摘 要：在全面分析垂直轴风力发电机主轴结构和受力的基础上，运用 ANSYS Workbench 建立垂直轴风力发电机主轴的参数化有限元模型。以主轴的强度和刚度为约束条件，以主轴质量最小为目标。对主轴的内径、支承跨距、轮辐与支承的距离和轮辐跨距进行了优化计算。并对优化前后结果进行了对比分析。计算结果表明：垂直轴风机主轴结构优化后，在保证各项力学性能的前提下，主轴质量得到较大幅度的减小。从而降低了主轴的生产成本，提高了垂直轴风力发电机的市场竞争力。

关键词：垂直轴风力发电机；主轴；优化设计；ANSYS Workbench

1、引 言

风能作为一种蕴含量巨大的可再生能源 ；是替代化石燃料最主要的能源之一。风力发电技术越来越受到各个国家的大力发展，风能是解决我国能源短缺和环境污染问题最现实的能源。风力机按其主轴与地面的相对位置，分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类，垂直轴风力机的设计与研究相对比较滞后 。垂直轴风力发电机具有结构简单、能捕获任意方向风能等众多优点，是近年来在内陆和近城区大力研发的一种风力发电机。以该课题组自主设计的垂直轴风力发电机主轴为研究对象。详细分析了主轴的结构和受力情况，尤其是风机所受的风载荷，使用 ANSYS 的Workbench 模块建立垂直轴风力发电机主轴的有限元模型[4]。运用目标驱动优化设计模块以主轴的强度和刚度为约束条件，以主轴的体积为目标函数，对主轴的内径、支承跨距、轮辐与支承的距离和轮辐跨距进行了优化设计，并对优化结果进行了分析。

2、风机主轴结构及优化设计原理

2.1 垂直轴风机主轴结构

风力发电机组结构较为复杂，加工制造成本较高，为了提高风力发电的市场竞争力，必须降低加工制造成本。机组零部件的设计直接决定风力发电机组的加工制造成本。主轴是垂直轴风机组中主要的支承部件，其主要尺寸将对风力机的性能和整个风机的加工制造成本产生很重要的影响。主轴的设计要与风机的功率相匹配，主轴的高度将决定风机捕获风能的面积。所以垂直轴风力发电机主轴是风力发电机中非常关键的零部件。