本科論文目錄20507摘要 126275Abstract 25777引言 354141緒論 4295601.1風力發電機研究目的和意義 4314231.2風力發電機在國內外現狀及分析 4114941.3主要解決問題 5292921.4風力發電期望 6128262齒輪傳動系統相關參數計算 855732.1風能相關計算公式 8185132.2增速齒輪相關參數計算 1317772.3軸承的壽命計算 17152242.4鍵的計算 19130863風力發電機的方案設計 2064433.1軸向選擇 2066493.2風輪裝置設計 20288923.3增速齒輪箱的設計 24188783.4框架的設計 29107853.5發電機主體設計 33319514三維模型渲染 3519059結論 3727889參考文獻 393557致謝 41本科論文摘要近年來伴隨著環境問題的日趨嚴重，廉價且環保的清潔能源逐漸成為人們關注的焦點，而想要更好的利用清潔能源就要進行許多跨領域的合作，風力發電技術正是多領域合作催生的產物，與此同時，風力發電機也應孕而生。

本文選取了一種小型垂直軸風力發電機作為主要研究對象，其主要工作原理是通過風輪裝置的旋轉帶動發電機運轉，實現由風能向電能的轉化，從而讓居住在偏遠山區或者臨時搭建房屋的人們同樣能夠方便用電。

本文在進行基礎計算的同時也考慮到使用者的舒適度，在查閱了人體工程學相關資料后對整體尺寸，材料和顏色做了調整；同時在槳葉設計方面采用了蝴蝶翅膀的仿生形態，5片槳葉互成角度，具有折疊單元，實用且不失美感。關鍵詞：風力發電機；傳動系統；方案設計；三維建模AbstractInrecentyears,withtheincreasinglyseriousenvironmentalproblems,thecheapandenvironmentalcleanenergyhasbecomethefocusofattention,andtomakebetteruseofcleanenergyrequiresalotofcross-sectoralcooperation,windpowertechnologyistheproductofmulti-fieldcooperation.Atthesametime,windturbinesarealsoborn.Thisarticleselectsasmallverticalaxiswindturbineasthemainresearchobject.Itsmainworkingprincipleistodrivethegeneratortorotatethroughtherotationofthewindwheeldevicetoachievetheconversionofwindenergyintoelectricalenergy.Sothatpeoplelivinginremotemountainareasortemporaryhousingcanalsobeeasyaccesstoelectricity.

Thisarticlealsotakesintoaccounttheuser'scomfortwhileperformingbasiccalculations.Afterconsultingtheergonomics-relateddata,theoverallsize,materialandcolorareadjusted.Atthesametime,thebionicformofbutterflywingsisusedinthebladedesign.The5bladesareatanangletoeachother,withafoldingunit,practicalandwithoutlosingbeauty.Keywords:WindTurbine；Transmissionsystem；schematicdesign；Three-dimensionalModeling引言早在20世紀70年代，小型風力發電技術在我國風能資源豐富的內蒙古、新疆等地就得到了發展,最初小型風力發電技術被廣泛應用在“光明工程”和“送電到鄉”項目中，用于為農牧民解決家庭或村落基本的生活用電問題[2]。隨著小型風力發電技術的完善與發展，我國小型風力發電機組不僅可以單獨應用，還能與光伏發電互補應用，被廣泛應用于離網供電系統[2]。近年來，我國小型風力發電設備出口量穩步增長，小型風力發電技術和可再生能源離網互補技術已躍居國際領先地位[2]。除了規模型的大型風力發電場，離網型的小型風力發電也是我國風力發電產業發展的重要方向。為全面推動經濟社會發展，部分仍存在缺電、無電居民的地區加快了發展小型風力發電的步伐，政府加大了解決邊遠地區群眾用電難問題的投資力度,有力推動了小型風力發電產業的進一步發展[5]。小型風力發電具有適用的氣候條件廣泛、適宜安裝的地域廣闊等特點[5]。發展小型風力發電場，省去了鋪設電纜、挖掘地基和長時間建設等投資費用，尤其在廣大無電地區以及通信、工業控制等領域，相對于常規電力市場優勢明顯[5]。我國風力發電等新能源發電行業的發展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持快速發展。隨著我國風力發電設備的國產化，以及風/光互補發電系統等新型技術的日漸成熟，小型風力發電的成本有望再降,經濟效益和社會效益不斷提升,小型風力發電市場潛力巨大[7]。小型風力發電機組相關設備制造和新技術研發得到重視和發展，風/光互補路燈、風能海水淡化等領域成為新的應用熱點，市場前景看好[7]。

當然，垂直軸風力發電機還有一些難以實現的技術問題，本文將對傳統的垂直軸進行總結和歸納，并在此基礎上進行創新與優化。希望在未來的某一天，垂直軸風力發電機能夠在市場占有一席之地。1緒論1.1風力發電機研究目的和意義為了滿足工業生產和日常生活，世界各國對能源的需求與日俱增，再加上煤、石油、天然氣等常規能源的逐漸枯竭，人們開始尋找各類可再生能源的蹤跡。其中，風能因其獲取途徑簡單且經濟環保等特點深受人們的青睞。

我國是一個人口眾多、資源相對匱乏的國家，在這個能源稀缺的時代，大力發展風力發電技術是解決此問題的不二之選。此舉可以優化中國的能源消費結構，減少對進口石油能源的依賴，無論對經濟發展還是環境保護都具有十分重要的戰略意義。圖1.1風力發電機組1.2風力發電機在國內外現狀及分析1987年，對于世界風力發電技術而言是一個重要的時間節點，這一年美國研制的功率為3.2兆瓦的水平軸風力發電機組在夏威夷群島上安家；同年，加拿大研制的功率為4.0兆瓦的立軸達里厄風力發電機組在魁北克省拔地而起。一些歐洲國家也不甘示弱，相繼研制出單機功率在100千瓦以上的水平軸風力發電機組。

據統計，世界發電機總發電量在1997年年底為746萬千瓦，在2000年年底為1845萬千瓦，在2002年年底更是達到了3112萬千瓦，平均年增長率在30%以上；按照這種發展速度，預計到今年年底，總發電量將超過1億千瓦。圖1.2風力發電機葉片中國對風力發電技術的探索相對較晚，但是在借鑒他國經驗的基礎上進行了積極的自主創新，發展較為迅速。目前我國的重點研究對象主要有二，一是1千瓦及以下獨立運行的小型風力發電機組，二是100千瓦及以上并網運行的大型風力發電機組。

我國的風力發電場建設要追溯到20世紀80年代，截止2001年年底，我國共建成并投入使用27座風電場，風力發電機保有量達到812臺，共累計發電約40萬千瓦。這一數字還在逐年遞增，相信在不久的將來，我國將發展成為風力發電大國。1.3主要解決問題有無良好的風力發電系統是衡量一個風電場是否符合標準的重要因素，風力發電系統的好壞直接影響著風力發電機的性能、效率以及供電質量，同時也間接影響著工作方式和零部件結構。因此，研制出發電效率高、供電性能好且控制方便的風力發電系統成為本文的主要解決問題。圖1.3一種垂直軸風力發電機1.4風力發電期望目前，風力發電技術正處于不斷發展的階段，其主要成果體現在單機發電量的逐漸增加，現在世界主流的發電機租發電功率最高可達750千瓦。而隨著葉片長度的不斷增加，傳統的材料開始暴露出各種問題，這無疑催生了許多新型復合材料和新的技術。目前已知葉片長度可達50米，葉片材料采用質量較輕、強度較高的碳纖維材質。

早期的風力發電機葉片設計靈感來源于直升機的螺旋槳，但是后來經過相關實驗驗證:兩者處于不同的空氣動力環境，所以現在市場上常見的風力發電機都是經過相關改進的。近些年，美國的可再生能源實驗室就研發了一種新型葉片，其風能捕捉率要比早期的風力發電機高20%左右。在大中型風力發電機組的設計中往往采用更高的塔架以提高風能利用率。相關實驗表明:在50米高空捕捉的風能要比30米處多20％左右。隨著電力電子技術的發展，一種變速風力發電機組應孕而生，這種新型發電機組取消了沉重的增速齒輪箱，從而達到了傳統風力發電機無法企及的高度。這種風力發電機的軸直接在風力發電機組的軸上，其內部轉子的轉速隨著風阻的改變而產生相應變化，所以產生交流電的頻率也就隨之變化，產生的交流電經過大功率的電子轉換器整流成為直流電，最好再逆變成為與國家電網匹配的交流電并源源不斷地輸送給千家萬戶。由此可見風力發電的未來發展趨勢主要集中在:合理選擇風電場的建設位置，優化風力發電機組的整體布局，研制風能利用率更高的新型風力發電機以及降低設備的制造成本等方面。圖1.4新型變速風力發電機組2齒輪傳動系統相關參數計算2.1風能相關計算公式風能利用系數風力發電機從風中獲取能量的能力用風能利用系數CP表示。橫截面積為s(m2)的氣體流動所產生的的動能為:（2-1）式中ρ為空氣密度，單位是為風速，單位是m/s如果風力發電機的實際功率為P,那么風能利用系數為:（2-2）風壓強處在風中物體受到的風壓Q為:（2-3）式中為空氣阻力系數，與迎風物體形狀有關，截面一般取2為風與截面之間的相對速度風力發電機的最大效率建立一個如下圖所示的物理模型，截面a在風的作用下自左向右運動，假設截面左側一段距離的風速為Vf，截面所處位置的運動速度為V，那么風對截面做工的功率可以表示為。式中F為截面受到風的作用力，單位是NS為截面的表面積，單位是m2圖2.1截面物理模型所以:（2-4）截面的運動速度V為函數變量的功率變化關系式，并對V進行微分。令，可以得到兩個解：其中時沒有物理意義對應著函數的最大值（2-5）從上式可以看出，提高風力發電機效率的唯一辦法是提高阻力系數。風力發電機的輸出功率常規的風力發電機只能獲取部分風能，一般用風能利用系數來表示。此外，風力發電機在制做過程中，由于加工的偏差和外界因素的影響，無法達到理想的形狀。風力發電機實際獲取的功率與理想功率的比值叫做風力發電機的效率，用表示。同理傳動機構的效率和發電機的效率也存在與上述情況類似的損耗，所以風力發電機輸出的實際功率可表示為:工作風速與輸出功率當工作風速達到某一數值的時候，出于安全考慮，風力發電機將被強制采取剎車措施，此時風力發電機的工作風速為Vfmax，這一風速也被稱為最高風速，Vfmax是風力發電機的一項重要設計參數。介于最小風速Vfmin，和最大風速Vfmax之間的風速叫做風力發電機機的工作風速，在此期間工作風速對應的功率稱為輸出功率。啟動風速和額定風速的計算因為每個地區的風力資源存在差異，所以在選用風力發電機時要進行一定的參數計算，其中啟動風速和額定風速就是衡量風力發電機是否與當地風力資源相匹配的重要參數。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ρ為空氣密度，v為風速，則風能密度p=0.5ρv3，p隨v的立方增大，其變化會越來越快[10]。故知道風速的變化情況是利用風能的基礎。風速v是隨機變量，現多認為用雙參數威布爾概率密度函數擬合風速頻率分布比較直觀[10]。威布爾分布函數如下所示:其中K為形狀參數，無單位，C為尺度參數，單位是ms-1。不同地區，不同時期K、C的數值均有所不同，可根據某地連續30年的風力資料算出該地的K、C數值，其威布爾分布函數曲線如圖2.2所示。圖2.2威布爾分布函數曲線上式滿足威布爾概率累積函數g（V）為：風速V的概率Q（V）為：(2-6)啟動風速:風力發電機按軸向可分為水平軸和垂直軸兩大類，其中每一類又可分為很多不同種類的形式，每種形式又可以細化為不同規格的風力發電機，只有選擇了適合一個地區的風力發電機，才能使經濟效益達到最大化。通過研究對比國內外100多種風力發電機的啟動風速可知：啟動風速的范圍由2ms-1一直延伸到6ms-1，這一范圍基本能夠滿足我國大多數地區對于風力發電的需要。雙參數威布爾分布函數曲線峰值對應的參數就是啟動風速。對上式求一階導數且令其等于零，則有:因為,所以：解得：(2-7)額定風速:額定風速的選定直接影響到風力發電機的工作效率及實用性，是風力發電機設計設計過程中的重要參數。己知風能密度，對一臺效率為，槳葉半徑為r的風力機，輸出功率W的威布爾分布函數為:W的峰值對應的風速應是額定風速，此時風力發電機獲取的風能達到最大值: (2-8)風力發電機的工作風速、輸出功率與風能的關系風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系可以簡單地如圖2.3來表示(注:圖中縱坐標表示輸出功率，單位為:w/m2;橫坐標表示風能，單位為:m/s)圖2.3功率與風速的關系2.2增速齒輪相關參數計算通過增速齒輪一和齒輪二嚙合計算：小齒輪40Cr（調質），硬度280HBS，大齒輪45鋼（調質），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。由《機械設計》[20]表10-4（P196）選擇齒輪精度為8級。取太陽輪齒數=12，則行星輪齒數=i=30，取=30。按齒面接觸疲勞強度設計：由《機械設計》[20]公式10-11（P203）進行試算：（2-9）其中試選小齒輪傳遞的轉矩：由《機械設計》[20]表10-7（P206），選取齒寬系數由《機械設計》[20]圖10-20（P203），選取區域系數由《機械設計》[20]表10-5（P202），得材料的彈性影響系數由《機械設計》[20]圖10-25（P211），按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限計算的壽命系數（以工作壽命10年，每年工作300天，每天8小時設計）：太陽輪應力循環系數：行星輪應力循環系數：由《機械設計》[20]圖10-23（P208）查得按接觸疲勞疲勞壽命系數，，取失效概率為，安全系數，由《機械設計》[20]式10-14（P207）得取和中的較小者作為該齒輪的接觸疲勞許用應力，即計算齒輪分度圓直徑（2-10）計算圓周速度：模數：齒寬：取=1.45,，齒寬應為整數b=400mm。齒高：h=2.25mt=2.25x22.91=51.55mm高寬比：計算載荷系數根據V=1.72m/s，查《機械設計》[20]圖10-8（P194），得動載系數。由《機械設計》[20]表10-3（P195），得直齒輪。由《機械設計》[20]表10-2（P192），得。由《機械設計》[20]表10-4（P196），得7級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時。由齒寬與齒高比2.136及,查《機械設計》中圖10-13（P197）得。所以載荷系數為按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，查《機械設計》[20]公式10-12（P204）得計算模數：齒根彎曲疲勞強度校核：試算模數，由《機械設計》[20]式10-7（P200）（2-11）由《機械設計》[20]得小齒輪彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限；由《機械設計》[20]圖10-22（P208）取彎曲疲勞壽命系數,；計算彎曲疲勞許用應力，取彎曲疲勞安全系數S=1.4，由《機械設計》[20]中公式10-14(P207)得計算載荷系數：由《機械設計》[20]圖10-17（P200）取齒形系數：,由《機械設計》[20]圖10-18（P201）取應力修正系數：,故，小齒輪大齒輪，大齒輪的值大故載荷系數計算齒輪模數，查《機械設計》公式10-13（P204)得（2-12）查閱模數表并就近圓整為標準值m=25,按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑d1=300算出小齒輪齒數：行星齒輪齒數：故增速齒輪一的模數為27、齒數為26，增速齒輪二的小齒輪模數為27、齒數為12；同理可計算得出增速齒輪二的大齒輪模數為25、齒數為30，增速齒輪三的模數為25、齒數為12。通過增速齒輪二和齒輪三嚙合計算：圓周速度:齒寬:齒高h:h=2.25mt=2.25x25=56.25mm高寬比:計算分度圓直徑:計算中心距:計算齒輪寬度:所以取太陽輪齒輪齒寬：=400mm行星齒輪齒寬：=300mm經整理，齒輪傳動部分的設計參數見表2.1所示：表2.1齒輪傳動設計參數表參數齒數Z模數m/(mm)分度圓直徑d/(mm)齒寬b/(mm)傳動比太陽齒輪12253004002.5行星齒輪30257503002.52.3軸承的壽命計算軸承的選擇軸承選擇深溝球軸承，軸承型號為6208。軸承的壽命驗算由于轉速小有較小軸向力，故選用球軸由《機械設計課程設計》[19]查得6208軸承：=19.8kN=13.5kN計算兩軸承受到的徑向載荷由軸的受力分析可知，兩軸承所受的徑向載荷分別為由前面計算得知：FNV1=202.72NFNH1=986.43NFNH2=962.3NFNV2=476.5N計算兩軸承所受到的軸向力查《機械設計與制造基礎》[15]表15-5得，深溝球軸承的型號為6208，Y=1.6，則由徑向力產生的派生軸向力分別為兩派生軸向力的方向見下圖 故軸左移，2端壓緊，1端放松，則兩軸承的軸向力分別為求軸承的當量動載荷由《機械設計與制造基礎》[15]表15-5得，軸承座的型號為6208，e=0.37由《機械設計與制造基礎》[15]表13-6，取載荷系數，則軸承的當量動載荷為因為所以按P2計算軸承的壽命預期壽命:49756.8h＞43800h，壽命符合要求。2.4鍵的計算普通平鍵的主要失效形式是鍵，鍵是軸和齒輪、鍵三個零件中較弱零件的壓潰。由于軸材料是鋼，許用擠壓應力由《機械設計》[20]表2-4查得：=0.8=0.8*290=232MPa。鍵與軸和減速器鏈接，故可以選擇圓頭平鍵A型。由于軸的直徑為40mm,通過查詢《機械設計》[20]得鍵的尺寸為12x8，因齒輪的寬長為300mm，故鍵的長度為280mm。鍵的工作長度：=-=280-12=268mm.由《機械設計》[20]式2-35得：==所以符合設計標準。3風力發電機的方案設計3.1軸向選擇風力發電機一般可分為兩類：水平軸風力發電機與垂直軸風力發電機。如今市面上比較常見的是水平軸風力發電機，但隨著時代的發展、科技的進步，越來越多科研人員把研究重點放在垂直軸風力發電機身上，為了確定最終的設計方向，我們將兩者進行簡單的比較，詳情見表3.1：表3.1兩種軸向發電機性能對比軸向類型性能對比水平軸風力發電機垂直軸風力發電機風能利用率風能利用率較低風能利用率較高啟動風速啟動風速較高啟動風速較低制造成本制造成本較高制造成本較低后期維護機架高、維護費用高維護費用相對較低發電功率是否穩定較為穩定不穩定通過分析比較兩種軸向發電機的性能可得：垂直軸風力發電機的風能利用率要優于水平軸，制造成本也比垂直軸要低，因此軸向類型初步擬定為垂直軸。3.2風輪裝置設計垂直軸風力發電機的特點是葉片與主軸處于同一水平面，且垂直于地面，正是這一特點使得風力發電機的葉片能夠與空氣充分接觸。與傳統的水平軸風力發電機相比，垂直軸取消了高高的支架，所以無論在安裝還是維護方面，都要比水平軸方便的多；再加之其無需安裝像水平軸那樣的迎風裝置，所以科研人員把更多的精力放在了風輪裝置的研究上。由此可見，風輪裝置的設計好壞將最終決定風力發電機的發電效率。風輪裝置主要是由葉片、主軸和龍骨等零部件組成。葉片作為風力發電機必不可少的部件，其外形設計直接決定了風能利用率和發電效率。主軸是發電機組的主要受力部件，同事也能傳遞橫向的風力載荷；若直接將葉片與發電機相連會使發電機同時承受彎曲載荷和扭轉載荷，處于交變應力狀態，無論對于發電機的壽命還是發電效率而言都會帶來極大的影響。龍骨的主要作用是連接葉片和主軸，以形成具有一定剛性的“H”型框架結構。有利于整體結構的安全性。材料選擇：設計葉片的形狀后，應選擇葉片的材料。小型風力發電機通常使用以下材料：木質葉片：由優質木材制成，對木材的挑選主要有以下要求:質地較硬，宜于切割加工，紋路整齊清晰無疤痕。但是大多數木材都比較容易吸收水分，從而導致變形，所以在葉片制作成型后需要涂上油漆以達到保護效果；縱使如此，木質葉片的壽命也遠遠要短于其他類型的葉片。由此可見木質葉片不適合安裝在室外環境中。玻璃鋼葉片：表面光滑，硬度高，造型容易。因此，在小型風力渦輪機中，玻璃纖維增強塑料葉片被最廣泛地使用。FRP刀片有兩種類型。一種是木芯包裹的玻璃鋼葉片。該葉片重量輕，成本低并且被廣泛使用，但是使用壽命短，通常約3-5年。第二種是空心的全玻璃FRP刀片。這種刀片很重且很昂貴，但是使用壽命很長，大約4-6年。全玻璃纖維槳葉分為兩種，一種是簡單的葉柄；另一種是簡單的葉柄。另一個是帶有離心速度控制裝置的葉柄。鐵制葉片：主要用于帶離心調速裝置的風機，一般用0.5mm厚的鍍鋅鐵板制成，空心，一端用金屬塊密封，另一端用葉輪根部充滿離心速度調節裝置。該刀片非常重并且運行平穩。由于諸如高慣性，高硬度和尖銳邊緣的原因，在操作過程中，尤其是在安裝和維護時，存在某些不安全因素。這種刀片使用壽命長，通常長達10年左右。鋁合金葉片：這是近年來生產和使用的新型葉片。該刀片由鋁合金制成，是堅固的。它的形狀很特別。葉片的前后邊緣是彎曲的，上半部像新月形一樣向后彎曲。機械強度很高。將刀片水平放置在地面上，兩端用磚砌成，懸掛在中間，單獨放置，刀片不會連續彎曲。它的啟動風速小，可以在微風中發電。據估計其使用壽命超過10年，并且它是一種很有前途的葉子。這種刀片的缺點是操作中存在不安全因素。它具有較重的重量，很強的慣性和鋒利的前緣。它像三把飛刀一樣旋轉，這很危險。在安裝，維護和操作過程中，請當心。考慮到多個葉片的特性，本設計使用鋁合金葉片作為小型立式風力渦輪機的葉片。三維造型：首先在前視基準面繪制兩條弦長為300mm的同向相交圓弧，得到如下草圖：圖3.1槳葉草圖然后沿著Z方向將草圖進行拉伸，指定長度1500mm，得到如下凸臺：圖3.2槳葉三維造型在上視基準面繪制兩個相隔50mm的全等直角三角形，得到如下草圖：圖3.3槳葉支架草圖已兩個直角三角形長直角邊為軸創建基準面1和基準面2，并在與兩基準面成30°的方向上創建基準面3和基準面4，具體效果如下：圖3.4創建基準面已三角形斜邊兩個頂點為圓心，分別在四個基準面上會繪制半徑為10mm的圓，使用【放樣】指令，分別選中基準面1和3、基準面2和4上的圓進行放樣，具體效果如下：圖3.5風力發電機葉扇三維建模圖3.3增速齒輪箱的設計因為風輪裝置在實際使用過程中不能與電動機直接相連，所以需要通過在風輪和發電機之間增設一個連接兩端的增速齒輪箱來起到傳遞機械能的作用。同時為了使風輪裝置的制動與剎車更加靈活，又在增速齒輪箱的輸出部位安裝一個制動裝置，以實現整體單元共同制動的目的。三維造型：在前視基準面繪制如下草圖，并在圓心處再繪制一個半徑大小為60mm的圓，執行【拉伸】命令，分別選中兩條輪廓線，拉伸長度為150mm，最后在拉伸得到的齒輪兩側繪制半徑大小為150mm的圓，并執行【拉伸切除】命令，長度為20mm，即可得到增速齒輪1的三維造型。圖3.6增速齒輪1草圖圖3.7增速齒輪1三維造型增速齒輪1相關參數：齒輪內孔直徑120mm，齒輪外徑600mm，齒輪內切直徑300mm，齒長100mm，齒輪厚度150mm，齒輪齒數26齒。在前視基準面繪制如下草圖1，執行【拉伸】命令，拉伸長度為300mm，得到一個齒輪，在其中一側創建基準面并繪制草圖2，并執行【拉伸】命令，拉伸長度為250mm，最后選中小齒輪內徑執行【拉伸切除】命令，方向指向大齒輪，長度為550mm，即可得到增速齒輪2的三維造型。圖3.8增速齒輪2草圖圖3.9增速齒輪2草圖圖3.10增速齒輪2三維造型增速齒輪2相關參數：齒輪內孔直徑80mm，大齒輪厚度300mm,大齒輪外徑600mm，齒長100mm；小齒輪厚度，小齒輪外徑350mm，齒長100mm，大齒輪齒數30齒，小齒輪齒數12齒。在前視基準面繪制如下草圖1，執行【拉伸】命令，拉伸長度為400mm，得到一個齒輪，在其中一側創建基準面并繪制一個半徑大小為60mm的圓，并執行【拉伸】命令，拉伸長度為400mm，最后在圓柱遠離齒輪的端面上繪制草圖2，并執行【拉伸切除】命令，長度為35mm，即可得到增速齒輪3的三維造型。圖3.11增速齒輪3草圖圖3.12增速齒輪3草圖圖3.13增速齒輪3三維造型增速齒輪3相關參數：齒輪外徑120mm，齒輪軸高900mm，齒輪厚度400mm，齒輪齒數12齒。圖3.14增速齒輪箱三維造型3.4框架的設計框架主體分為機架和底座兩部分，機架的主要作用是固定轉動軸兩端的軸承以及增速齒輪兩端的軸承。考慮到葉扇轉動時會產生劇烈的抖動，所以機架采用了比較穩定的十字交叉結構，這樣一來既堅固穩定也不影響葉扇與風充分接觸，同時由于增速齒輪箱位于整體結構的中部，為了避免齒輪運轉時與葉扇產生剮蹭，又在轉動軸與軸承之間增設了一組十字梁結構。底座的主要作用是穩定機架及固定電機，考慮到機架本身無法很好的固定，所以在其底部設計了一個比較穩定的底座，同時也對電機起到一定的保護作用。葉扇、增速齒輪箱、電機三部分看似緊密相連，其實每部分相對獨立，這樣的好處在于后期維護時，如需更換某個部件可以直接拆卸并更換，既節省人力也節約成本。三維造型：由于框架的底座需要承載整個風力發電機的重量，所以在設計時對其采用了特殊的結構構件——方形管，大小選擇80×80×5；路徑線段分為兩組，第1組選擇邊長為2000mm的正方形草圖，第2組選擇邊長為60mm的正方形草圖，應用邊角處理選擇終端對接，即可得到如下的三維模型。圖3.15底座初步三維造型在繪制好底座的一個支架后，為了確保穩定性，又在其與正方形框架接觸的部分加設了一組角撐板，具體參數如下圖所示：圖3.16角撐板相關參數同時為了方便現場安裝與固定，又在支架底部加設了凸臺，并配有M24-六角凹頭螺釘的住行沉頭孔，凸臺草圖如下圖所示：圖3.17凸臺草圖對支架、凸臺以及角撐板執行【鏡向】指令，得到關于右視基準面對稱的另一支架，鏡向具體參數如下圖所示：圖3.18鏡向命令相關參數將上述操作得到的一組支架再次進行【鏡向】操作，得到關于上視基準面的另一組支架；至此，底座的4個支架全部繪制完畢，具體效果圖如下所示：圖3.19底座最終三維造型因為上部機架的建模方式與底座大致相同，故不再贅述；因為風輪、增速齒輪箱等裝置需要固定在機架上，所以在完成相關三維建模后需要對框架進行打孔操作，執行【拉伸切除】命令，在機架上開3個半徑大小為180mm、4個半徑大小為120mm的圓孔。底座相關參數：長2000mm，寬2000mm，高1000mm。機架相關參數：長2000mm，寬2000mm，高3500mm。圖3.20框架三維造型3.5發電機主體設計風力發電機主要由風輪裝置、增速齒輪箱、制動裝置、發電機和塔架等部分組成。本文設計的風力發電機適用于風力資源豐富但電力難以普及的山區或者臨時搭建的房屋。這種風力發電機也可以與太陽能電池板結合使用，在陰天下雨或者晴好無風的天氣可以相互補充實現持續發電。理論上在其達到額定輸出功率時可以滿足各類電器的電力供應。其主要優點有：安全性好：結構上采用垂直葉片和三角形雙樞軸設計，調整了應力的作用點，使葉片因轉速過高導致脫落的問題得以解決。噪音較低：因為采用了類似蝴蝶翅膀的葉片造型設計，所以除了發電機工作時產生的噪音外，其余噪音基本不存在；抗風能力強：結構上采用垂直葉片和三角形雙樞軸設計使其受風壓的影響較小，在山區或者沿海地區同樣適用。回轉半徑小：由于采用了豎軸設計，與水平軸風力發電機相比，回轉半徑更小，從而為其他部件的安裝節省了空間。風速范圍廣泛：由于增速齒輪箱和制動裝置的存在，其風速適用范圍從2.5m/s一直延伸到25m/s，可最大限度地利用風能，提高發電效率。便于維護：使用不帶轉向機構的直驅式永磁發電機，每六個月對各部件檢查一次即可。4三維模型渲染首先在solidworks2016中打開風力發電機裝配體，進入【外觀】功能頁面，選擇裝配體框架，應用到零部件層，選擇【金屬】→【鋼】→【拋光鋼】選項，將裝配體主體框架渲染成為帶有反光效果的光滑鋼面材質，具體操作步驟如圖4.1、4.2所示。圖4.1選取材質圖4.2指定部件接著選擇底板應用到零部件層，選擇【金屬】→【鋼】→【拋光鋼】選項，具體操作步驟如圖4.3所示。圖4.3底板渲染然后進行背景的渲染，在【外觀，布景和貼圖】功能頁面中點擊【布景】選項，依次選擇【基本布景】→【三點減退】，最終效果如下圖所示。圖4.4風力發電機三維造型結論本文首先分析了當前的世界發展趨勢，提出了能源危機以及如何利用清潔能源。接著通過查閱各類資料，我對風能的產生和利用產生了濃厚的興趣，并最終把設計方向確定為垂直軸風力發電機的傳動系統。在進行市場和社會調查時我更深一步了解到垂直軸風力發電機的具體結構和工作原理。根據分析收集的相關數據提出了幾種可行性方案，通過進一步計算和比對最終確定了本文的設計方案。

我國的垂直軸風力發電機行業處于起步階段，這就意味著未來充滿無限挑戰和機遇。隨著科技的進步、社會的發展，各方面的用電量將呈現與日俱增的趨勢，這對于正在起步階段的垂直軸風力發電機來說無疑是一個機遇。

相信在不久的將來，垂直軸風力發電機定能在我國乃至世界市場是占有一席之地。本科論文參考文獻范海寬.風力發電技術及應用[M].北京:北京大學出版社,2013.6:15-21

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