模块化设计在风力发电机开发中的应用

贾 冰，张 雷，吴 兵

(国电联合动力技术有限公司，北京 100039)

1 模块与模块化设计

所谓模块，就是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元［1］。

模块化设计，即将产品的若干要素组合在一起，组成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。通过对不同模块的组合，可以用有限资源组合成为多种不同类型的产品。

2 模块化设计在风力发电机开发中的应用

风力发电机，简称风机，是将风能转化为电能的装置，主要由叶片、发电机、机械部件和电气部件组成。

近年来风能市场的快速发展驱动了各国在风力发电机行业的投入，风力发电机的开发具有批量化、定制式的特点。传统研发方式从设计到投放市场时间较长，而变化的市场对产品研发时间提出了更高的要求。模块化设计通过预定的标准接口，将产品分解成由相互独立产品模块组成的柔性产品平台，可以根据客户的需求定制出不同特点的产品。

在工业领域中，各行业对模块划分都有自己相应的标准，英国学者SUH［2］从功能－结构参数映射的角度定义了模块化设计的概念:模块化设计是一种分析结果的产生，这种结果以产品、过程和系统的形式表现，并满足预定的需求，其方法是选择适当的结构域设计参数，完成从功能需求域到设计参数域的映射。

依据上述设计思想，模块化设计首先是根据客户的总需求，将总需求划分为一系列子需求;根据子需求完成从用户需求域到模块功能域的映射，在映射的过程中应考虑子需求和子模块功能之间的对应关系;然后在考虑模块性能的基础上完成从模块功能域到模块结构域的映射，在此步骤中应同样考虑其对应关系;由于结构是功能的载体，功能的聚类最终要映射为一定的结构体，即最终由子模块结构汇总为整体结构［3－5］，如图1 所示。

图1 模块化设计过程

根据上述过程，在风机开发的实际过程中，可以参照需求、功能与结构的映射对产品按这3个层次进行模块划分。

a.需求层。在风力发电机开发的实际过程中，客户的需求是风力发电机开发的基本方向，由于受到地理特征、风场等级、交通运输等各种情况的制约，客户的需求各不相同，可根据需求特点划分为总需求和子需求。风力发电机各部分的基本结构是相对固定的，所以可以将风力发电机模块划分为固定模块和可选模块。固定模块是根据风力发电机的固有特性划分的，构成了风力发电机最基本的需求，其组成了风力发电机的基本结构;可选模块则是根据客户需求不同可以变化或调整的模块。如图2所示。

图2 固定模块与可选模块

b.功能层。在需求层基础上，从功能设计的角度，对产品进行功能分析，全面概括产品所应具备的各项功能，并按一定的原则对这些功能进行调整、分解、合并，最终将风机产品划分为一系列功能模块。功能层的主要任务是站在设计开发人员的角度上通过技术原理实现产品功能。在功能层中首先要分析用户所提出的需求，然后重新设计或者对既有模块的功能单元进行修订，从而形成一系列新功能单元，以满足这些需求。最后，再对这些功能单元进行整合，将那些关系密切的功能单元划分在一起，从而形成一系列功能模块或者子模块［6］。

c.结构层。在功能层的基础上，从结构设计的角度，对产品进行结构上的划分。结构层模块的划分要尽量与功能模块的划分一一对应，以便把功能模块的划分原则体现在结构中［7］。而对于风机而言，其基本结构是相对固定的，所以只需要对其部分结构进行修订即可。

上述原则在风机开发设计中同样适用，风机是由多个部件组成的复杂的机械装置，其主要组成为机械装置、电气装置、复合材料等。传统设计是以风机结构的不同来划分成不同的部分，如转子叶轮装配、机舱装配等并逐层分解，其结构层较多，更改底层部件时往往会影响其上级部件的相应属性，从而导致开发时间较长。应用模块化设计的理念，可以将其各部件组合成为相应的模块或子模块，进行快速的设计或变更，从而节省大量的人力和开发时间。如图3所示。

图3 从传统设计到模块化设计

当客户提出相应需求时，根据客户提供的信息，开发人员通过分析其特定需求在风机基本功能上的变化，对特殊需求的模块进行编制、修订和优化，最后配置上既有的基本模块或者子模块。在这种模式下，开发人员只需调整较少的部分即可完成风力发电机的整体设计。如图4所示，2.0MW近海型风机与2.0MW常温型风机相比，需要增加排水/除湿系统这个可选模块(本文只以此模块为例)，这是因为近海地区空气潮湿，为了避免对机械和电气元器件的腐蚀，根据客户需要而增加此模块。

图4 根据客户需求进行配置管理

作为风机类产品，往往以发电量作为一个系列或者产品平台，如1.5MW系列风机、2.0MW系列风机、3.0MW系列风机，不同系列的相同功能(特性)的模块可以组成模块库，在开发产品时可以根据其不同的特性快速衍生出相应系列的机型。如在轮毂装配模块库可以包含1.5MW的轮毂装配模块、2.0MW的轮毂模块等，根据不同的需求开发人员可以调用其模块库中的内容进行组合，从而避免进行再设计。此外，可以将模块进行加密后组成客户模块库，将客户模块库对客户开放，客户可以根据自己的需求搭配相应的内容，开发人员采纳其合理内容作为设计输入条件，这样能够极大地满足客户的需求，避免在开发过程中出现不必要的偏差。模块库管理如图5所示。

图5 模块库管理

3 结束语

利用模块化设计方法，产品开发不仅只是针对一种产品，而且充分考虑了扩展和变型的可能。2.0MW系列风机在研发过程中，充分利用了模块化设计的理念。开发人员以陆上常温型风机为基础，将风机各通用的部件组合成的固定模块，并根据地理特征、风场等级、风轮直径等条件组合成一系列的可选模块，通过模块的组合和优化，缩短了风机开发设计的时间并满足了客户的需求。根据市场反馈，2.0MW系列风力发电机产品具有配置灵活性大、开发周期短、质量及供货容易保证等特点，受到客户极大的好评。

［1］ 童时中.模块化原理设计方法及应用［M］.北京:中国标准出版社，2000:20－23.

［2］ SUH N P.The Principle of Design［M］.Oxford:Oxford University Press，1990.

［3］ 吴俊庭，万立.机床产品设计中的模块化技术研究［J］.中国机电工业，2007(12):94－95.

［4］ 杜陶钧，黄鸿.模块化设计中模块划分的分级、层次特性的讨论［J］.机电产品开发与创新，2003(2):51－53.

［5］ 张磊.模块化设计在客车车身设计中的应用研究［D］.长春:吉林大学，2013.

［6］ 侯亮，唐任仲，徐燕申.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展［J］.机械工程学报，2004(1):56－61.

［7］ 张宝辉，龚京忠，李国喜，等.产品模块化设计中的功能模块划分方法研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2004(9):55－59.