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附表4：
寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書
所在學院
機械與電氣工程學院
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
班級
學生姓名
學號
指導教師
題 目
垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計
一、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作內(nèi)容與基本要求：
主要任務與目標：
1、 翻譯2篇與課程相關(guān)的最新英文文獻，文獻翻譯要求在2000字以上；
2、 查閱和整理文獻并提交一篇反映課題內(nèi)容的文獻綜述，文獻綜述在3000字以上；
3、 獨立完成垂直軸風力發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計（發(fā)電機傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計以及傳動軸的支承結(jié)構(gòu)設(shè)計），提交一份開題報告。
4、 按照開題報告的進度計劃，獨立進行垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計，結(jié)合相關(guān)參考資料的經(jīng)驗公式與經(jīng)驗數(shù)據(jù)，撰寫設(shè)計說明書（即論文正文），論文正文不少于6000字。
研究途徑與方法：
1、 結(jié)合所學專業(yè)課程，通過查閱相關(guān)資料，溫習相關(guān)制圖軟件，完成畢業(yè)設(shè)計；
2、 查閱風力發(fā)電機的相關(guān)資料，確定垂直軸風力發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合專業(yè)課程制定畢業(yè)設(shè)計計劃，搭建論文正文主體框架，進行3D結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算總體方案設(shè)計過程中所涉及的重要數(shù)據(jù)，繪制2D總圖、主要零件圖，匯整豐富說明書內(nèi)容，最后對格式進行標準化處理，檢索并翻譯外文資料，按論文指導手冊的要求完成畢業(yè)設(shè)計全部內(nèi)容。
推薦資料、參考文獻：
[1]張錦光,胡業(yè)發(fā),王念先.小型低風速風力發(fā)電機永磁軸承的設(shè)計與分析[J]，機械制造，2010,48（5）：20-22.
[2]許開國. 永磁懸浮風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子的研究與設(shè)計[M]武漢：武漢理工大學，2008.
[3]王輝.一種垂直軸風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J],機械與電子，2010（21）：611-612.
[4]M. Popescu, M.V. Cistelecan, L. Melcescu. Low Speed Directly Driven permanent Magnet Synchronous Generators for Wind Energy Applications[J],Restrictions apply,2007(13):784-788.
[5]M. Cistelecan, B. Cosan, M. Popescu, “Tooth concentrated fractional windings for low speed three phase a.c. machines”, accepted paper to be presented at ICEM’06, Chania, Greece, Sept. 2006.
[6]李俊峰,施鵬飛,高虎.中國風電發(fā)展報告2010[M]，漢南出版社，2010.
[7]李惠光,張廣路,周巧等. 垂直軸磁懸浮風電懸浮系統(tǒng)的模糊滑模控制[J]. 武漢理工大學學報, 2010（10）：136-140.
[8]張兆強. MW 級直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機設(shè)計[M].上海：上海交通大學,2007.
[9]楊德志,羅德榮,白雪峰等. 直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)模擬試驗平臺的研究 [J]. 實驗技術(shù)與管理, 2010(11）：318-321.
[10] 肖林京,李鵬,高峰. 磁懸浮風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究[J].機械設(shè)計與制造,2011（06）：109-111.
設(shè)計技術(shù)要求：
1、 風力發(fā)電機功率 1KW；
2、 額定轉(zhuǎn)速600r/min；
3、 設(shè)計圖樣全部用計算機繪制，符合最新制圖標準；投影正確，表達完整，布局合理；注明模具最大外形尺寸；
4、 設(shè)計推導簡明扼要；計算正確可靠。
注意事項：
1、 零件圖需要有圖框、零件尺寸標注需規(guī)范并符合制圖標準；
2、 要求2D圖總量折合為2張A0圖的量以上；
3、最終稿2D圖需轉(zhuǎn)成PDF形式保薦并提交電子文檔；
4、英文翻譯需注明原文出處，并附上PDF格式原文。
二、畢業(yè)論文進度計劃
1、結(jié)合任務書擬定畢業(yè)設(shè)計完成計劃，并完成開題報告；
2、檢索并翻譯最新英文文獻；
3、確定風力發(fā)電機的機械結(jié)構(gòu)方案，并進行3D造型設(shè)計；
4、進行分析計算；
5、將3D圖轉(zhuǎn)化為2D-CAD圖，總圖設(shè)計嚴格按標準，包含零件序號及零件明細表等；
6、拆畫零件圖；
7、完成設(shè)計說明書的撰寫；
8、查閱、整理、完善文獻并撰寫一篇反映課題內(nèi)容的文獻綜述，不少于3000字；
9、對畢業(yè)設(shè)計論文匯編的所有資料的格式進行標準化處理；
10、對全部電子資料進行匯整、打包，并以學號長號命名提交為指導老師；
11、經(jīng)老師指導。修正不當之處，將經(jīng)老師確認的終稿打印，整理并按時上交。
畢業(yè)設(shè)計（論文）時間：2011年 6 月 20 日至2011年 11 月 30 日
計 劃 答 辯 時 間： 2011 年 12 月 日
三、專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人（簽字）：
工作任務與工作量要求：原則上查閱文獻資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇；文獻綜述不少于3000字；文獻翻譯不少于2000字；畢業(yè)論文1篇不少于8000字，理工科類論文或設(shè)計說明書不少于6000字（同時提交有關(guān)圖紙和附件），外語類專業(yè)論文不少于相當6000漢字。 提交相關(guān)圖紙、實驗報告、調(diào)研報告、譯文等其它形式的成果。畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范及有關(guān)要求，請查閱《寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）指導手冊》。
備注：學生一人一題，指導教師對每一名學生下達一份《畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書》。
垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計
目錄
摘要 ....................................................................ⅠABSTRACT ...............................................................Ⅱ
第一章 概述 ...........................................................1
1.1 風力發(fā)電機概況 ....................................................1
1.2 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀 ............................................1
1.2.1 國外風力發(fā)電機的研制情況 .....................................1
1.2.2 國內(nèi)風力發(fā)電機的研制情況 ....................................2
1.3 研究風力發(fā)電機的目的和意義 .......................................4
1.4 我國的風能資源及其分布 ...........................................5
第二章 風力機理論 ....................................................8
2.1 基本公式 ........................................................8
2.1.1 風能利用系數(shù) ................................................8
2.1.2 風壓強 ......................................................8
2.1.3 阻力式風力機的最大效率 ......................................8
2.2 工作風速與輸出功率 ..............................................9
2.2.1 風力發(fā)電機的輸出效率 .........................................9
2.2.2 工作風速與輸出功率 ............................................9
2.2.3 啟動風速和額定風速的選定 .....................................10
2.3 風能利用與氣象 ..................................................12
2.3.1 風的觀測對風能利用的意義 .....................................12
2.3.2 風能利用中需要的氣象調(diào)查 .....................................13
2.4 風的觀測 ........................................................13
第三章 風力發(fā)電機方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....................................14
3.1 小型垂直式風力發(fā)電機方案設(shè)計 ....................................14
3.2 風葉 ............................................................14
3.3 行星齒輪加速器設(shè)計計算 ..........................................14
3.3.1 設(shè)計要求 .....................................................15
3.3.2 選加速器類型 .................................................16
3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù) ............................................16
3.3.4 壓力角()的選擇 ..............................................16
3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇 ................................................17
3.3.6 模數(shù)選擇 ......................................................17
3.3.7 預設(shè)嚙合角 ....................................................17
3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計算 ..................................17
3.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算 ..................................18
3.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計算 ..................................18
3.3.11 行星排上各零件受力分析及計算 ..................................19
3.3.12 行星齒輪傳動的強度校核計算 ....................................20
3.4 電磁離合器設(shè)計計算 ...............................................24
3.4.1 選型 ..........................................................24
3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性 ....................................24
3.4.3 離合器的計算轉(zhuǎn)矩 ..............................................24
3.4.4 離合器的外徑 ..............................................24
3.4.5 離合器牙間的壓緊力 ...........................................24
3.4.6 線圈槽高度 ...................................................24
3.4.7 磁軛底部厚度 ................................................25
3.4.8 銜鐵厚度 ...................................................25
4傳動系統(tǒng)設(shè)計 ............................................... ........25
結(jié)束語 ......................................... .... ..............33
致謝 .....................................................................34
參考文獻 ..........................................................35
第一章 概述
1.1 風力發(fā)電機概況
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展, 風力發(fā)電迅猛發(fā)展。以機組大型化(50kW～ 2MW )、集中安裝和控制為特點的風電場(也稱風力田、風田) 成為主要的發(fā)展方向。20 年來, 世界上已有近30 個國家開發(fā)建設(shè)了風電場(是前期總數(shù)的3 倍) , 風電場總裝機容量約1400 萬kW (是前期總數(shù)的100 倍)。目前, 德國、美國、丹麥以及亞洲的印度位居風力發(fā)電總裝機容量前列, 且未來計劃投資有增無減。美國能源部預測2010 年風電至少達到國內(nèi)電力消耗的10%。歐盟5 國要在2000～ 2002 年達到本國總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計劃2030 年要達到40%。
中國是一個風力資源豐富的國家, 風力發(fā)電潛力巨大。據(jù)1998 年統(tǒng)計, 風力風電累計裝機22.36萬kW , 僅占全國電網(wǎng)發(fā)電總裝機的0.081% , 相對于可開發(fā)風能資源的開發(fā)率僅為0.088%。
中國第一座風力發(fā)電場于1986 年在山東榮成落成, 總裝機較小, 為3×55kW。到1993 年我國風電場總裝機容量達17.1MW , 1999 年底, 我國共建了24 個風力發(fā)電場, 總裝機268MW。我國風力發(fā)電場主要分布在風能資源比較豐富的東南沿海、西北、東北和華北地區(qū), 其中風電裝機容量最多的是已達72.35kW。在未來2～ 3 年內(nèi), 我國計劃新增風電場裝機容量將在800MW 以上, 并且將會出現(xiàn)300～ 400MW 的特大型風力發(fā)電場。
1.2 研究風力發(fā)電機的目的和意義
中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，能源利用以煤炭為主。在當前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然氣占2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費中，也是以煤炭為主，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%。但是，能為人類所用的石化資源是有限的，據(jù)第二屆環(huán)太平洋煤炭會議資料介紹，按目前的技術(shù)水平和采掘速度計算，全球煤炭資源還可開采200年。此外，石油探明儲量預測僅能開采34年，天然氣約能開采60年。隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，能源供需矛盾加劇，如果不趁早調(diào)整以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，勢必形成對數(shù)億年來地球積累的生物石化遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán)，不利于經(jīng)濟、能源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則，把風力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)跨世紀的戰(zhàn)略發(fā)展目標。八屆人大四次會議批準的我國經(jīng)濟和社會發(fā)展“九五”計劃和2010年遠景目標綱要中提出“積極發(fā)展風能、海陽能、地熱能等新能源發(fā)電”的指導方針，為我國發(fā)展多能互補的能源結(jié)構(gòu)新格局起到了指導和促進作用。
風能是對人類生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外，風能資源非常豐富，取之不盡，用之不竭。據(jù)統(tǒng)計，太陽向地球輻射的巨大能量中，約有1%轉(zhuǎn)化為風能。這些能量相當于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和，可見風能的潛力是非常大的。隨著風力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，風力發(fā)電規(guī)模也不斷擴大，美國加州由數(shù)家風能公司提供給電網(wǎng)的電量，足以供應舊金山這樣的大城市的居民需求。我國風電事業(yè)近年來發(fā)展較快，已有16萬臺微型風力發(fā)電機用于邊遠山區(qū)、牧區(qū)、海島，初步解決了地處邊遠，居住分散，電網(wǎng)難以到達地區(qū)的居民用電問題。同時也遏制了微型汽油發(fā)電機的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時，避免了各種有害氣體的排放。國家“九五”新能源發(fā)展計劃提出，“九五”期間全國風力發(fā)電的總裝機容燕山大學工學碩士學位論文量要突破40萬千瓦。為此，國家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風計劃”，面向國內(nèi)外市場發(fā)展風力發(fā)電?！俺孙L計劃”不僅會大大促進我國風電事業(yè)的發(fā)展，而且對減排有害污染物，促進環(huán)境的改善有著重要意義。
風力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因為它有許多優(yōu)點：1.設(shè)備簡單，投資少，成本低，風力發(fā)電機的整個設(shè)備成本不足功率相當?shù)幕鹆Πl(fā)電，水力發(fā)電和核電站成本的1/4，在二、三年內(nèi)就可以收回全產(chǎn)投資；2.節(jié)省燃料和運輸費用。在風力資源豐富的地區(qū)，風力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設(shè)備和能源。許多燃料是十分重要的化學原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富，充分利用風力資源意義就更重大了；3.利用風力可以減少對大氣的污染，保護我們?nèi)祟愘囈陨娴淖匀画h(huán)境?；瘜W燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質(zhì)，嚴重的威脅人們健康，而風力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質(zhì)。
由于它是清潔能源，對環(huán)境無污染，又由于我們國家地形復雜，人口又多，居住分散，對于電網(wǎng)涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補充大電網(wǎng)的缺陷，起到拾遺補缺的作用，可以利用小型風機風力發(fā)電的地方主要有：
(l)航運系統(tǒng)我們有長江等水系幾條大河流，如長江航運中的拖船，一般在100一200噸，經(jīng)常被擱置在江中間的錨地上，用電主要靠蓄電池。使用風力發(fā)電機對蓄電池補充充電效果很好，這方面有成功的經(jīng)驗。但是，由于國有運輸企業(yè)的不景氣，影響了市場。
另外，我們大小河流湖泊上的船舶數(shù)量驚人，用小型風力發(fā)電機解決它們的照明、收視電視、聽廣播，有很重要的意義和市場。
(2)森林防火高山觀察站據(jù)林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有400個觀察站，西南也有幾百個高山觀察站，各省市都有一些森林高山防火觀察站，站上的工作人員，在防火期從10月到第二年4、5月期間晝夜在站上值勤，解決他們的照明及聽廣播、看電視頗為費神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運輸困難，又不能使用明火，使用小型風力發(fā)電機可以基本解決觀察站的照明及娛樂用電。90年代初，個別觀察站曾使用過小型風力發(fā)電機。由于風力發(fā)電機的某些技術(shù)問題及使用人員的素質(zhì)因素，沒有得到推廣。
(3)無人值守的差轉(zhuǎn)臺和微波站。
(4)東南沿海各孤立的島嶼。
(5)圍網(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。
(6)農(nóng)牧區(qū)。
(7)國際市場。
第二章 風力機理論
2.1 基本公式
2.1.1 風能利用系數(shù)
風力機從自然風能中吸收的能量大小程度用風能利用系數(shù)表示。橫截面積為s()的氣流的動能為
2.1.2 風壓強
如圖2-1a，根據(jù)伯努力方程，風中物體受到的風壓Q為
2.1.3 阻力式風力機的最大效率
建立簡單的理想模型，一個平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風速為，平板的運動速度為v，那么平板吸收的功率可以表示為
圖2-1 平板模型
對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對v進行微分得
從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè)法提高風的阻力系數(shù)C。
2.2 工作風速與輸出功率
2.2.1 風力發(fā)電機的輸出效率
最理想的風力機也不可能吸收全部的風能，而只能吸收部分風能。如上一節(jié)推導的那樣，有一個最大風能利用系數(shù)。但是，風力機在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。實際風力機吸收的功率與理想風力機吸收的功率的比值叫做風力機的效率。用表示。另外還有傳動機構(gòu)的效率甲和發(fā)電機的效率等，所以實際風力發(fā)電機輸出的效率，可以表示為
2.2.2 工作風速與輸出功率
風力機啟動時，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風力機本身的傳動機構(gòu)摩擦阻力有關(guān)·因此風力機有一最低工作風速稱，只有風速大于時風力機才能工作。
當風速超過某一值的時候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強度)，風力機應該停止運轉(zhuǎn)，所以每一臺風力機都規(guī)定有最高風速，最高風速與風力機的設(shè)計強度有關(guān)，是設(shè)計時給定的參數(shù)。
最小風速稱，和最大風速之間的風速叫做風力機的工作風速，相應于工作風速風力機有功率輸出。當風力機的輸出功率達到標稱功率時的工作風速叫做該風力機的額定風速。
2.2.3 啟動風速和額定風速的選定
如何根據(jù)風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風速和額定風速是關(guān)鍵。
2.2.3.1 雙參數(shù)威布爾分布 風能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風能密度，設(shè)為空氣密度，v為風速，則風能密度p=0.5，隨v的立方增大，變化非?？?，故知道風速的變化情況是利用風能的先決條件。
風速V是隨機變量，經(jīng)研究專家們多認為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式
其中K為形狀參數(shù)，無量綱，C為尺度參數(shù)，量綱為m。不同地區(qū)，不同時期參數(shù)K、C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù)30年的風資料算出該地的K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖2-2。參數(shù)K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。
圖2-2 威布爾分布函數(shù)曲線
上式滿足
2.2.3.2 起動風速 啟動風速為風力機風輪由靜止開始轉(zhuǎn)動并能連續(xù)運轉(zhuǎn)的最小風速:風力機分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學地選擇適合當?shù)仫L能資源的風力機，才能以較少的投資獲取較多的風能。
根據(jù)國內(nèi)外100多種風力機，起動風速的范圍是2m，至6m，這一范圍能滿足風能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。
雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對應的凡就是起動風速(圖2-2)。對上式求一階導數(shù)且令其等于O有
解得
證明氣是出現(xiàn)概率最大的風速。使用起動力風速大于上式計算的氣的風力機會損失小風速這一區(qū)段的風能，使用起動風速小于上式計算的咋的風力機是否更好呢?表面看低風速的風能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風速區(qū)風能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風力機最為理想。
2.2.3.3 額定風速 額定風速的選定直接影響風能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟性，是風力發(fā)電機設(shè)計中的重要參數(shù)。
己知風能密度p=12，對一臺效率為，槳葉半徑為廠的風力機，輸出功率w(V)的威布爾分布函數(shù)為
w(V)峰值對應之風速應是額定風速，此時風力機提取的風能最多。
令
2.2.3.4 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關(guān)系 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關(guān)系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標表示輸出功率，單位為:w/;橫坐標表示風能，單位為:m/s)
A一理論風能曲線B一扣除空氣動力損失后的風力機吸收的功率
C一計算傳動損失和機械能轉(zhuǎn)換損失后的功率曲線
D一發(fā)電機實際輸出功率曲線
圖2一3 功率與風速的關(guān)系
2.3 風能利用與氣象
2.3.1 風的觀測對風能利用的意義
在前面已經(jīng)講述過，風能與風速的三次方成正比。所以，當風速測量有10%的誤差時，風力機輸出功率的誤差將擴大到33%。在風力機的設(shè)計中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經(jīng)濟損失。風速隨時間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風況并不是一件容易的事情。所以在風力機設(shè)計計劃中，對風的觀測非常受重視。
2.3.2 風能利用中需要的氣象調(diào)查
在風能利用中，需要進行四項氣象調(diào)查:
(l)風能密度調(diào)查 結(jié)合風能的地區(qū)分布和可設(shè)立風力機地區(qū)面積的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)對可利用的風能量進行估算。
(2)選定適合地點 在一年中，對通過強風場所的調(diào)查。
(3)風速的頻率分布調(diào)查 在風力機的設(shè)計中，為了估算平均出力和運轉(zhuǎn)時間等量，必須了解風力機軸高處的風況。
(4)為了風力機設(shè)計強度和安全系數(shù)的氣象調(diào)查 異常的強風出現(xiàn)的概率、風的不定向性以及突風程度，冰暴、鹽害等的調(diào)查。
2.4 風的觀測
風的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風能利用，通過對風的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風能大小，為風力機的設(shè)計和性能研究以及開發(fā)的經(jīng)濟性等提供條件。
風速的測量包括風向和風速的測量。因為風速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內(nèi)的風速大小的平均值和最長時間的風向。我國現(xiàn)行的風速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風速觀測。實際測量結(jié)果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風力發(fā)電機的設(shè)計中采用后一種測量方法得到的數(shù)據(jù)。
第三章 風力發(fā)電機方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 小型垂直式風力發(fā)電機方案設(shè)計
現(xiàn)在，各個發(fā)達國家均大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因為太陽能的設(shè)置地點較靈活，不會產(chǎn)生噪音，可以和建筑進行一體化設(shè)計。但是風力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機啟動風速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風力發(fā)電機放在人跡罕至的地方或風力較大的地方。設(shè)備也是往大型風力發(fā)電機發(fā)展，專門建設(shè)大型風力發(fā)電場，這樣，小型風力發(fā)電在相當長的時間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風力發(fā)電和建筑進行一體化設(shè)計，降低小型風力發(fā)電機噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質(zhì)量，已成為各個國家研究的焦點！
我設(shè)計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構(gòu)、離合裝置和發(fā)電機組成。如下圖所示：
漿 葉
固定架
變速箱
星形齒輪加速器
電磁離合器
發(fā)電機
整流器
蓄電池
逆變器
負 載
圖3-1小型垂直軸風力發(fā)電機框圖
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。
該新型垂直軸風力發(fā)電機的特點為：
1、 風力發(fā)電機功率 1KW；
2、 額定轉(zhuǎn)速600r/min；
該新型垂直軸風力發(fā)電機的優(yōu)點為：
１． 結(jié)構(gòu)簡單
２． 易維護
３． 運行平穩(wěn)安全
４． 抗強風能力強
５． 操作簡單
６． 價格低廉
3.2 風葉
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。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。
圖3-2 帆翼式
3.3 行星齒輪加速器設(shè)計計算
3.3.1 設(shè)計要求
設(shè)計壽命5年，單班，一年360天，中等傳動，傳動逆轉(zhuǎn)，齒輪對稱布置，不允許點蝕，無嚴重過載，閉式傳動。齒輪精度8-7-7，齒輪材料:20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo，氮化處理，硬度為Hv40O以上。
3.3.2 選加速器類型
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。在選擇行星齒輪時，我選擇NGW型星形齒輪加速器，因為這個型號的齒輪傳動效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件的特點。
輸入軸
輸出軸
R
S
C
P
圖3-3 NGW型行星齒輪加速器
3.3.3 確定行星輪數(shù)和齒數(shù)
在行星齒輪加速器中選擇行星輪數(shù)：=3
通過查表法確定了齒輪的齒數(shù)（機械手冊）：
總傳動比 i =5.4
太陽輪齒數(shù) =20
內(nèi)齒輪齒數(shù) =88
行星輪齒數(shù) =34
3.3.4 壓力角()的選擇
我們國家和許多國家都把齒輪的標準壓力角規(guī)定為，因此，本次設(shè)計的變速箱采用壓力角，以提高加工刀具的通用性。
3.3.5 齒寬系數(shù)的選擇
對于硬齒面齒輪的齒寬系數(shù)應小于軟齒面的齒寬系數(shù)。一般情況下，硬齒面值齒輪可取<0.7。齒寬系數(shù)小=(b/a)，一般可取0.4一0.8，常取0.6一0.7。
3.3.6 模數(shù)選擇
齒輪的模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的主要參數(shù)，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強度。設(shè)計變速箱選取模數(shù)的大小，主要與下列因素有關(guān):
1.齒輪上受力的大小，作用力大，模數(shù)也大。
2.與材料、加工質(zhì)量、熱處理質(zhì)量好壞有關(guān)。
對于模數(shù)(m)的確定，可以根據(jù)同類變速箱的統(tǒng)計，參考選擇。
下列為行星傳動變速箱模數(shù)統(tǒng)計表:
通過以上比較，我確定本次設(shè)計變速箱的模數(shù)為:2.5mm。
3.3.7 預設(shè)嚙合角 = =
3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計算
（1）計算未變位時的中心距
===67.5
（2）初算中心距變動系數(shù)
==
（3）計算中心距并取圓整值
a=m()=70
(4) 實際中心距變動系數(shù)
==0.75
（5）計算嚙合角
cos===0.912323, =
(6) 計算總變位系數(shù)
==（20+34）=0.827
（7）校核
介于p7及p8之間，有利于接觸強度及抗彎強度，所以可用
（8）分配變位系數(shù)
=0.437 =0.39
3.3.9 行星輪與內(nèi)齒輪之間的傳動計算
（1）計算未變位時的中心距
===67.5
(2) 計算中心距變動系數(shù)
==-0.25
（3）計算嚙合角
cos===0.9488, =
(4) 計算總變位系數(shù)
==（88-34）=-0.241
（5）分配變位系數(shù)
=+=-0.241 +0.39=0.149
3.3.10 行星排各零件轉(zhuǎn)速及扭矩的計算
因效率對強度校核的扭矩影響比較小，因而在下面的扭矩計算中不考慮效率的影響。對行星排各零件的扭矩進行計算。
:: = 1::(1+)=1:2.4545:-3.4545
因通過太陽輪輸出扭矩，風力發(fā)電機發(fā)電時發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩為2168(Nm)，故反方向計算，故太陽輪為輸入扭矩:
==2168(Nm)
風力發(fā)電機正常工作時的轉(zhuǎn)速為=1175（rpm）
太陽輪轉(zhuǎn)速 =1175（rpm）
行星輪轉(zhuǎn)速 ==1148（rpm）
3.3.11 行星排上各零件受力分析及計算
1．太陽輪受力如下
圓周力
根據(jù)公式 =
式中一作用在太陽輪上的扭矩=2168 (N·m)
一行星輪數(shù)目=3
一太陽輪分度圓直徑=74.25 (mm)
徑向力
根據(jù)公式 =
式中 一齒輪壓力角=
一分度圓上螺旋角=
=9733Xtg20o=3543(N)
2．行星輪P受力分析如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3．行星架C受力如下：
圓周力 =2=29733=19466(N)
徑向力 =0(N)
4．齒圈R受力如下：
圓周力 ==9733(N)
徑向力 ==3543(N)
3.3.12 行星齒輪傳動的強度校核計算
行星齒輪傳動中的齒輪計算方法主要是按照GB3480“漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法”計算，并考慮行星傳動的特點進行計算校核。
(l)彎曲疲勞強度校核
a.分度圓上的圓周力Ft
根據(jù)前面的計算結(jié)果，行星輪和齒圈上受力在前進二檔時最大，所受的圓周力均為Ft=13360(N)
b.齒寬計算
太陽輪與行星輪的齒寬分別為48mm、46mm；齒圈的齒寬為54mm
c.使用系數(shù) 查手冊得 =1.25
d.動載系數(shù)
太陽輪分度圓上的圓周速度，根據(jù)下列公式計算
=
式中 一太陽輪相對于行星架的圓周速度（m/s）
ds 一太陽輪分度圓直徑(mm) =148.5（mm）
一太陽輪轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =733(rpm)
一行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =-716(rpm)
一行星架轉(zhuǎn)數(shù)(rpm) =212(rpm)
代入公式 所以 ==4.05（m/s）
=1+（）=1.1（m/s）
同理可得 行星輪P ==4.06（m/s）
計算得 =1.10
齒圈R =
計算得 =1.114
e .齒間載荷分配系數(shù)、
因為 /b=3N/mm100N/mm 且為表面硬化的直齒輪。
所以 =1.2
f.齒向載荷分布系數(shù)
對于太陽輪、行星輪和齒圈，它們的齒輪寬度和行星齒輪的分度圓直徑比都小于1，則
g. 復合齒形系數(shù)
h. 重合度系數(shù)
因為 =1.47 =1.583
=0.25+
太陽輪與行星輪=0.76 行星輪與齒圈=0.724
i.螺旋角系數(shù) =1-
因為=0 所以
j.彎曲應力
由公式：=
=1.251.11.214.00.7611.15=356.78(MPa)
=1.251.11.213.90.72411.15=367.6(MPa)
=1.251.11.214.00.72411.15=364.6(MPa)
k. 彎曲疲勞強度的壽命系數(shù)
=60rnt>3 所以 ===1
取=380M
l. 相對齒根的圓角敏感系數(shù)
查表得 太陽輪、行星輪、齒圈的敏感系數(shù)均為=1
m. 相對齒根表面狀況系數(shù)
查表得 =0.9
n.應力修正系數(shù) =2
o.齒輪的彎曲疲勞極限
由公式 =
=46012110.9=828（M）
=32212110.9=579.6（M）
=38012110.9=684（M）
安全系數(shù)S
===2.32
===1.57
===1.87
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.5 從而可看出：
〉 〉 〉
所以彎曲強度校核通過。
（2） 接觸疲勞強度校核
a. 接觸強度的齒間載荷分配系數(shù)
太陽輪與行星輪嚙合時總重合度1.47 查表得 =1.2
齒圈與行星輪嚙合時的總重合度1.583 查表得 =1.2
b.節(jié)點區(qū)域系數(shù)
計算=
得=2.3186
c.彈性系數(shù)
可由公式=
得太陽輪與行星輪嚙合時==0.918
齒圈與行星輪嚙合時==0.8975
d.接觸疲勞強度極限
太陽輪與行星輪是合金鋼滲碳處理，取1500M
齒圈是合金鋼氮化處理，取1200M
e.壽命系數(shù)
=60rnt>5 所以 ===1
f.潤膜影響系數(shù)太陽輪和行星輪為8級精度，齒圈為9級精度，選用=115/s的礦物油，則查表得：太陽輪和行星輪為=0.9，齒圈為=0.8
g.齒面工作硬化系數(shù)=1
h.尺寸系數(shù)=1
i.齒輪的接觸疲勞極限
由公式=
=150010.911=1350M
=150010.911=1350M
=150010.811=9600M
j.安全系數(shù)S
===1.05
===1.05
===1.47
按具有高可靠性要求取最小安全系數(shù)=1.0從而看出齒輪滿足使用要求。
3.4 電磁離合器設(shè)計計算
3.4.1 選型
為滿足風力發(fā)電機工作環(huán)境的需要，在風力發(fā)電系統(tǒng)中我選擇牙嵌式電磁離合器，因為牙嵌式電磁離合器有外形尺寸小，傳遞轉(zhuǎn)矩大，無空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，無摩擦發(fā)熱，無磨損，不需調(diào)節(jié)，傳動比恒定無滑差，使用壽命長，脫開快，干、濕兩用的特點。（電源為12v直流電）
3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性
如圖所示，通電后，當激磁電流按指數(shù)曲線上升時，由于銜鐵被吸引，線圈中電感增大，引起電流第一次短時間下降，以后還會由于銜鐵吸引后尚不能起動負載轉(zhuǎn)矩，出現(xiàn)牙間嵌合、脫開和再嵌合的滑跳現(xiàn)象，致使電流發(fā)生多次跳動，直到能帶動負載轉(zhuǎn)矩時才趨向穩(wěn)定。對于靜態(tài)接合，起動時間的長短主要與銜鐵吸引時間有關(guān)，而對動態(tài)起動，則與相對轉(zhuǎn)速、負載特性、負載的增加情況以及牙的相對位置等因素有關(guān)。離合器的脫開時間就是從切斷激磁電流開始到牙完全脫開嵌合，傳遞力矩消失所經(jīng)歷的時間，此時電流也按指數(shù)曲線衰減。
3.4.3 離合器的計算轉(zhuǎn)矩
式中 T-離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩，它包括工作轉(zhuǎn)矩和起動的慣性轉(zhuǎn)矩 T=2168（Nm）；
K-工作情況系數(shù) K=1.5
所以 1.5 2168=3252（Nm）
3.4.4 離合器的外徑
=133
3.4.5 離合器牙間的壓緊力
Q
式中 -牙形角， =
-摩擦角， =
-牙的平均直徑
-銜鐵摩擦面的摩擦系數(shù)
-銜鐵導向孔直徑
-彈簧推力，=40
3.4.6 線圈槽高度
=20mm
式中 -線圈槽高度比， =5
-傳熱系數(shù)，=11
-填充系數(shù)， =0.6
-電阻系數(shù)，=0.017
3.4.7 磁軛底部厚度
==4mm
3.4.8 銜鐵厚度
=8mm
一般取余量 =4
4 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
4.1 傳動軸的設(shè)計
主傳動軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強度估算主軸最小直徑：
（4.8）
其中A為系數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》選??；d為軸端直徑，mm；n為軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；
查閱《機械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19》得45鋼的A值取110，已知功率為1KW，主軸額定轉(zhuǎn)速n為600轉(zhuǎn)/min。代入式(4.8)后得到
d=C= 110X=13.04472mm （4.9）
按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算直徑：
（4.10）
其中B為系數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20》選取，查閱《機械設(shè)計手冊單行-本軸承及其連接表5-1-20》得一般傳動時B值取91.5，已知功率為1kW，主軸額定轉(zhuǎn)速n為600轉(zhuǎn)/min,代入式(4.10)后得到
d=B=20.55MM （4.11）
如果截面上有鍵槽時，應將求得的軸徑增大，其增大值見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接》表5-1-22，增大值應選7%，最后得出的最小外徑d=21.5mm。為了安全，我們選擇的軸外徑為d=30mm，內(nèi)徑d1=18mm，采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，主軸如圖4-2所示。
圖4-2 主軸示意圖
校核主軸安全系數(shù)，主軸轉(zhuǎn)矩為
（4.12）
只考慮扭拒作用時的安全系數(shù)為
（4.13）
其中為對稱循環(huán)應力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，Mpa，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-1》，；為扭轉(zhuǎn)時的有效應力集中系數(shù)，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-30～表5-1-32》，；為表面質(zhì)量系數(shù)，一般用《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-36》；軸表面強化處理后用《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-38》；有腐蝕情況時用《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35》或《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-37》，；為扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-34》，；、為扭轉(zhuǎn)應力的應力幅和平均應力，Mpa見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-25》，；為材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù)，見《機械設(shè)計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33》，。
將各數(shù)據(jù)代入公式后得
根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼，要求查《機械設(shè)計手冊》（機工版）第2版第19篇第5章得安全系數(shù)為5.0，因此設(shè)計的主軸滿足要求。
4. 2 軸承的計算及選型
由于風力機不僅承受風輪的扭矩，而且要承受氣流方向的一定彎矩，角接觸球軸承不僅能夠承徑向力，同時能夠承受一定的徑向載荷，因此在主軸上安裝兩個角接觸球軸承。
1．角接觸球軸承1的選用計算
角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。
角接觸球軸承
圖4-3 軸承1的安裝位置
軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇角接觸球軸承36000型新代號7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動時有可能產(chǎn)生徑向載荷，軸承1參數(shù)如表4.2所示。
孔徑d
外徑D
軸承代號
極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）
額定動負荷
額定靜負荷
重量
30mm
55mm
7006C
9500
11.65kN
8.49kN
0.11kg
表4.2 軸承1參數(shù)
軸向載荷：
徑向載荷按照最不利狀況計算，根據(jù)伯努利方程，氣流作用在葉片上的壓力為：
（4.14）
作用在4個葉片上的總力為
（4.15）
由《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時, 軸承當量動載荷的計算公式為
（4.16）
式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查《機械設(shè)計手冊表28·3-2》得：因為
所以應該選擇X=0.44，Y=1.47，代入式子得到
軸承基本額定動載荷按如下公式計算：
式中：為基本額定動載荷計算值，N；為速度因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-9》選取5.85；為力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時取1.5，較大時取2，這里選取2；為沖擊載荷因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；為溫度因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；為壽命因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-8》選取0.405；為當量動載荷。
將各個數(shù)據(jù)代入式（4.13）得：
故選用此軸承能夠滿足額定載荷的要求。
2．角接觸球軸承2的選用計算
角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。
軸承
圖4-4 軸承2安裝位置
按照《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-82》選擇軸承型號36105（新型號7005C），參數(shù)如表4.3所示。
孔徑d
外徑D
軸承代號
極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）
額定動負荷
額定靜負荷
重量
25mm
47mm
7006C
12000
9.38kN
7.73kN
0.074kg
表4.3 軸承2參數(shù)
按照軸承1校核公式（4.15）對軸承進行校核：
軸承當量動載荷按公式（4.16）得：
式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查《機械設(shè)計手冊表28·3-2》得：因為
所以應該選擇X=0.44，Y=1.40，代入公式（4.16）得到
由《機械設(shè)計基礎(chǔ)（第五版）公式16-3》計算軸承壽命：
（4.17）
式中：為溫度因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-11》選取1；為沖擊載荷因數(shù)，按《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-10》選取1.2；C為額定動載荷，C=9.38kN；N為主軸額定轉(zhuǎn)速，n=400r/min；為壽命指數(shù)，對于球軸承取3。
將各數(shù)據(jù)代入式子后得
由《機械設(shè)計手冊單行本-軸承表6-2-12》推薦使用壽命為100000小時,所以可以滿足使用要求。
主軸與發(fā)電機之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進行連接，如圖4-5所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。
圖4-5 圓錐銷套筒聯(lián)軸器
結(jié)束語
本論文在理論方面通過模型論證了實際應用的可行性、可靠性，為該類型風力發(fā)電機的設(shè)計和商品生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。但是，在機械部件方面沒有模型，沒有進行實踐驗證，所以這個設(shè)計還存在很大的不足之處。希望以后做出機械模型，進行測量、計算從而逐步完善該型風力發(fā)電機。
致謝
本論文是在導師教授的親切關(guān)懷和精心指導下完成的。在接受老師指導的時間里，他那淵博的知識，縝密的邏輯，活躍的思維，敏銳的洞察力，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及民主的作風給我留下了深刻的印象，為我開闊了視野，豐富了學識，并將受益終身。至此論文完成之際，對老師曾經(jīng)給予的學術(shù)上的指導，生活上的關(guān)心和幫助致以最誠摯的謝意!
感謝同學和朋友們的大力支持和幫助!
最后，衷心感謝機電工程系全體老師的辛勤培養(yǎng)和教誨!
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