便携式小型风力发电机的结构优化设计方法浅谈

摘 要：基于便携式小型风力发电机基本结构系统，从风机、发电机、回转部分的设计，风机的调速、控制与变流等方面简要分析如何优化便携式小型风力发电机的结构设计。

关键词：小型风力发电机；永磁发电机

1 便携式小型风力发电机概述

便携式小型风力发电机是在风力发电机理论的基础上对原始相对大型的设备进行精简和放缩而产生的一种具有折叠收纳功能的风力发电机，同一般风力发电机相比，其特点在于精和小，并且便于携带。整个发电系统设置在收纳箱中，整体设备大小就是发电箱盖体形成的中空容置空间，是一种极为方便的发电设施。

便携式发电机的发电系统主要包括发电单元、电力单元、风叶组和电力储存单元，风叶组以折叠状态可以收容于空置空间，发电单元与风叶组连接，由风叶转动带动发电单元工作，进而产生电力，电力单元与储存单元一般分设于箱体之上。发电系统的各组件能够相互形成电连接。因此该设备不仅是一种能够提供电力的发电设备，也是一种便于携带的储电设备。

2 结构优化设计

便携式小型风力发电机在结構组成上已经足够精简，因此便携式小型风力发电机的结构优化主要是对于发电效率的提高，即以发电单元为核心的风叶、发电机的优化。

2.1 风叶设计

在风力发电机中所说的风叶设计一般是指气动设备的优化设计，而这类设备在优化中的约束条件就是发电机风叶从自然风中得到的输出功率比例，即所谓的输出功率系数的最大化，即设备在自然风影响下产生的机械能的最大化，是风叶设备优化设计的核心思路。主要能够采取的措施有以下几种。

1）风叶设计成有一定弯度的尾流翼型，这种设计能够延迟气流分离时间，提高风阻比例，叶片表面的延展向和弦向压力梯度变化也会有所降低，这种设计思路能够有效提高自然风向机械能的转化效率。

2）优化风叶弦长和安装角的组合。通过改变风叶弦长和安装角的组合、分布能够有效提高枫叶的转动效率，通常安装角的线性分布以及梯形的叶片平面形状能够有效提高转动效率。同时这种设计方便制造和组装也具有良好的起动特性。

3）风叶单元在设计和使用时并非叶片越多效率越高，多风叶能够利用更多的风阻，但是风叶单元的稳定性容易出现问题、叶片的强度也会出现问题，起动性能也是一个值得思考的问题。为了使风叶能够稳定工作，风叶数量应尽量使用三叶片或双叶片的组合，其中三叶片较双叶片相比，用材更加精简、展弦比更高，更有利于气动功率的提高。

4）叶片材料的选择上也需要格外注意，便携式小型风力发电机的工作环境一般处于野外或风力不稳定的环境中，因此枫叶材料应当具备耐磨、不易氧化变形等特征。根据实验研究发现，木材外粘环氧玻璃纤维的叶片是便携式小型风力发电机风叶的最优材料。

2.2 发电机和回转部分设计

发电机是便携式小型风力发电机的核心部门，风叶是将自然风转化为机械能的单元，而发电机和回转部分是将机械能转化为电能的发电单元。便携式小型风力发电机虽然是体积较小、便于携带，但其总体是个完整的发电系统，因此一个先进系统中应当是全系统所有单元的有机配合，从而实现各单元的效率运行。所以在便携式小型风力发电机系统的设计中应当尽可能将所有部件作为一个整体来设计，这样发电单元的各个结构能够相互依托联结，这样能够有效提高部件的刚度和耐用性，一定程度上能够节约制造材料，减少组装时的消耗时间，同时也有效降低了使用过程中的故障率。

一般的便携式小型发电机组的风轮和发电机是通过直联的方式进行连接，这么做的好处是对于机械能的需求会相应降低，发电效率也有所提高，因此发电机选择上应当使用用永磁发电机，永磁发电机能够在低转速的条件下稳定发电，是一种适合在野外和风力不稳定环境下持续发电的最佳发电设备。永磁发电机还具备结构简单，稳定性高，故障率低等特点，但是也有其固有缺点：1）起动阻力相对较高，如果风力较小，风叶无法产生足够的机械能，永磁发电机就难以起动，更不能进行发电作业。2）永磁发电机在使用时摩擦阻力较大，发电效率相对较低。3）永磁发电机的造价也相对较高。4）永磁发电机的设计结构相对固定，外形尺寸上的弹性选择空间较少，因此在便携式小型风力发电机中的适用性有待验证。

针对上述永磁发电机的不足，在对便携式小型发电机的设计和安装过程中进行以下技术改进：1）发电机的定子结构改为份数槽设计。2）对用永磁发电机的轴承密封进行改装，使用无摩擦阻力的迷宫结构降低永磁发电机转动时的阻力，来提高机械能向电能的转化率。3）使用切向磁路转子代替原有转子，以此来提高自然风带动风叶产生的机械能向电能的转化效率。

3 综述

综合来说便携式风力发电机作为一种发电野外使用的便携式发电设备，有其广阔的发展空间。现阶段这种便携的小型风力发电机技术尚不成熟，有很多可以进一步改进的方向。例如风叶的结构优化，提高风叶的稳定性和风阻系数，从而使其在自然风带动下稳定转动，将自然风中的能量转化为风叶转动的机械能带动发电机的发电单元运作，从而实现发电；在发电单元方面，主要优化思路就是通过降低转子转动时的能量损耗并提高转子的发电效率来实现设计上的优化升级；在储电单元方面，通过改变储电单元的材料组成，来提高储电过程中电能的转化效率并降低电能的流失速率，从而实现有效的储电；此外能够优化的结构设计还有很多方面，例如转速控制、发电机能各单元间的效率连接等。

参考文献：

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[2]吴爽.小型风力发电机组功率与载荷特性测试系统的实验研究[D].内蒙古农业大学，2015.

[3]李书珍，丁云闪，胡悦.一种便携式风力和手动双重发电装置的设计[J].产业与科技论坛，2016，15（13）：60.

作者简介：缪晓宾（1980-），男，汉族，四川成都人，硕士，副教授，研究方向：产品设计、机械设计、计算机辅助设计。