太阳能电池板转向机构设计本科生毕业设计(编辑修改稿)

太阳能电池板转向机构设计本科生毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

也可用下式计算 : (27) 根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式 (26)或者式 (27)中的任意一个可以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。 (3) 日照时间 太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角。 若不考虑地表曲率及大气折射的影响，根据式 (23)，可得出日出日没时角表达式 (28) 式中 日出或日没时角，以度表示，正为日没时角。 负为日出时角。 对于北半球，当，解 析 式 (28)，有 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 13 (29) 求出时角 后，日出日没时间用求出。 一天中可能的日照时间由下式给出 （ 210） 利用太阳高度角和方位角的数学模型，就可以在固定纬度，固定时段计算出太阳在此条件下的方位。 从而可以通过控制使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电。 3 转向机构 的设计 转向机构的整体设计 转向机构的设计是为实现对太阳的全自动跟踪，使太阳能板自动准确的跟踪太阳运动， 这 就必须使太阳能板装置具有跟踪功能。 在实际的运行过程中，太阳的运动是一个沿着方位方向和高度方向两个方向的非线性运动，因此，需要两个步进电机分别进行控制。 这两个步进电动机的作用是驱动跟踪装置可以沿方位方向和高度方向转动，从而带动驱动装置沿这两个方向运动。 这样，跟踪装置就可以在步进电动机的带动下在整个太阳运动过程中光线始终垂直于太阳能板，保证了太阳能的有效利用。 本设计中通过 用两个步进电机驱动 东西向的方位角跟踪和南北向的高度角的跟踪 ， 达到使太阳能电池板能够始终正对太阳照射角，从而达到提高太阳能利用率的目的。 同时，此跟踪系统的设计还必须本着造价低廉、可靠性高、结构简洁的原则进行。 机械转向机构在结构上要做到结构紧凑、布局合理，选件不能过杨李艳：太阳能电池板转向机构 设计 14 大臃肿，在同等条件下，尽量选用小型的构件。 通过，再在几种比较合 适的结构的基础上进行一些修改以更加符合本设计的要求，最终得到的结构如图 31所示。 此结构在东西向和南北向都有很大的转动空间，并且结构简单，耗材较少，比较适合小型的太阳能跟踪发电系统。 如图 31，本机械转向机构基本组成主要有：底座、下层平台、上层 平台、步进 电机、减速装置、电池板固定框架等。 在转向机构的组成中，底座主要由普通的钢材加工而成，便于拆卸和移动。 驱动电机选用的是步进电机，此种电机性能可靠，对于角度量转向控制精确。 连轴器选用的是普遍使用的弹性联轴器，耐冲击，经久耐用。 由于研发要求系统要结构紧凑，电机选取的为小型步进电机，输出扭矩达不到转向要求，因此要选用减速机构来提升输出扭矩，在本光伏系统中，选取的是小型涡轮蜗杆 及直齿圆柱齿轮 减速机构。 并且 ，太阳的角度控制要求精确，要合理的选取涡轮蜗杆减速机构的传动比。 电池板固定架用来对太阳能电池板进行固定， 要求设计合理，稳定。 在介绍步进电机电路设计之前，先讨论一下步进电机的特性。 1下平台； 2底座； 11减速箱； 4主轴； 5转台； 6支承轴； 7轴销； 8电池板支架； 9螺钉 ； 10凸轮推杆 ； 12滚子。 图 31 机械转向机构整体设计图 步进电机 步进电动机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的控制电机。 在数 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 15 字控制系统中，步进电动机作为执行元件，每输入一个脉冲，电动机就转动一个 角度或前进一步。 因此，步进电动机又称为脉冲电动机。 步进电动机在任何一个 方向的任意机械位置都可以启动和停止，并且，它的转子按照每一个输入步进指 令以准确的角度运动和停止。 这种精确的角度运动可随每一个输入步进指令重复， 从而使其转子可在任一方向上精确定位。 步进电动机具有结构简单、维护方便、 精确度高、调速范围大、起动、制动反应灵敏等特点。 而且如果停机后某些相仍 保持通电状态，则步进电动机还具有自锁能力。 步进电动机的转速决定于电脉冲 频率，并与频率同步，由于具有这些优点，步进电动机广泛应用于数字控制系统 中。 从广义上讲，步进电动机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型，电 磁式步进电机最为常见。 电磁式步进电机一般又分为反应式步进电机 (VR)、永磁 式步进电机 (PM)和混合式步进电机 (HB)三种。 反应式步进电机的转子是由软磁材 料制成的，转子中没有绕组，它结构简单成本低，步距角可以很小，但动态性能 较差。 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源，它 输出转距大，动态性能好，但步距角一般很大。 混合式步进电机则是综合了反应 式和永磁式两者的优点，即不仅定子和转子上开了很多小槽，同时其磁路内含有 永久磁钢，这使得混合式步进电机不仅可以像反应式步进电机那样小步距的转动， 也具有永磁式控制功率小动态性能好的特点。 步进电机的相数是指产生不同对极 N、 S 磁场的激磁线圈对数，常见的步进电机有两相、四相和五相。 步进电机的运行拍数指完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。 步进电机的步距角指对应一个脉冲信号，电机转子转过的角。 步进电机的选择 选择步进电机时首先要知道机械和时间二个方面的要素。 机械要素是指负载转矩 和负载惯量。 时间要素是指加速时间 和 (即从 开始加速到 )，运行时间 t。 在 节中介绍了跟踪装置的机械执行机构。 在实际应用中，考虑到步进电机驱动的细分功能，我们在俯仰轴与电机 19 的输出轴之间采用了减速 比为 1:80 装置。 在方位轴与电机 18 之间采用了减速比为 1:64 的减速装置。 然后要计算需要的运行转矩。 电动机带载运行所需要的转矩为 : 杨李艳：太阳能电池板转向机构 设计 16 式中 ： T 一需要的运行转矩， kg。 一负载转矩，。 一惯性体的加速转矩，。 ①负载转矩由实测得到或用相关计算式估算。 ②惯性体的加速转矩可按下式计算。 在设计中，考虑到装置的摩擦很小，采光板的质量相对转动架很小，且在后面利用求圆柱体的惯量公式近似估算转动架的惯量时已有很大的冗余，因此设定，采光板的惯量为 0。 控制系统对步进电机的转速要求不高，因此设定输入电机的脉冲频率为 100HZ，加速时间为 秒。 在参考了步进电机厂家的相关资料后，决定选用细分后步距角为 的步进电机。 方位角带动的转动架采用铁（）作为原材料，转动架为一长方形的框架 (图 32)，采用厚 2cm的铁板，两侧壁、底部宽为 10cm，框架底部长 40cm，两壁高 20cm，其惯量经计算圆柱体的惯量公式近似计算得 : 折算到电机 18输出轴上的惯量为： 电机 18 输出轴上的加速转矩为 : 由于电机 18 和电机 19 的输入脉冲信号频率和加速时间一致，因此采用相同的方法可以估算出。 电机 19 输出轴上的惯量为 : 电机 19 输出轴的加速转矩为： 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 17 因此电机 18 和电机 19 带载运行所需要的转矩分别为 和。 在查阅了步进电机生产厂家的产品参数资料后，并且考虑到首次设计的装置，所选用的电机和驱动器的特性，通常留有 倍的余量。 所以本系统选用 56BYG250D024 56BYG250C0241 两相 混合式 步进电机。 表 31 列出两电机的相关主要参。 表 31 步进电机主要参数 型号 相数 步距角 （ ） 相电流 （ A） 保持转矩（） 转动惯量 （ g） 重量 (kg) 外形尺寸 （ mm） 56BYG250D0241 2 460 1 56BYG250C0241 2 260 太阳能自动跟踪系统方位角部分的设计 下 图 32为太阳能自动跟踪系统跟踪方位角的机械部分的设计的俯视图。 跟踪方位角即东西方向的跟踪，在减速箱体 3内安装由电机 1齿轮 12和 1蜗轮1蜗杆 17构成的。 齿轮 13固定在连接轴 14中部，连接轴通过轴承安装在减速箱体上，蜗轮 16固定在主轴 4上 ，主轴 的中部通过轴承安装一个减速箱体 ，主轴的下端固定在支座 2上，支柱 6的下端固定在上平台 上，支柱 6的上端通过销轴 7与电池板支 架连接。 电机 18通过齿轮 1 13带动蜗杆 17转动，并带动减速箱体、电池板支架转动，完成东西方向的跟踪。 A — A1 11 21 31 41 51 61 71 8 1 13齿轮； 14连接轴； 16蜗轮； 17蜗杆； 18步进 电机 图 33 跟踪系统跟踪方位角减速箱中设计的俯视图 太阳从早上六点开始升起，到晚上六点下山，中间十二个小时为日照时间。 杨李艳：太阳能电池板转向机构 设计 18 但考虑到对太阳能的利用率问题，太阳从上午 8:00到下午 16:00为日照强度高时段，所以为充分利用太阳能，从早上 6:00到 8:00使步进电机空载，不加任何脉冲频率；从 8:00到 16:00设定输入电机的脉冲频率为 100HZ；从 16:00到 18:00电动机继续空载。 查阅知步进电机转速与脉冲频率的关系为 步进电机的功率为 式中： n 转速，单位 r/min； f 脉冲频率，单位 HZ； 步距角，单位176。 ； 电机功率，单位 w； T 转矩，单位 N 齿轮的设计计算 (1) 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 ○ 1 按传动方案，选用直齿 圆柱齿轮。 ○ 2 工作机的速度不大，故选用 7级精度（ GB1009588）。 ○ 3 材料选择。 由 (第八版第十章 )选择小齿轮材料为 40Cr(调质 )，硬度为280HBS，大齿轮材料为 45钢（调质），硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。 ○ 4 选小齿轮齿数为 , 大齿轮齿数 取。 (2) 按齿面接触强度计算 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 19 由 《机械 设计 》 (第八版第十章 )计算公式进行计算，即 ○ 1 确定公式内的各计算数值 1) 试选载荷系数。 2) 计算小齿轮传递的转矩 3) 由《机械设计》 (第八版第十章 )选取齿宽系数。 4) 由 《机械设计》 ( 第 八 版 第 十 章 ) 查 得 材 料 的 弹 性 影 响 系 数。 5) 由 《机械设计》 (第八版第十章 )按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限。 6) 由 《机械设计》 (第八版第十章 )算应力循环次数 7) 由 《 机 械 设 计 》 ( 第 八 版 第 十 章 ) 取 接 触 疲 劳 寿 命 系 数。 8) 计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由 《机械设计》 (第八版第十章 )得 ○ 2 计算 1) 试算小齿轮分度圆直径 ，代入 [ ]中较小的值。 杨李艳：太阳能电池板转向机构 设计 20 = 2) 计算圆周速度 v。 V= 30/(60 )=3) 计算齿宽 b。 b==1 4) 计算齿宽与齿高之比 模数 齿高 h= = 5) 计算载荷系数。 根据 v=,7级精度，由 《机械设计》 (第八版第十章 )查得载荷系数 直齿轮， 由 《机械设计》 (第八版第十章 )查得使用系数 由 《机械设计》 (第八版第十章 )使用插值法查得 7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，。 由 ， 查 《机械设计》(第八版第十章 )得 故载荷系数 K= 6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由 《机械设计》 (第八版第十章 )得 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 21 7) 计算模数 m。 m= . (3) 按齿根弯曲强度设计 由 《机械设计》 (第八版第十章 )得弯曲强度的设计公式。