主要是大致確定電機(jī)的主要尺寸參數(shù) ，其余 涉及 磁路部分參數(shù)主要 依 據(jù)電 機(jī) 專業(yè)相關(guān)知識進(jìn)行完善，在此不進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。 要尺寸和極數(shù)的選擇 要尺寸的確定 直流電機(jī)的主要尺寸指電樞的直徑們與電樞繞組、換向 17 器、定子以及電機(jī)的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。定轉(zhuǎn)速和所選擇的電磁負(fù)載有以下的關(guān)系： 112 6 . 1 1 0 e m e ma t a l n n?????? （ 式中 電機(jī)常數(shù) 3cm r / m 額定轉(zhuǎn)速 / 電樞長度 電樞直徑 ??—— 極弧系數(shù) ； B?—— 氣隙磁痛密度 G ； A —— 電負(fù)載 A/ 電磁功率 12?? （ 式中 額定功率 ? —— 電機(jī)效率 ； 據(jù)本風(fēng)力發(fā)電裝置的要求，初步設(shè)定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 50r/額定功率 50 根據(jù)圖 ] 選取電機(jī)效率 ? =則根據(jù)n=從圖 ]查得電機(jī)常數(shù)18 ? 104，據(jù)式（ 2a 1053 1、 電樞直徑的選擇 2確定后，一般先選取 確定電樞直徑根據(jù)圖 ]，由n ?1 查得直徑范圍60 ~ 80 中小型電機(jī)和低速中大型電機(jī)的換向問題較易解決，可選用較小直徑以 18 減少電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，因此經(jīng)綜合考慮選取電樞直徑5 2、 電樞長度的選擇 在上述 2樞長度22 4 5 . 8 c a 取46 從換向性能、通風(fēng)發(fā)熱、機(jī)械強(qiáng)度和工藝等方面考慮，中大型電機(jī)中能用的最長電樞長度與電樞直徑有關(guān)，當(dāng)250：m a x 6 5 0 。經(jīng)驗(yàn)算，取6合要求。 3、 電樞長度與直徑的比值 （ ? 值的大小，影響電機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此， 定后，應(yīng)核算 ? 值。 ? 小，即電樞直徑短而長度短，有利于電樞通風(fēng)散熱；且可減小電樞繞組的電抗電動(dòng)勢，有利于電機(jī)換向；但電樞直徑增大，定子、換向器、刷架、端蓋的直徑隨之增大，經(jīng)濟(jì)性較差。 ? 值大，則轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 小，電樞繞組端部用銅及銅耗也相應(yīng)減小，但換向性能和冷卻條件隨 ? 值的增大而變壞。根據(jù)圖 ]，可知當(dāng) = 則 ? =合要求。 弧系數(shù)??與電磁負(fù)載 A 及 B?的選擇 從公式（ ： 116 1 0A????? 3cm r / m （ 19 上式中的??、 A 及 B?分別按下式確定 極弧系數(shù) ： ???' 電負(fù)載 ： A?2 a （ 氣隙磁 通 密度 ： B?? ?? G （ 式中 ' 極靴計(jì)算弧長 ? —— 極距 電樞電流 A ； N —— 電樞總導(dǎo)體數(shù) ； 2a —— 電樞繞組并聯(lián)支路數(shù) ； N?—— 額定轉(zhuǎn)速、電壓和電流時(shí)的每極氣隙磁通 ； ??大對縮小電機(jī)主要尺寸有利，但極靴之間距離窄，將使磁極漏磁增加，并不影響換向。參考圖 ]，??范圍為 合考慮取??= 選用的 B?和 A 值愈大，則電機(jī)的主要尺寸愈小。但若 B?過大，將引起電機(jī)鐵心過分飽和，從而增加勵(lì)磁繞組損耗，及電樞鐵心損耗，是電樞溫升增高和電機(jī)的效率下降。又若 A 值過高，電抗電動(dòng)勢將增加，使電機(jī)換向性能惡化，電樞溫升增高。 B?和 A 值都不宜選上限，這樣 選擇雖然電機(jī)體積可以縮小，但對電機(jī)的工作特性和溫升將產(chǎn)生不良影響。 B? 的經(jīng)驗(yàn)值根據(jù)圖 ]，可得8 7 0 0 ~ 1 0 5 0 0 ? ， A 的經(jīng)驗(yàn)值根據(jù)圖 ]，可得 A = 4 0 0 ~ 4 8 0 A / c m。初步確定 B?=10000G ， A =450A/ 在確定??、 B?、 A 后帶入公式（ 核 20 116 1 0A????? 0??，經(jīng)比較與值 51 0?較接近，符合要求。 數(shù)的選擇 選擇極數(shù)應(yīng)綜合考慮運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在電樞直徑與氣隙磁通密度確定后，電機(jī)氣隙的總磁通 2p? 為一定值。增加極數(shù)，由于每極磁通減少，可以減輕磁軛鐵重，并可以縮短換向器和電樞繞組端部長度，減輕銅重，減小電機(jī)外形。但極數(shù)增多時(shí)，制造工時(shí)增加；且由于電樞中交變磁化頻率的增高，使鐵耗及溫升增加。極數(shù)增多，極數(shù)縮短，使主極漏磁增加，為此要縮小極弧，將引起電機(jī)的主要尺寸 增加。 電機(jī)的極數(shù)選擇參考圖 ]，選擇 24p? 。 極數(shù)的選擇還應(yīng)考慮極距的大小，極距按下式計(jì)算： 2 ?（ 經(jīng)計(jì)算 51? ，符合要求。 樞設(shè)計(jì) 樞繞組 、槽數(shù)和槽型 1、繞組型式的選擇 參照表 ]中各類型的繞組的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，選取單波繞組，即2a=2。 2、電樞槽數(shù) 電樞槽數(shù) Z 的多少影響電機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)性，選擇時(shí)從以下幾方面考慮： （ 1）每極槽數(shù) 增加每極下的電樞槽數(shù)2以改善電機(jī)的換向性能， 21 減少磁通脈沖引起的損耗和噪聲。但2使槽面積利用率降低和制造工時(shí)增加。每極槽數(shù)2~20。 （ 2）電樞齒距 電樞槽數(shù)過多，齒距過小，齒根容易損壞。當(dāng)0距 （ 3）槽電流 為使槽內(nèi)銅耗產(chǎn)生的熱量易于散出，應(yīng)該核算每槽電流總量值 （ 4）電樞槽數(shù) 應(yīng)符合繞組的接線規(guī)律和繞組的對稱條件。 經(jīng)綜合計(jì)算校核，選取27，此時(shí)齒距3、每元件匝數(shù)及每槽元件數(shù) 確定繞組型式及槽數(shù)后，電樞總導(dǎo)體數(shù) N 、每槽元件數(shù) u 、每元件匝數(shù)向片數(shù) K 可以按下式確定。 2? （ 2 K? （ K （ （ 1）每元件匝數(shù)盡可能采用較小的形導(dǎo)線的繞組，其匝數(shù)常為 1 或 2。選取。 （ 2）每槽元件數(shù) u 通常不超過 5。選擇時(shí)，應(yīng)注意滿足繞組的接線規(guī)律和對稱條件，在 24p? 時(shí)應(yīng)盡量不用 2u? 及 4u? 。經(jīng)綜合考慮選擇 3u? ，則經(jīng)過計(jì)算， K =204， N =408。 22 4、熱 負(fù)載電負(fù)載 A 和電樞導(dǎo)線電流密度自扇通風(fēng)的中小型電機(jī)中，轉(zhuǎn)速高的電機(jī)散熱較好，可選取較大的強(qiáng)迫風(fēng)冷的中大型電機(jī)中，轉(zhuǎn)速高的電機(jī)鐵耗較大，而通風(fēng)散熱情況改善不多，應(yīng)選取較小的閉式電機(jī)的熱負(fù)載應(yīng)選的低些。根據(jù)圖 ]， 222 4 0 0 ~ 3 0 0 0 0 A / ( c m m m )?，綜合考慮選取 2500 22A / (c m m m )? ，? =A / ( ，導(dǎo)線截面積 2 =5、電樞槽型和尺寸 20 時(shí)通常采用全開口的矩形槽。 （ 1 ）槽高] 選 取 ， 槽 高 范 圍3 6 ~ 5 3 m ，選取 40（ 2）槽寬度和槽高寬，一般槽寬范圍為 0.5)取 0 c 。 向器的主要尺寸與電刷的選擇 1、換向器直徑 小型電機(jī)為獲得最多的換向片數(shù)其換向直徑接近于電樞直徑；中大型電機(jī) 為 降 低 換 向 器 圓 周 速 度 其 直 徑 宜 選 的 小 些 ， 當(dāng) 50時(shí)，( 0 . 6 ~ 0 . 7 5 )，取 0 . 7 4 5 . 5 c 。 2、換向器片數(shù) 確定換向器片數(shù)時(shí)，應(yīng)核算最小片距和平均片間電壓。 （ 1）換向器片距 ： 0 . 7 c t K??? 23 按結(jié)構(gòu)和工藝要求，為使換向片不致太薄，當(dāng) 20時(shí)， 。經(jīng)校核， 符合要求。 （ 1）平均片間電壓 ： 2 4 . 3 ?? ?? 3、換向器長度 換向器長度可按下式估算 ： ( 0 . 5 ) ( 2 ~ 4 ) c mK b bl n l? ? ? 式中 每根刷桿的電刷數(shù)； 電刷長度 盒等尺寸確定。 4、電刷 電刷的性能對電機(jī)換向的影響很大。應(yīng)按直流電機(jī)的功率、電壓、負(fù)載性質(zhì)、運(yùn)行方式、換向器圓周速度及環(huán)境條件選用合適牌號的電刷。 （ 1）電刷寬度 1)m t?? ，式中 m 為繞組重路數(shù)。 （ 2）電刷長度 根據(jù)表 ]選取 16，長度 20。 路計(jì)算 通過 磁路計(jì)算可以確定電機(jī)各磁路的各部分尺寸。計(jì)算在額定負(fù)載，即額定轉(zhuǎn)速、電壓和電流時(shí)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢，并設(shè)計(jì)主極勵(lì)磁繞組。 流電機(jī)的磁路與主極漏磁系數(shù) 主磁通磁路主要包括：氣隙、電樞齒、電樞軛、主極和機(jī)座軛等五部分。