一种新型风力发电机的设计
探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制
探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制无刷双馈风力发电机（Brushless Double-fed Wind Power Generator，BDWG）由于其具有高效、稳定、可靠的特点，在风电发电产业的快速发展中得到了广泛应用。
其核心部件是无刷双馈电机（Brushless Double-fed Induction Machine，BDFIM），由于其内外转子之间通过转子侧电容连接，使其具有一定的电磁转矩特性。
因此，在BDWG中基于实时控制的电压源逆变器的功率控制策略中，可以通过控制转子的电压和电流使得BDFIM适应风机不同的转速变化（也即风速的变化）现象，从而在风力发电过程中实现良好的功率控制性能。
本文旨在对BDWG的设计原理和控制策略进行分析和探讨，主要从以下几个方面进行讨论。
1. BDWG的设计分析（1）结构和工作原理BDWG由涉及双馈电机转子部分（即有刷子组合，转子侧电容器等）和无刷直流电机（一般用于调节转子电容器电压的空间矢量调制控制）经由转子上的能量转换器进行变换，在输出端带有无功功率控制的PWM逆变器进行功率输出。
BDFIM相较于一般异步电机，其内部转子电流被划分为主磁通和次磁通两个部分，转子上的电容器则通过变压器与电网连接。
在风机转速发生变化时，由于双馈电机的特殊结构，主磁通和次磁通之间会产生一定的漏电感，从而使得转子上的电流产生相应的变化。
（2）参数设计和优化在BDWG的设计上，关键的参数设计主要包括了转子电容器的容量、变压比等。
为了实现风能的最大利用效率，需要在保证性能的前提下尽可能减小转子电容器的容量，同时在变压器的设计上注重其高效、轻便的特性。
以上两者则需要依据技术手段来进行有效的优化设计。
2. BDWG的控制策略（1）转子电压交换控制BDWG的控制策略之一是通过转子侧的能量转换器实现交换控制，从而在转速变化的情况下实现电极磁势的平衡控制。
该控制策略主要由节拍控制和逆变控制两个部分组成，其中节拍控制主要通过时序触发器和计数器实现；逆变控制则主要通过高功率开关管实现，其控制基础是PWM控制。
一种垂直轴风力发电机结构设计
电机 发 出 电来 。 风 力 发 电 的原 理 虽 简 单 ， 此 种 结 构发 出 的 电 时 有 时 但 扇 矩 形 叶 片 以互 成 １ ０均 布 在 钢 结 构 塔 杆 径 向外 周 沿 ， 端 固定 在 底 ２。 底 无 ， 压 和频 率 不稳 定 ， 没 有 实 际应 用 价 值 的 。一 阵狂 风 吹来 ， 轮 电 是 风 座 的塔 杆 外 壁 套 接 有 轴 套 组 （ 称垂 轴转 子 ） 轴 套 组 内 安 装 有 避 雷 装 或 ， 越 转 越 快 ， 统 就会 被 吹跨 。 了解 决 这 些 问题 ， 代 风 机 增 加 了 齿 轮 系 为 现 置 ， 通过底 座内齿轮传动 系统与增速齿轮 箱同步联动 ， 并 与折 叠 单 元 箱 、 航 系 统 、 压 系 统 、 车 系 统 和 控 制 系 统 等 ， 代 风 机 的示 意 如 偏 液 刹 现 相 连 接 的 叶片 组 架 通 过 连 杆 与 轴 套 组外 壁表 面 固结 ： 片 由 若 干 个 相 叶
般 采 用 由角 钢 或 圆钢 组 成 的 桁 架结 构 。 增 速 齿 轮 箱 ： 一 个 重 要 的 机 械 部 件 ． 主 要 功 用 是 将 风 轮 在 风 是 其
１ 技 术 原 理
负 载 ：风 力 发 电机 发 出的 电能 一 般 是 不 能 直 接 用 在 电器 上 的 ， 先 要 储 存 起 来 。 目前 风 力 发 电机 用 的 蓄 电池 多 为 铅 酸 蓄 电池 。
，
科技信息
０机械 与电子 Ｏ
Ｓ ＩＮ Ｅ＆Ｔ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ Ｆ Ｒ ＴＯ ＣＥ Ｃ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ ＹＩ Ｏ ＭＡ Ｉ Ｎ Ｎ
２１ ００年
第 ２ 期 １
一
种垂直轴风力发 电机结构设计
新能源风力发电智能控制系统的设计与优化
新能源风力发电智能控制系统的设计与优化随着社会经济的飞速发展，人们对清洁能源的需求越来越迫切。
作为一种环保、可再生的能源，风力发电在近年来得到了越来越广泛的应用。
然而，传统的风力发电系统存在诸多问题，如风场资源的不稳定性、功率输出的不可控性等，这些问题直接影响到风力发电系统的效率和稳定性。
针对这些问题，设计一套智能控制系统来优化风力发电系统的运行至关重要。
一、风力发电系统的原理风力发电系统利用风能驱动风力发电机转动发电，将机械能转化为电能。
风力发电机是核心部件，是通过风轮叶片的受力转动发电机转子以实现电能输出。
而智能控制系统则可以监测风场风速并实时调整叶片的角度、转速等参数，以最大程度地提高风力发电系统的风能利用率。
二、风力发电系统的挑战然而，由于风速的不稳定性和不可控性，传统风力发电系统存在发电效率低下、维护成本高等问题。
而传统的固定式风力发电机难以适应复杂多变的风场环境，因此如何设计一套智能控制系统，以提高风力发电系统的稳定性和效率成为亟待解决的问题。
三、智能控制系统的设计目标针对风力发电系统存在的问题，智能控制系统的设计目标主要包括：提高系统的发电效率、降低系统的维护成本、提高系统对复杂多变风场环境的适应能力。
通过优化设计智能控制系统，可以实现风力发电系统的智能化运行，从而更好地利用风能资源。
四、智能控制系统的关键技术为了实现智能化控制风力发电系统，需要运用现代控制理论与技术，如传感器技术、信号处理技术、信息传输技术等。
传感器技术可以实时采集风场环境变量信息，信号处理技术可以分析处理这些信息，从而实现智能控制系统对风力发电系统的监测与调控。
五、智能控制系统的应用领域智能控制系统在风力发电系统中的应用领域包括：对风场环境变量的实时监测、对风力发电机的转速、叶片角度等参数的实时调整、对发电效率的优化调控等。
通过智能控制系统的运用，可以提高风力发电系统的稳定性和效率，降低维护成本，实现风力发电系统的智能化运行。
风力发电机叶片设计—
风力发电机叶片的设计经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。
随着全世界气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其他能源的开发愈来愈受到重视，如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日趋发展起来。
而在这些新兴的能源种类中，核能的核废料处置相当困难，而且其日污染相较火电厂更为严重，同时需要相当周密的监管控制能力以避免其泄露而产生不可估量的破坏，国际上这些例子也是相当多的。
而地热能的开发必将要依赖与高科技，在现今对地热开发利用还不完善的现状下，更是难以做到，而且其开发对地表的影响也相当大。
而风能则作为太阳能的转换形式之一，它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。
海上，陆地可利用开发的可达2×1010kW，远远高于地球水能的利用，风能的发展潜力庞大，前景广漠。
自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用，减少二氧化碳等温室气体的排放，保护人类赖以生存的地球。
风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便，本钱更低，对环境破环更小，作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展，且日趋规模化。
一、叶片设计的意义在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。
本文主如果设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。
而翼型作为叶片的气动外形，直接影响叶片对风能的利用率。
此刻翼型的选择有很多种，FFA-W系列翼型的长处是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，而且在非设计工况下具有良好的失速性能。
叶片的气动设计方式主要有依据贝茨理论的简化设计方式，葛老渥方式与维尔森方式。
简化的设计方式未考虑涡流损失等因素的影响，一般只用于初步的气动方案的设计进程；葛老渥方式则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响，同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑；维尔森方式则较为全面是现今常常利用的叶片气动外形设计方式。
风力发电机设计
摘要自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。
迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。
由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。
风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。
而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。
本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。
关键词：风能；风力发电机；叶片；轮毂；齿轮箱AbstractNatural wind speed and direction of change is random, wind characteristics of uncertainty, how to make wind turbine output power stability, wind power technology is an important subject. So far, have raised a variety of ways to improve the quality of the wind, such as the use of variable speed control technology, can make use of wind round the moment of inertia smooth power output. Because variable speed wind power group using a power electronic devices, when it will transfer to the output of electric power grids, will change in the wave's power, and power factor deterioration.Use of wind energy in the development of key technical issues involved in wind energy technology is one of a number of integrated technical disciplines. Moreover, the wind turbine is usually different from the mechanical system characteristics: a strong power source is not random and continuity of the natural wind, the leaves often run in the stall condition, the power transmission system very irregular importation, fatigue load than Rotating Machinery usually several times.Based on the wind turbine design, leaves, the wheel design, level of rotating the design, gear box system design, use of wind power to achieve the objective of effective use of wind energy resources, reduce non-renewable resources Consumption, reduce the environmental pollution.Key words: wind power；wind power generators；blade；wheel；Gearbox目录前言 (1)1概述 (2)1.1风力发电机的发展简史 (2)1.2我国现阶段风电技术发展状况 (2)1.3风力的等级选择 (3)1.4风能利用发展中的关键技术问题 (4)2风轮的结构设计 (6)2.1风轮设计中的关键技术—迎风技术 (6)2.2风轮桨叶的结构设计 (7)2.2.1桨叶材料的选择 (7)2.2.2风轮扫掠半径参数计算 (7)2.2.3风轮的半径分配问题 (8)2.3理想风能的利用 (8)2.4桨叶轴的结构设计计算 (11)2.4.1桨叶轴危险截面轴颈的计算 (11)2.4.2桨叶轴各轴段轴颈的结构设计计算 (13)2.5风力发电机组的功率调节问题 (13)2.6风轮桨叶的复位弹簧参数计算 (15)2.7风轮的桨叶轴轴承座的螺栓强度校核计算 (18)2.7.1轴承座上螺栓组的布置问题 (18)2.7.2螺栓的受力分析和参数计算 (19)2.7.3轴承座上螺栓直径的计算 (20)2.7.4轴承座上螺栓疲劳强度校核 (20)3风力发电机的主轴结构设计 (22)3.1主轴的相关参数的选择和计算 (22)3.2轴段的设计与校核 (22)4风力发电机的增速器和发动机的选取 (25)4.1主轴与增速器之间的联轴器 (25)4.1.1联轴器的特点 (25)4.2.2联轴器的型号及主要参数 (25)4.2风力发电机增速器的选择 (25)4.2.1使用范围和特点 (25)4.2.2型号的选择 (26)4.3发电机的选取 (26)4.3.1选择发电机应综合考虑的问题 (26)4.3.2型号的选择 (26)5风力发电机的回转体结构设计和参数计算 (27)5.1初步估计回转体危险轴颈的大小 (27)5.2结构设计 (28)6风力发电机的其他元件的设计 (29)6.1刹车装置的设计 (29)6.2选择滑环 (29)6.3托架的基本结构 (30)7结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)附录A译文 (34)附录B外文文献 (46)前言自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。
一种垂直轴风力发电机的结构设计
别…： 一类是利 用空气动 力的阻力作功 ， 典
型 的结 构 是 Ｓ型风 轮 。 它 由两 个 轴 线错 开 的
Ｖ为 上游风 速 ， ｍ／ Ｓ 。 （ ２ ） 尖速Ｉ ： Ｌ Ａ
，
半 圆柱 形 叶 片 组 成 ， 其 优 点 是 启 动 转 矩 较 大， 缺 点是 由于 围 绕 着 风 轮 产 生 不 对 称 气 流， 从而 对 它产 生 侧 向推 力 。 对 于 较 大 型 的 风力发 电机 ， 因为 受 偏 转 与 安 全 极 限 应 力 的限制， 采 用这 种 结 构 形 式 是 比 较 困 难 的 ：
小、 外 形 美 观 等 诸 多优 势 ， 因此 ， 本 文 将 设 计一种新 型的垂直轴风 力发电机 。
厄（ Ｄ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｕ ｓ ） 型 风车 为 代 表 。
样， 但 是 对 其 归 类 可 以 归纳 为 两 类 ， 水 平轴 风 力 发 电机 风 轮 和 垂 直 轴 风 力 发 电 机 风 轮。 其 中 采 用 垂 直 轴 风 力 发 电机 风 轮 相 对
于 水 平 轴 的 风 力 发 电 机 风轮 来说 具 有 如下
２ 垂直轴风 力发 电机的基本参数计算
（ １ ） 风能利用系数Ｃ ｐ
１ 垂直轴风力发 电机 的分类
垂 直 轴 风 力 发 电机 可分 为 两 个 主 要 类
优势［ ２ ］ ： 安全性高 、 无需调 向、 启动风速低 、 式中： ｐ 为 当地 空 气密 度 ， ｋ ｇ／ｍ ；
度高 。
４ 一种新型风 力发 电机 设计
为 了克 服 现 有 的 旋 翼 型 （ Ｈ型 ） 风 力 发 电机 风 轮 体积 太 大 的缺 点 、 达 里 厄 型（ 中型）
垂直轴风力发电机组的设计与性能研究
垂直轴风力发电机组的设计与性能研究随着科技的不断发展和环保意识的提高，可再生能源逐渐受到人们的青睐。
风力发电机作为空气能转化成电能的重要装置之一，也在不断的研究和发展。
垂直轴风力发电机组在这个领域扮演着异军突起的角色，其独特的结构和性能优势吸引了国内外众多专家的目光。
一. 垂直轴风力发电机组的设计垂直轴风力发电机组是指风力发电设备中转子轴线竖直，叶片旋转面垂直于地面。
相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机拥有更为广阔的应用领域。
其特点主要表现在以下几个方面：1.适应性强垂直轴风力发电机组可以被用于各种地形、各种气候条件下的风能资源利用，产生的振动和噪声较小，适合于城市和农村领域中的小型风电场。
2.高效性能垂直轴风力发电机组因为其结构上的特殊性，使得其在低风速条件下依然能够产生电能，相对于其他风力发电机而言，它的发电效率更高、更稳定。
3.运转安全垂直轴风力发电机组的机组不受方向和大小限制，转矩、重心、惯性力的平衡性也很好，可以在运转条件下减小结构疲劳损伤，从而提高设备的可靠性和使用寿命。
垂直轴风力发电机组的设计包含多个方面，其中重点考虑齿轮减速器、磨损与摩擦、自动转向等问题。
同时，风机的轴承材料、测量模型、风场起伏、大气压力等因素都将直接或间接影响垂轴风机的效率和性能。
二. 垂直轴风力发电机组的性能研究为了更好地发挥垂直轴风力发电机组的性能优势，优化其运行效率，研究者们也对其性能进行了深入探究，主要包括以下研究方向：1. 研究风机的动态特性风机在运行时，会出现转速的波动、能量的损失以及噪声的产生等问题，因此需要研究风机的动态特性。
刘维庆教授团队。
研究了垂直轴风力发电机的动态仿真模型，通过数理模型和实验对其动态特性进行了评估和分析，为进一步优化风机的控制提供了基础。
2. 研究风机的叶片设计近年来，研究者们也在着力改进机组的叶片设计。
研究表明，对于垂直轴风力发电机，叶片的设计对于功率密度和发电效率有着重要影响。
风力发电机设计.doc
4.1桨叶轴复位斜板水平轴风力机的风轮一般由1～3个叶片组成（本设计中取6片桨叶），它是风力机从风中吸收能量的部件。
叶片采用实心木质叶片。
这种叶片是用优质木材精心加工而成，其表面可以蒙上一层玻璃钢[9]。
在本设计中桨叶材料选用落叶松作为内部骨架，桨叶轴从左至右安装零部件分别为：桨叶轴复位斜板、桨叶轴支撑轴承座、轴套、光轴、轴向固定螺母、垫片、加强钣金、桨叶夹槽。
4.2 托架的基本结构设计托架是放置轮盘、主轴、增速器、发电机以及回转体、滑环和刹车装置等附件的。
它分两层上层为支撑轮盘、主轴、增速器、刹车装置和发电机。
下托板与回转体上端面联接，中间放置滑环和滑轮组件。
滑轮组件是把刹车装置的钢丝绳缠绕在滑轮上改变其方向令钢丝绳与托板不能接触。
5 风力发电机的其他元件的设计5.1 刹车装置的设计由于机械维修以及意外情况的发生需要对风轮机进行刹车，所我们在增速器高速轴侧加装一轮毂并在轮毂外安置刹车装置通过拉拽钢丝绳带动刹车带使风轮转速降低直至停止。
刹车带的复位由弹簧套筒内的弹簧来保证停止刹车后刹车皮与轮毂不在接触。
滑环是在一绝缘圆筒外壁镶嵌三到四个圆环并相应放置电刷电刷的另一端连接发电机的输出电线电缆，在绝缘圆筒内引线一直通到地面的变电所。
6风力发电机在设计中的3个关键技术问题6.1空气动力学问题空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；另一是动态气动模型。
再一是新系列翼型。
6.2结构动力学问题准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。
6．3控制技术问题风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。
随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行，控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外，还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率2.5。
在横向力R的作用下底板链接接合面可能产生滑移，根据底板接合面不滑移条件，并考虑轴向力F∑对预紧力的影响，则各螺栓所需要的预紧力为:查得联结接合面间的摩擦系数f=0.35，查得螺栓的相对连接刚度系数=0.2，取可靠性系数=1.2 ,则各螺栓所需要的预紧力为f*1.2*0.2。
风力发电机毕业设计
到目前为止，石油、天然气和煤炭等化石能源仍然是世界经济的能源支柱，然而化石资源的有限和对环境的危害性，已经日益地威胁着人类社会的安全和发展。
充足的能源、洁净的环境是经济持续发展的基础条件。
1996年联合国环境署报告指出：“从现在到2020年，全球能源消耗将比现在增长50%到100%，由此造成温室效应的气体排放将会增加45%到90%，从而带来灾难性后果。
”为了制止地球的温暖化，为了人类尽快走出燃煤时代，构建一个稳定的可持续发展的未来社会，各国都在不断追求不排放CO2，不污染环境的清洁能源。
随着经济社会的进步和发展，风力发电以其资源无尽，成本低廉，便于利用，成为目前再生新能源利用中技术最成熟，最具规模开发条件，发展前景看好的发电方式。
风力发电已经开始从“补充能源”向“战略替代能源”的方向转变。
“让风能带动世界，舞动全球”，已经由梦想成为现实可能。
风力发电作为一个新型朝阳产业，目前还存在着众多制约因素，“让风能带动世界，舞动全球”的构想从理念到现实仍有巨大的差距。
虽然自《可再生能源法》颁布实施后，我国风力发电发展出现了快速发展的势头，但仍存在一些制约因素和需要解决的问题。
我国风能产业的发展，仍需以国家支持为引导、市场拉动为主体，重点支持研发，并解决制约我国风电发展的三大瓶颈，即资源评价问题、电网问题和自主创新问题，实施稳步发展的战略，为日后大规模发展打下坚实的基础。
风力发电将会“让风能带动世界，舞动全球”。
一、风力发电机原理风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。
风力发电利用的是自然能源。
相对柴油发电要好的多。
但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。
风力发电可视为备用电源，但是却可以长期利用。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机增加概述及概述图片垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
目录垂直轴风力发电机的分类垂直轴风力发电机发展风力发电设备行业的发展新型垂直轴风力发电机（H型）一、技术原理二、功率特性三、结构附：现有垂直轴风力发电电源比较：垂直轴风力发电机的特点现状垂直轴风力发电机的分类垂直轴风力发电机发展风力发电设备行业的发展新型垂直轴风力发电机（H型）一、技术原理二、功率特性三、结构附：现有垂直轴风力发电电源比较：垂直轴风力发电机的特点现状展开编辑本段垂直轴风力发电机的分类尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。
这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。
达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。
在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。
达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。
现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。
这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，他由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。
有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔，通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流，以增加速度，偶写还利用太阳能或者燃烧某种燃料，是水平气流变成垂直方向的气流。
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高电动势 。 一般 的风力 发 电机 ， 扇尺 寸大发 电机尺 风 寸较小 ， 利于 提高发 电 电动势 ； 不 而新 型风力 发 电机
中发 电机尺寸与风扇 尺寸基本相 同 ， 具有一 定优势。
量 发生变 化 ， 而 产 生交 流 电动 势 ， 最终 为 网络 从 并
节点 供 电。 文 中还介 绍 了新 型 风 力 发 电机 的 设 计 和 对 锂 电池 进行充 电和放 电的 电源 管 理 电路 ； 通 过 白云 并
Ａｕｇ ２ ０ ． ０１
一
种新 型风 力发 电机 的设 计
张 端 郭 贤 ， 章苗根 何 熊熊 邹 涛 ， 慧 ， ，
（． １ 浙江 工业大 学 信 息 学院 ， 浙江 杭 州 ３ ０ ２ ；． １０ ３ ２ 浙江省 机械 设备成 套局 ， 江 杭 州 ３ ０ ０ ） 浙 １０ ６ 摘 要 ： 了解 决无 线传感 器 网络 节点 的供 电瓶 颈 问题 ， 出 了一 种通过 新 型风 力发 电机 将 风 能 为 提
ｒ ｓｓ ｏ ｓ ｔ ｓｒｂ ｔ ｈｅ ｖ ｌａ ｅ ｆｏｍ ｈ ａ ｔ ｒ ｅ ｉ ｔｒ ｏ ｄｉｔｉ ｕ ｅ ｔ ｏ ｔ ｇ ｒ ｔ ｅ ｂ ｔｅ ｙ．Ｔｈｅ ｅ ｏ ｅ，ｉ ａ ａｉ ｆ ｈｅ ｎｅ ｄ ｏ ｈ ｒ ｌ ｓ ｒｆ ｒ ｔｃ ｎ ｓ ｔｓｙ ｔ ｅ ｆｔ ｅ ｗｉｅ ｅ ｓ
基金项 目： 国家高科技计划项 目（０ ９ Ａ ４ １８ ； ２ ０ Ａ ０ ｚ３ ） 国家 自然科 学基金项 目（ ００ ０ ５ ６７ ４２ ） ６ ６４ １ ， ０７ ０ １ 。 作者简 介 ： 端（ ９ ２ ） 男 ， 江杭 州人 ， 张 １７ 一 ， 浙 副教授 ， 工学博士 。 主要从事机电系统和非线 性控 制研究 。
给 无线传 感 器 网络 节点 。 最终 的分析 和计 算结 果显 示新 型 风 力发 电机 和 电 源管理 电路 能够 实现 对
无线传 感 器网络 节点提供 能 源的 目标 。
关 键词 ： 能 ； 力发 电机 ； 风 风 电源 管理 电路 ； 线传 感器 网络 节 点 无
中图分类 号 ： Ｍ ３ ５ 文 献标识 码 ： 文章 编 号 ：６ １—７ ４ （ ０ ０ ０ Ｔ １ Ａ １７ １７ ２ １ ）４—０ ７ ３ ９—０ ６
能源 。 比如可 以将 环 境 中的 磁 能 ４ 、 阳能 ］ 。太 转 化为 电能 ， 并采 用 相 应 的 电源 管理 电路 器 网络节点 提供 能源 。 在充分 考 虑 了无 线 传 感 器 网 络 要 求 节 点 体 积
较小 的基础 上 ， 出了一 种 利用 新 型 风力 发 电机 将 提
节点故 障 ， 响 整个 网 络 拓扑 结 构 的变 化 。 以要 影 所
池提供 。 由于传 感器 节 点使 用 的 区域 广 ， 数 多 ， 个 分
收 稿 日期 ：００ —０ —０ ； 修 订 日期 ：００ —０ —１ 。 ２１ ５ ６ ２１ ６ ６
有 效地 延 长 环境 监 测 中 无 线传 感 器 网 络 的使 用 寿
对 产
生 的 电能进 行 管理 和转 化 ， 可 以实 现对 无 线 传感 就
４ ８Ｖ的工作 电压 为 １８ ～５５Ｖ， 研 究取 其 工作 ． ． 本 电压 为 ３Ｖ。 无线 传 感 器 网 络 节 点采 集 处 理 检 测信 号 时工作 电流 为 ６ｍＡ， 时 ６５ｍ ； 射 数据 时工 耗 １ ｓ发
第 ９卷第 ４期 ２１ ０ ０年 ８月
江 南 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉｎ ｎ ｎＵｎｖ ｒｉ （ ｔｒ ｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒ ａ ａ ｇ ａ ｉｅ ｓ ｙ Ｎａｕ ａ ｉｎ ｅＥ ｉ ｏ ） ｏＪ ｔ Ｓ ｉ
Ｖｏ ． Ｎｏ ４ １９ ．
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江 南 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ９卷
命， 除了从 优 化 网络结 构 ¨ 上 以减 少 能 耗 之外 ， 还 可 以从 能源 提 供 和 补 充 的角 度 对 传 感 器 节 点 提 供
ｐｏ ｒｍａ ａ ｅ ｎ ｉｃ ｔｉ ｓ ｆ ｏ ｇ ｖ ｌ ｃ ｒｃｔ ｏ ｕ ｌ ｉ ｇ ｔ ｅ ｗｉｅｅ ｓｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｄｅ ｗｅ ｎ ｇ ｍｅ ｔｃ ｒ ｕｉ ｓ ｕ ｅ ｕｌｔ ｉ ｅ ｅ ｅ ｔｉ ｉｙ ｆｒ ｓ ｐｐ ｙ ｎ ｈ ｒ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒｎｅｗｏ ｋ ｎｏ
图 ２为 新 型 风 力 发 电 机 的 结 构 图 。 中 ， 其 图
２ ａ 为装 置 的主视 图 ； ｂ 为俯 视 图 ； Ｃ 为扇 叶的 （） （） （） 横切 面 图。
鄂博 矿 区地 面 １ｍ处 的风 能资 源 分析 、 电机永 磁 发 体 的设 计 以及 发 电机 启 动风 速 的分 析 对 其 可 行 性
Ａｂｓｒ ｔ： ｎｅ ｗｉ ｅ ｅ ａ ｏ ｓｄｅ ｉ ｎ ｄ ｆ ｒｔ ｅ ｗｉｅ ｅ ｓｓ ｎｓ ｒｎ ｔ ｒ ｄ ｏ ｓ ］ ｅ ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ｔ ａｃ Ａ ｗ ｎｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｉ ｓｇ ｅ ｏ ｈ ｒ ｌ ｓ ｅ ｏ ｅｗｏ ｋ ｎｏ ｅ ｔ ｏ ｖ ｈ ｎ ｒ ｙ ｂ ｔｌ － ｅ ｋ ｐ ｏ ｌ ｍ ｏ ｈ ｗｉｅ ｅ ｓ ｓ ｎｓ ｒ ｎｅｗｏ ｋ ｏ ｔｅ ｎ ｃ ｒ ｂ ｅ ｆｔ ｅ ｒ ｌ ｓ ｅ ｏ ｔ ｒ ｎｏ ． Ｔｈ ｎｅ ｄｅ ｅ ｗ ｗｉ ｄ ｇ ｎｅ ａ ｏ ｃ ｎ ｅ ｎｄ ｎ ｅ ｒ ｔ ｒ ｈａ ｇ ｓ ｗｉ ｅ ｅ ｇ ｏ ｅ ｅ ｔｉ ｎ ｒ ｙ ｔ ｆｏ ｄ ｔ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒｎｅ ｗｏ ｋ ｎ ｄｅ Ｉ ｈｅ ｎｅ ｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔｒ ｔ ｅ ｎ ｒ ｙ ｔ ｌｃ ｒｃ ｅ ｅ ｇ ｏ ａ ｆ ｒ ｈｅ ｗｉｅ ｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｏ ． ｎ ｔ ｗ ｎ ｅ ｅ ａｏ ｈ ｆ ｎ ｗｏ ｋ ｓａ ｐａ ｔｏ ｅ ｅ ａ ｏ ．Ｉ ｎ ｅ ｒ ｔ ｓｔ ａ ｔ ｈｅ ｇ ｎｅ ａ ｏ ，ａ ｓａ ｒ ｓ ｔ ｈｅ ｓｚ ｆ ａ ｒ ｓ ａ ｒ ｆｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｔｉ ｔ ｇ ａ ｅ ｈｅ ｆ ｎ ｗｉｈ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｎｄ ａ ｅ ｕｌ，ｔ ｉｅ ｏ ｔ ｅ ｅ ｉｅｇ ｎｅ ａ ｉ ｅ ｓｒ ｄ ｅ ｈ ｎｔｒ ｅ ｒ ｔｎｇｓ ｔｉ ｅ ｕｃ ｄ．Ｍｏ ｅ ｖ ｒａ ｐ ｗｅ ｎ ｇ ｒ ｏ ｅ ｏ ｒｍａ ａ ｅｍｅ ｔｃ ｒ ｕ ｔｉ ｅ ｉ ｎ ｄ ｆ ｒｃ ｎ ｅ ｔｎ ｎ ｉｃ ｉ ｓｄ ｓｇ ｅ ｏ ｏ ｖ ｒｉ ｇ
微处理 器 和射 频模 块 ３部分 组成 。 中温度 、 度传 其 湿 感器采 用 的是 Ｓ Ｔ１ 其 所测 得 的数 据经 过微 处理 Ｈ ５， 器 Ａ ｍ ｇ ８Ｖ转 换 处理 后 ， 过 低功 耗 收 发通 信 ｔ ｅａ ４ 通 芯片 Ｃ ４０发 射 出去 。 Ｃ２２
无线 传 感 器 网 络 节 点 中 的 微 处 理 器 Ａ ｍｅａ ｔ ｇ
转化 为 电能对无 线传 感器 网络 节点提供 能 源的 方法 。 该 新 型风 力发 电机 中风 扇作 为 发 电机 的一 在 部分 ， 风 扇和发 电机 一体化 ， 小 了整 个发 电装 置 的体 积 。 时设 计 了电 源 管理 电路 ， 新 型风 将 减 同 将 力发 电机 发 出的 交流 电转换 为直 流 电， 对锂 电池充 电和通 过 电 阻对锂 电池 的输 出进 行 分压 并提 供
随着 无线 传感器 网络 的广 泛应 用 ， 线传 感 器 无 网络 中传感 器节 点 的能 源 问题 日益 突 出。 目前 传感
器节 点 的能 源 主要 由其 自身 携 带 的 能 量 有 限 的 电
布环境 复 杂 ， 人 们无 法对 其 电池 进 行 更 换 。 旦 使 一 电池 能量 耗 尽 ， 节 点 就很 难 再 次 被 使 用 ， 造 成 该 易
ｓ ｎ ｏ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｄ ．Ｔ ｅ ａ ａ ｙ ｉｅ ｎ ｏ ｕ ｅ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｅ ｎ ｅ ｅ ａ ｏ ｎ ｈ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｒ ｏ ｅ ｈ ｎ ｌ ｓｓ ｄ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｔ ｄ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ｅ ｎ ｗ ｗｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｈ ｔ
本 身成 为发 电装置 的一 部 分 ， 而较 大 幅度 地 减 小 从
新型 风力 发 电机 是 一 种 适 用 于 无 线 传 感 器 网 络 的风 力 发 电机 。 将 风 扇 和 发 电 机 一体 化 ， 小 它 减
了整个 发 电装 置 的体 积 。 同时根 据 电机 原 理 和相 关 发 电机 的设 计 ” ， 寸较 大 的 电机有 利 于获 得较 Ｊ尺
作 电流为 ２ Ａ， ５ｍ 耗时 ５ｍ 。 ｓ
１ １ 新 型风 力发 电机 的设计 ．
风 能转化 为 电 能对 无 线 传 感 器 网络 节 点 电池 充 电
的方 法 ， 而 延 长节 点 的有 效 寿命 。 型风 力 发 电 从 新