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摘要：本文介绍小型家用立轴风力发电机的设计背景及重要意义，进行了传动方案设计、结构设计及关键零部件的强度校核。
关键词：风力;发电机;立轴
0引言
随着全球能源危机、环境问题的不断凸显，越来越多的国家及地区开始重视风电的开发与利用。风能作为一种清洁能源，具有蕴藏量丰富、可再生、分布广、无污染等特性，使之成为可再生能源发展的重要方向。
相比大型风力发电机组，小型风力发电机组系统简单、体型小、可靠性更高，并能在低风甚至无风的情况下继续工作，是山区、牧区、农村等偏远地区可靠的供电途径，解决当地用户用电需求。在中国大部分的区域，小型风力发电机特别适合在平均风速为3m/s缺电的山区和偏远地区。小型风力发电机仅使用有限的材料和较少的土地，滿足了居民的电力需求，改善了农村的生活条件，缩小了城乡差距。随着国家不断出台相关扶植政策，小型家用风力发电机作为分布式电源的一种，以其小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电模式成为一种新型的、具有广阔发展前景的发电方式和能源综合利用方式。
1 立轴风力发电机传动方案设计
通过研究小型家用立轴发电机组的适用环境，探讨立轴风机的结构和特点，分析该风机在一定速度的风流中综合受力情况和风轮转矩的变化情况，提出一种新型家用立轴风机结构。
本设计为一种小型家用立轴风力发电机组，由风轮、发电机、调向器、塔架、限速安全机构储能装置和逆变器等构件组成。结构简单，体积小，故障率低，维护方便;能够解决农村、牧区、山区用户用电需求，具有广阔发展前景。
2 结构设计及关键零部件强度校核
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。
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。由于其制造简单，成本低，性能好，所以适于推广使用。
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。行星传动是风电齿轮箱中较为常见的传动方案。其优点主要有结构简单，体积较小，重量比较轻，传动比大可实现运动的合成和分解，效率较高，功率损失小，齿轮传动稳定，抗冲击振动能力强。根据所提供的参数，经过方案的对比，选择一级行星传动+两级平行轴传动的方案。确认其传动方案后，进行对齿轮箱太阳轮，行星轮和平行轴齿轮的相关设计和材料的选择，对各个齿轮进行几何尺寸设计和主要参数进行一系列计算，并对其校核，对齿轮箱进行润滑和密封选择，从而完成增速箱结构设计。
由于风力发电机组工作环境恶劣，受力情况复杂，所以对所选的材料除了要满足机械强度的条件外，还应该考虑在温差较大和恶劣环境的条件下，材料所具有的特性选择合适的材料。综合考虑选择球磨铸铁作为齿轮箱的箱体，其他箱体部分材料选择QT600-2，轴承座的箱体的材料选择40Cr。选择太阳轮和行星轮的材料为18CrNiMo7。
3 结论
针对山区、牧区、农村等偏远地区用户可靠用电的需求，设计了一种新型的小型家用风力发电机组。研究小型家用发电机组的适用环境，分析该风机在风流中综合受力情况和风轮转矩的变化情况，提出一种新型家用立轴风机结构，并完成了相关零部件的强度校核计算。
参考文献
[1]赵昕，金越，石宇，秦龙，孙玲玲.基于Flowmaster软件的风电齿轮箱润滑系统研究[J].机械传动，2018，42（01）：37-40+46.
[2]金伟，洪荣晶.风电齿轮箱行星轮系参数优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2018（01）：129-131+134.
[3]张立勇，王长路，刘法根.风力发电及风电齿轮箱概述[J].机械传动，2018，32（06）：1-4+130.
基金项目：大连科技学院大学生创新创业训练计划项目（X202013207101），小型家用立轴风力发电机
作者简介：赵昕（1987-），女，辽宁省大连市，大连科技学院，副教授，研究方向风电齿轮箱、激光焊接工艺。
大连科技学院机械工程学院，辽宁大连 116052
关键词：风力;发电机;立轴
0引言
随着全球能源危机、环境问题的不断凸显，越来越多的国家及地区开始重视风电的开发与利用。风能作为一种清洁能源，具有蕴藏量丰富、可再生、分布广、无污染等特性，使之成为可再生能源发展的重要方向。
相比大型风力发电机组，小型风力发电机组系统简单、体型小、可靠性更高，并能在低风甚至无风的情况下继续工作，是山区、牧区、农村等偏远地区可靠的供电途径，解决当地用户用电需求。在中国大部分的区域，小型风力发电机特别适合在平均风速为3m/s缺电的山区和偏远地区。小型风力发电机仅使用有限的材料和较少的土地，滿足了居民的电力需求，改善了农村的生活条件，缩小了城乡差距。随着国家不断出台相关扶植政策，小型家用风力发电机作为分布式电源的一种，以其小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电模式成为一种新型的、具有广阔发展前景的发电方式和能源综合利用方式。
1 立轴风力发电机传动方案设计
通过研究小型家用立轴发电机组的适用环境，探讨立轴风机的结构和特点，分析该风机在一定速度的风流中综合受力情况和风轮转矩的变化情况，提出一种新型家用立轴风机结构。
本设计为一种小型家用立轴风力发电机组，由风轮、发电机、调向器、塔架、限速安全机构储能装置和逆变器等构件组成。结构简单，体积小，故障率低，维护方便;能够解决农村、牧区、山区用户用电需求，具有广阔发展前景。
2 结构设计及关键零部件强度校核
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。
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。由于其制造简单，成本低，性能好，所以适于推广使用。
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。行星传动是风电齿轮箱中较为常见的传动方案。其优点主要有结构简单，体积较小，重量比较轻，传动比大可实现运动的合成和分解，效率较高，功率损失小，齿轮传动稳定，抗冲击振动能力强。根据所提供的参数，经过方案的对比，选择一级行星传动+两级平行轴传动的方案。确认其传动方案后，进行对齿轮箱太阳轮，行星轮和平行轴齿轮的相关设计和材料的选择，对各个齿轮进行几何尺寸设计和主要参数进行一系列计算，并对其校核，对齿轮箱进行润滑和密封选择，从而完成增速箱结构设计。
由于风力发电机组工作环境恶劣，受力情况复杂，所以对所选的材料除了要满足机械强度的条件外，还应该考虑在温差较大和恶劣环境的条件下，材料所具有的特性选择合适的材料。综合考虑选择球磨铸铁作为齿轮箱的箱体，其他箱体部分材料选择QT600-2，轴承座的箱体的材料选择40Cr。选择太阳轮和行星轮的材料为18CrNiMo7。
3 结论
针对山区、牧区、农村等偏远地区用户可靠用电的需求，设计了一种新型的小型家用风力发电机组。研究小型家用发电机组的适用环境，分析该风机在风流中综合受力情况和风轮转矩的变化情况，提出一种新型家用立轴风机结构，并完成了相关零部件的强度校核计算。
参考文献
[1]赵昕，金越，石宇，秦龙，孙玲玲.基于Flowmaster软件的风电齿轮箱润滑系统研究[J].机械传动，2018，42（01）：37-40+46.
[2]金伟，洪荣晶.风电齿轮箱行星轮系参数优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2018（01）：129-131+134.
[3]张立勇，王长路，刘法根.风力发电及风电齿轮箱概述[J].机械传动，2018，32（06）：1-4+130.
基金项目：大连科技学院大学生创新创业训练计划项目（X202013207101），小型家用立轴风力发电机
作者简介：赵昕（1987-），女，辽宁省大连市，大连科技学院，副教授，研究方向风电齿轮箱、激光焊接工艺。
大连科技学院机械工程学院，辽宁大连 116052