东华理工大学长江学院毕业设计 风力发电机测试平台结构总体设计
向的风，不需要对风装置，发电机可以安装在地面，维护方便，等优点。但是利用率比较低，风轮自行启动较难。比较实用的垂直轴主要是利用翼型升力来做功，其中最为典型的是达里厄风轮，H型风轮是目前垂直轴风电机组中最常用的风轮形式，结构相对简单，主要有风轮装置、发电机、刹车装置、控制器和塔架等部件组成。垂直轴风力发电机的形式非常多，分类方法也不同。按照工作原理的不同可以分为阻力型和升力型。
2.1.3 阻力型风力发电机
阻力型风机主要依靠风力发电机组构成要素的空气阻力产生的旋转力矩来工作，主要包括风杯型、S型、涡流型和萨沃纽斯型等，但是这些阻力型风机大多都是由风杯等形状的构成要素组成，利用风推动其凹凸两侧时的阻力不同而产生旋转力矩来工作。
（1）风杯式风力机（Lafond风力机）是利用迎风叶片的阻力差而使风轮转动，由于凹凸面空气阻力系数差别很大，在风力的作用下，加上叶片在风里运转时，先使气流吹向一侧，然后运动着的叶片又使气流流向另一侧，这样就产生了一个附加驱动力矩，故这种风轮有较大的启动力矩，它在风速2.5M/s时就能正常起动运转，但是效率较低，能量输出大概是同样迎风面积的水平轴风力发电机的一半。
（2）典型的阻力型有S型风轮，是由芬兰人萨窝纽斯(Savonius)在20世纪20年代发明的萨窝纽斯型(Savonius type)风力发电机，它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，启动转矩大、转速低、气动性能好。在运行中，由于风轮周围会产生不对称气流，从而产生侧向推力。因为受偏转与安全极限应力的限制，大型的风力发电机采用这种结构形式比较困难。S型风力发电机风能利用系数低于水平轴风力发电机，其尖速比小于1，所以它的转速低，风能利用系数也低于高速型的其他垂直轴风力发电机，缺乏市场竞争力，如图2.1.3所示。
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图2.1.3 风杯式和萨窝纽斯型风力发电机
2.1.4 升力型风力发电机
升力型风机主要是利用风力发电机组构成要素产生的升力作为主要旋转力矩来工作的，其构成要素主要是采用飞机机翼型断面的形状，这类风力发电机组主要有达里厄型和直线型，如图2.1.4所示。
图2.1.4 直线型和达里厄型风机
2.2 风力发电机结构组成
风力发电测试平台要求建一个可以测试不同功率的小型垂直轴风力发电机的结构平台，该结构平台主要有塔架、传动轴、轴承、发电机、主轴、轮毂和电动机组成。
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2.2.1 塔架设计
塔架是整个平台的主要受力部分，承受着整个风机的重量，一旦发生倾覆或者坍塌，将会致使整个风力发电机组的破坏。由于风速与地面高度有关，地面高则风速高，所以塔架高的话风机就会获取更多风能，但是塔架越高则承受的力也越大，制造成本也大，一般根据公式计算：
H??1~1.3?D 式中，D为风轮直径。但是该测试平台考
虑到安装方便，以及不需要风带动风轮，所以高度设定为1m。塔架主要是承受整个机组的重力，所以一定要有足够的强度来支撑。还有，风轮转动的时候会受到转矩，所以还要考虑塔架的稳定性和抗疲劳性。随着风电事业的蓬勃发展，塔架形式也越来越多，但主要有三种形式，钢筋混凝土结构塔架，衍架结构塔架，钢结构塔架，该测试平台用的是椼架结构塔架。此结构塔架耗材少，并且运输方便，占地面积大，相对稳定。设计塔架应该考虑到最大的极限载荷，也就是在外部极差的条件下能承受的可能出现的最大载荷，也要考虑疲劳载荷，就是塔架的勾践能够承受变化载荷次数的最大能力，最后还要考虑共振激励载荷，就是整个塔架的结构的动特性对共振激励的响应。
2.2.2 传动轴的设计
传动轴主要起传递运动以及动力的作用，主要承受扭转矩，所以设计的时候应考虑最大的扭转矩。该传动轴为了更好的固定锥齿轮，以及更好的稳固锥齿轮，所以在传动轴上集成一个锥齿轮，并且考虑无法安装等问题，所以用两段传动轴，其中一根轴在中间挖一个正方形的孔，另一根轴中间伸出来一个长方形的轴，与之相配合，起到转动的作用而不出现相对滑动等左右。
2.2.3 轴承的选取
该结构平台采用的是滚动轴承，7206C轴承和7210C轴承，主要靠元件之间的滚动接触来支撑其转动或者摆动零件，相对运动的表面之间的摩擦属于滚动摩擦。塔架上面设计出一个轴承座，结构简单，避免了装配复杂等问题。滚动轴承的摩擦力矩以及发热相对较小，维护相当方便，可以用少量的润滑剂就可以实现转动，轴承单位面积内承受能力大，主要用钢结构，因此减少了金属的消耗。
2.2.4 电动机的选取
该论文没有采用风洞来实现风轮的转动，而是用电动机带动风轮转动，因为要求发电机的功率不同，因此转速也不尽相同，所以选取调速电动机。在第三章中计算出的发电机额定转速范围为136r/min~230r/min，所以选取电动机型号为
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YCT90-4A，调速范围为120r/min~1200r/min，结构小，噪音小，轻便，便于安装，减小塔架受力，其安装尺寸如表2.4.1所示。
如表2.4.1
型号 YCT90-4A
K 10
A 160 WB 178 WC 40 D 18 E 40 F 6 G 14.5 H 90 AB 190 AD 95 HD 220 HA 16 AA 30 L 480
图2.2.4 电动机示意
2.2.5 主轴的设计
风轮主轴主要装叶片和支持翼，起到支撑和转动作用。主轴高度要求可调节，为了使主轴与轮毂不发生相对滑动，所以主轴设计为长方体，与中间开了长方体的孔的轮毂相连接，并且主轴上开有小孔，与轮毂之间的小孔用螺栓配合起到固定左右，起到可以调节主轴高度的目的。次结构简单，容易调节，避免轮毂与主轴发生相对转动。
2.3 测试平台结构框架
用调速电机带动传动轴转动，传动轴带动风轮转动，然后风轮传递给发电机，产生的电通过整流器输入到蓄电池中，结构简单，如图2.3所示。
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风轮 传动装置 电动机 发电机 整流 蓄电池 负载 功率控制
图2.3 测试平台结构框架
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