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摘要：随着我国经济的蓬勃快速发展，对电能的需求也与日俱增，而能源的短缺一直以来都是每个国家需要面临的问题，结合我国的实际情况，对风能的利用有效的缓解我国的能源紧缺和不足。因此，对风力发电机的动力学研究是非常有必要的，并大幅度降低了对化石能源的依赖，有效的促进了我国的经济的快速发展，为风力发电机的应用提供一定的参考依据。
关键词：风力发电机；动力学；分析；能源
0.引言
随着可再生能源的使用，使得其世界存储越来越少，面对人们对可再生能源的不断需求，使得对风能、太阳能等清洁能源的研究也越来越重视，尤其是风能的利用逐渐受到了研究学者的关注和研究[1-2]。与此同时，风力发电技术在发达国家趋于成熟，应用范围也逐渐扩大。对于风力发电主要是利用自然界的风能使得叶片旋转，进而带动发电机，此时就可以将风能转化成电能，输送到需要的地区[3]。其中，在风力发电的过程中，需要用到齿轮箱对速度和扭矩进行变换，因此能否是使发电机到达预定的额定速度和发电的额定电压，其齿轮箱作为传动系统起着重要的作用。
由于自然界的风能具有不稳定、不定向等特点，因此风力对叶片的作用力也是出于随机的状态，这会使得齿轮箱的传动长期处于变载荷且不稳定的环境，对其内部结构造成极大的破坏和损失，大大的降低了风力发电机的使用寿命[4]。本文基于风力发电机的动力学分析旨在对风力发电过程中的动态进行分析，以此减小其传动过程的振动，降低其故障频率，优化风力发电机的整体结构和使用寿命，对风力发电的拓展具有重要意义。1.风力发电机的理论基础
风力发电机时，发电机的叶轮获得风能，利用风的动能推动风轮的旋转，并带动发电机的运动，即风能转化为机械能，最后通过叶轮的旋转将机械能转化为电能[5]。风力对叶轮的作用力是整个风力发电机的动力输入，叶轮产生的机械能越多，则风力发电机获得的电能也就越多。
风力发电机是通过风轮在风中获得风的能量，此时经过叶片的风由于将其自身的动能转化为风轮的动能，风的速度会下降。当风扫过叶片的圆周面积时，经过叶片所在的圆周面，将空气和没有通过风轮的空气分离开来，就可以得到一个气流管。其气流管的示意图如图1所示。
从图1中可以看出，由于风力发电机叶片的存在，使得叶片上游的空气在接近叶片时，出现衰减，与此同时，由于风速的降低会使得叶片下游的气流管的膨胀，等同于空气的静压上升，最终风力的一部分动能就会转化为发电机叶片的机械能。上游的气体经过叶片之后，其静压会降，使尾流的气体的压力小于大气压。因此，整个过程中，叶片的上游和下游远处的空气，静压始终是保持不变，仅仅减小了气体的动能。
通过对风力发电的原理进行阐述之后，其中也会存在一些不足，总结几点如下：
（1）随着风力发电机组容量的不断增大，相应的塔架高度也越来越高，这样使得发电机的齿轮箱传动受力情况变得复杂。尤其是在特殊地形的气流对叶片影响较大，这样使得风力发电机的传动变得极其不稳定，再加上风力的或大或小，都会加速风力发电机的损坏。
（2）在风力发电机刚刚开始运行时，由于发电机的运动存在较大惯性，这种惯性力对叶片产生的作用力刚好相反，这样对于传动系统有很大的冲击，尤其齿轮箱中啮合的齿轮，大大降低了齿轮的使用寿命。另外，当风力发电机需要停止时，对齿轮箱的零部件承受较大的冲击，直接会损坏齿轮箱的零部件。
（3）在寒冷的地区，比如我国的东北地区，冬季气温基本上处于零下，甚至到达零下40℃。由于风力发电机的设计所能够承受的溫度在-20℃左右，特殊的发电机可以达到-30℃，这些因素主要有变速箱的内部结构决定，由于齿轮箱中齿轮啮合会放润滑油，来提高齿轮的寿命，但是在低温环境下，齿轮箱的润滑油就会变得粘稠，对齿轮的旋转是一种阻碍，增加了发电机的阻力，这样降低了风力发电机的发电效率。
（4）风力发电机中的齿轮箱，如果长时期且频繁受到风载荷变化冲击，势必会增加齿轮之间的磨损，齿轮就会慢慢出现轻微的磨损，进而齿轮表面出现点烛，甚至断裂等现象，使得风力发电机无法正常的工作。
由于风力发电的过程中，齿轮箱的运行环境相对复杂，承担的变载荷变得极为复杂。再加上我国风力发电相对发达国家而言起步较晚，对风力的统计没有及时的收集，尤其变载荷的数据文献。结合我国辽阔的国土，对风能开发具有非常大的前景，对风能的利用也能缓解能源不足和环境污染的困境，因此，有必要对风力发电机的动力学进行分析研究，以此提高风能的利用，改善我国的能源结构，加速经济的快速发展。
2.风力发电机的动力学分析
经过多年的发展，国内外的许多学者都对齿轮传动系统动力学进行了深入研究分析。尤其是特殊环境下的模拟分析，比如：风力发电机的齿轮箱，都有着严格的分析，目前基本上对风力发电机的研究大方向得到很好的解决，但依然存在一些较小的问题，影响着风力发电机的运行工作，比如：使用寿命、重载、性能等。
风力发电机的工作过程，不可避免的会出现齿轮箱的振动，其振动的类型大致上可以划分为三类：第一，由于齿轮传动中负载是随着齿轮的啮合进行传递的，都是成对的出现，必然有齿轮的哨入、啮出冲击，这样会造成单个齿轮上载荷的变化，引起所在轴的旋转；第二，齿轮产生的啮合力会随着外界载荷的变化实时的调整，如果出现忽大忽小的变载荷和方向的改变，都会引起变速箱的振动，从而影响齿轮的正常啮合，不利于变速箱的传递。第三，由于风力的不稳定性和变向性，使得零部件的精度变得越来越差，进而增大零部件的摩擦，引起热变形，进一步破坏变速箱等零部件的磨损，产生更大的冲击，陷入恶性循环。
本文以大型风力发电机齿轮箱传动系统为研究对象，建立齿轮传动系统的动力学模型，对其进行分析。在建立齿轮系统动力学模型时，作出如下假设：第一，齿轮、轴和轴承均为弹性体，箱体为刚箱体；第二，由于直齿轮没有轴向力，假定每个构件都在垂直于轴线的平面内振动；第三，忽略轮齿哨合时齿间的摩擦力，系统中的阻尼都为粘性阻尼，并不考虑齿侧间隙的影响，假定齿轮哨合力式中作用在哨合线上，各行星轮沿圆周分布，且质量质量、支撑刚度等参数均相等；其齿轮传动系统的几何模型的结构简图如图2所示。
一般风力发电机组由三级齿轮传动组成，第一级输入级，由内齿圈、太阳轮和三对行星齿轮组成，是内哨合的直齿行星齿轮传动；第二级为中间级，由一对小齿轮和大齿轮组成，是外哨合的斜齿圆柱齿轮传动；第三级为输出级，由一对大齿轮和小齿轮组成，是外哨合的直齿圆柱齿轮传动。系统通过叶片把风能转变成机械能，然后通过主轴传递给行星架，通过齿轮箱增速，由高速端输出驱动发电机转变成电能。其建立的三维空间动力学模型如图3所示。
在完成风力发电机的整机建模后，皆可以对其进行计算和仿真，以此判定该模型存在的缺陷和不足，为后期的分析奠定良好的基础。尤其是动力学分析，用科学的方法有效的分析了对风力发电机模型研究的重要性。
3.总结
通过以风力发电机为研究对象，从风力发电机存在的问题入手，合理分析其运行中的不足，并结合现代先进的技术手段，采取相应的措施和方法，以此提高风力发电机的发电效率和稳定性，以此降低风力发电的成本，与此同时，确保风力发电机的安全稳定运行，为我国风力发电的应用提供一定的理论依据。
参考文献：
[1]石峰，侯作富.基于Adams的风力发电机偏航系统动力学仿真[J].机械研究与应用，2017，30（01）：18-20.
[2]金鑫，甘洋，杨显刚，任海军，唐帅，巨文斌.独立变桨控制下的风力机齿轮箱动力学仿真分析[J].太阳能学报，2018，39（01）：218-225.
[3]王春光.基于动力学的兆瓦级风电齿轮增速箱可靠性灵敏度分析[J].机械强度，2018，40（04）：895-900.
[4]郇立荣，肖正明，陈甫，张恒，吴利荣.变载荷激励下故障半直驱风电行星齿轮传动系统的动力学特性[J].机械设计，2018，35（02）：16-22.
[5]王岩，董雯，李成振.基于变速变桨距的MW级风力发电机组的建模研究[J].长春工程学院学报（自然科学版），2018，19（02）：36-38+56.
作者简介：孙宇（1989.05.27）男，汉族，辽宁省营口市人，本科学历，中级职称，从事风力发电工作。
关键词：风力发电机；动力学；分析；能源
0.引言
随着可再生能源的使用，使得其世界存储越来越少，面对人们对可再生能源的不断需求，使得对风能、太阳能等清洁能源的研究也越来越重视，尤其是风能的利用逐渐受到了研究学者的关注和研究[1-2]。与此同时，风力发电技术在发达国家趋于成熟，应用范围也逐渐扩大。对于风力发电主要是利用自然界的风能使得叶片旋转，进而带动发电机，此时就可以将风能转化成电能，输送到需要的地区[3]。其中，在风力发电的过程中，需要用到齿轮箱对速度和扭矩进行变换，因此能否是使发电机到达预定的额定速度和发电的额定电压，其齿轮箱作为传动系统起着重要的作用。
由于自然界的风能具有不稳定、不定向等特点，因此风力对叶片的作用力也是出于随机的状态，这会使得齿轮箱的传动长期处于变载荷且不稳定的环境，对其内部结构造成极大的破坏和损失，大大的降低了风力发电机的使用寿命[4]。本文基于风力发电机的动力学分析旨在对风力发电过程中的动态进行分析，以此减小其传动过程的振动，降低其故障频率，优化风力发电机的整体结构和使用寿命，对风力发电的拓展具有重要意义。1.风力发电机的理论基础
风力发电机时，发电机的叶轮获得风能，利用风的动能推动风轮的旋转，并带动发电机的运动，即风能转化为机械能，最后通过叶轮的旋转将机械能转化为电能[5]。风力对叶轮的作用力是整个风力发电机的动力输入，叶轮产生的机械能越多，则风力发电机获得的电能也就越多。
风力发电机是通过风轮在风中获得风的能量，此时经过叶片的风由于将其自身的动能转化为风轮的动能，风的速度会下降。当风扫过叶片的圆周面积时，经过叶片所在的圆周面，将空气和没有通过风轮的空气分离开来，就可以得到一个气流管。其气流管的示意图如图1所示。
从图1中可以看出，由于风力发电机叶片的存在，使得叶片上游的空气在接近叶片时，出现衰减，与此同时，由于风速的降低会使得叶片下游的气流管的膨胀，等同于空气的静压上升，最终风力的一部分动能就会转化为发电机叶片的机械能。上游的气体经过叶片之后，其静压会降，使尾流的气体的压力小于大气压。因此，整个过程中，叶片的上游和下游远处的空气，静压始终是保持不变，仅仅减小了气体的动能。
通过对风力发电的原理进行阐述之后，其中也会存在一些不足，总结几点如下：
（1）随着风力发电机组容量的不断增大，相应的塔架高度也越来越高，这样使得发电机的齿轮箱传动受力情况变得复杂。尤其是在特殊地形的气流对叶片影响较大，这样使得风力发电机的传动变得极其不稳定，再加上风力的或大或小，都会加速风力发电机的损坏。
（2）在风力发电机刚刚开始运行时，由于发电机的运动存在较大惯性，这种惯性力对叶片产生的作用力刚好相反，这样对于传动系统有很大的冲击，尤其齿轮箱中啮合的齿轮，大大降低了齿轮的使用寿命。另外，当风力发电机需要停止时，对齿轮箱的零部件承受较大的冲击，直接会损坏齿轮箱的零部件。
（3）在寒冷的地区，比如我国的东北地区，冬季气温基本上处于零下，甚至到达零下40℃。由于风力发电机的设计所能够承受的溫度在-20℃左右，特殊的发电机可以达到-30℃，这些因素主要有变速箱的内部结构决定，由于齿轮箱中齿轮啮合会放润滑油，来提高齿轮的寿命，但是在低温环境下，齿轮箱的润滑油就会变得粘稠，对齿轮的旋转是一种阻碍，增加了发电机的阻力，这样降低了风力发电机的发电效率。
（4）风力发电机中的齿轮箱，如果长时期且频繁受到风载荷变化冲击，势必会增加齿轮之间的磨损，齿轮就会慢慢出现轻微的磨损，进而齿轮表面出现点烛，甚至断裂等现象，使得风力发电机无法正常的工作。
由于风力发电的过程中，齿轮箱的运行环境相对复杂，承担的变载荷变得极为复杂。再加上我国风力发电相对发达国家而言起步较晚，对风力的统计没有及时的收集，尤其变载荷的数据文献。结合我国辽阔的国土，对风能开发具有非常大的前景，对风能的利用也能缓解能源不足和环境污染的困境，因此，有必要对风力发电机的动力学进行分析研究，以此提高风能的利用，改善我国的能源结构，加速经济的快速发展。
2.风力发电机的动力学分析
经过多年的发展，国内外的许多学者都对齿轮传动系统动力学进行了深入研究分析。尤其是特殊环境下的模拟分析，比如：风力发电机的齿轮箱，都有着严格的分析，目前基本上对风力发电机的研究大方向得到很好的解决，但依然存在一些较小的问题，影响着风力发电机的运行工作，比如：使用寿命、重载、性能等。
风力发电机的工作过程，不可避免的会出现齿轮箱的振动，其振动的类型大致上可以划分为三类：第一，由于齿轮传动中负载是随着齿轮的啮合进行传递的，都是成对的出现，必然有齿轮的哨入、啮出冲击，这样会造成单个齿轮上载荷的变化，引起所在轴的旋转；第二，齿轮产生的啮合力会随着外界载荷的变化实时的调整，如果出现忽大忽小的变载荷和方向的改变，都会引起变速箱的振动，从而影响齿轮的正常啮合，不利于变速箱的传递。第三，由于风力的不稳定性和变向性，使得零部件的精度变得越来越差，进而增大零部件的摩擦，引起热变形，进一步破坏变速箱等零部件的磨损，产生更大的冲击，陷入恶性循环。
本文以大型风力发电机齿轮箱传动系统为研究对象，建立齿轮传动系统的动力学模型，对其进行分析。在建立齿轮系统动力学模型时，作出如下假设：第一，齿轮、轴和轴承均为弹性体，箱体为刚箱体；第二，由于直齿轮没有轴向力，假定每个构件都在垂直于轴线的平面内振动；第三，忽略轮齿哨合时齿间的摩擦力，系统中的阻尼都为粘性阻尼，并不考虑齿侧间隙的影响，假定齿轮哨合力式中作用在哨合线上，各行星轮沿圆周分布，且质量质量、支撑刚度等参数均相等；其齿轮传动系统的几何模型的结构简图如图2所示。
一般风力发电机组由三级齿轮传动组成，第一级输入级，由内齿圈、太阳轮和三对行星齿轮组成，是内哨合的直齿行星齿轮传动；第二级为中间级，由一对小齿轮和大齿轮组成，是外哨合的斜齿圆柱齿轮传动；第三级为输出级，由一对大齿轮和小齿轮组成，是外哨合的直齿圆柱齿轮传动。系统通过叶片把风能转变成机械能，然后通过主轴传递给行星架，通过齿轮箱增速，由高速端输出驱动发电机转变成电能。其建立的三维空间动力学模型如图3所示。
在完成风力发电机的整机建模后，皆可以对其进行计算和仿真，以此判定该模型存在的缺陷和不足，为后期的分析奠定良好的基础。尤其是动力学分析，用科学的方法有效的分析了对风力发电机模型研究的重要性。
3.总结
通过以风力发电机为研究对象，从风力发电机存在的问题入手，合理分析其运行中的不足，并结合现代先进的技术手段，采取相应的措施和方法，以此提高风力发电机的发电效率和稳定性，以此降低风力发电的成本，与此同时，确保风力发电机的安全稳定运行，为我国风力发电的应用提供一定的理论依据。
参考文献：
[1]石峰，侯作富.基于Adams的风力发电机偏航系统动力学仿真[J].机械研究与应用，2017，30（01）：18-20.
[2]金鑫，甘洋，杨显刚，任海军，唐帅，巨文斌.独立变桨控制下的风力机齿轮箱动力学仿真分析[J].太阳能学报，2018，39（01）：218-225.
[3]王春光.基于动力学的兆瓦级风电齿轮增速箱可靠性灵敏度分析[J].机械强度，2018，40（04）：895-900.
[4]郇立荣，肖正明，陈甫，张恒，吴利荣.变载荷激励下故障半直驱风电行星齿轮传动系统的动力学特性[J].机械设计，2018，35（02）：16-22.
[5]王岩，董雯，李成振.基于变速变桨距的MW级风力发电机组的建模研究[J].长春工程学院学报（自然科学版），2018，19（02）：36-38+56.
作者简介：孙宇（1989.05.27）男，汉族，辽宁省营口市人，本科学历，中级职称，从事风力发电工作。