風力發電機結構件動力學特性分析

□ 房 明 □ 趙 震,3 □ 唐子謀 □ 李 華,

1.江蘇中車電機有限公司 江蘇大豐 224100 2.中車株洲電機有限公司 湖南株洲 412000 3.西安交通大學 機械工程學院 西安 710049

1 分析背景

風力發電是一種發展前景廣闊的清潔能源,發展極其迅速。2018年,全球風力發電容量達到600 GW以上,我國則擁有世界1/3以上的風力發電裝機容量,達到221 GW,且已經出現了單機容量為8 MW～12 MW的風力發電機商業化機或概念機。隨著風力發電行業的迅猛發展,風力發電機部件設計的可靠性越來越重要。風力發電機結構設計時,既要滿足靜強度、疲勞壽命和動力學振動的特性要求,也要符合國際或國內的行業設計標準[1]。

目前,國內學者在風力發電機靜強度和疲勞仿真分析方面做了大量研究。何玉林等[2]利用有限元分析軟件對直驅風力發電機組主機架結構進行了靜強度和疲勞壽命分析。杜靜、何玉林等[3]對兆瓦級風力發電機組主軸疲勞損傷進行研究,提出將雨流循環計數法與Palmgren-Miner線性累積損傷理論相結合的主軸疲勞損傷計算方法。楊兆忠等[4]以輪轂為例,從極限強度和疲勞壽命兩個方面結合有限元軟件對鑄件強度進行校核。沃曉臨等[5]采用有限元軟件對兆瓦級風力發電機輪轂與主軸的連接螺栓進行強度分析,在極限載荷與疲勞載荷下對連接螺栓進行仿真計算。上述研究主要集中在風力發電機結構靜強度和疲勞壽命方面,而在風力發電機動力學方面,趙萍等[6]對大型風力發電機組動力學特性進行了研究,曹娜等[7]對直驅永磁同步風力發電機的動力學特性進行了仿真分析,辛金明[8]依據發電機組的結構對三種風力發電機組的動力學模型進行了分析。

筆者以某兆瓦級直驅永磁風力發電機結構件為研究對象,使用有限元軟件進行模態仿真分析和電磁振動仿真分析,并進行動力學振動特性分析,為大型直驅永磁風力發電機的結構設計提供參考。

2 風力發電機結構件模態仿真分析

2.1 定子

使用有限元軟件對風力發電機定子建模,分別進行自由模態和約束模態仿真分析。定子一階模態如圖1所示,自由狀態下一階自由模態為44.634 Hz,定軸固定后一階約束模態為32.996 Hz。

▲圖1 定子一階模態

2.2 轉子

使用有限元軟件對風力發電機轉子建模,分別進行自由模態和約束模態仿真分析。轉子一階模態如圖2所示,自由狀態下一階自由模態為30.792 Hz,軸承位置固定后一階約束模態為32.737 Hz。

▲圖2 轉子一階模態

2.3 整機

使用有限元軟件對風力發電機整機進行建模,計算風力發電機整機在不同剛度下的模態。用彈簧模擬軸承時,計算結果如圖3所示。風力發電機整機轉子的一階自由模態為25.008 Hz,整機定子的一階約束模態為29.234 Hz。

▲圖3 彈簧模擬軸承時風力發電機整機一階模態

用賦予鑄件屬性的實體模擬軸承時,計算結果如圖4所示。整機轉子的一階自由模態為28.430 Hz,整機定子的一階約束模態為29.711 Hz。

▲圖4 實體模擬軸承時風力發電機整機一階模態

2.4 模態分析小結

風力發電機的模態仿真分析是評估不發生共振的關鍵方法和依據。風力發電機主要由定子和轉子組成,從已有的實測數據來看,為保證結構設計安全,需要使定子、轉子的固有頻率遠離風力發電機的轉頻和未調頻前的電磁頻率[9]。

筆者首先對定子的自由模態和約束模態進行分析,然后對轉子的自由模態和約束模態進行仿真分析,最后對風力發電機整機進行約束模態仿真分析。其中,軸承剛度對風力發電機整機模態的影響比較大,所以對風力發電機整機在不同軸承剛度下的模態進行了分析。

由圖1和圖2可知,風力發電機定子和轉子一階模態遠高于風力發電機的轉頻0.125 Hz和未調頻前的電磁頻率11.25 Hz。由圖3和圖4可知,風力發電機整機在不同剛度下定子、轉子一階振型均表現為偏心振動,且一階固有頻率均遠離風力發電機轉頻和電磁頻率,證明該風力發電機的動力學振動特性良好。

3 風力發電機電磁振動分析

3.1 電磁力計算

風力發電機的電磁力是時空二維變化的物理量,計算中保存了風力發電機穩定運行的磁場結果,進而提取風力發電機氣隙靠近定子齒部位的磁密Bg。這一氣隙磁密可分解為徑向分量Bgr和切向分量Bgt,進而可求出風力發電機電磁力的徑向分量fr和切向分量ft。由于切向分量較小,一般可以忽略,因此只考慮徑向分量,有:

(1)

式中:μ0為空氣磁導率。

計算風力發電機的徑向電磁力,一對極空間下電磁力波形時空二維分布圖如圖5所示。

▲圖5 一對極空間下電磁力波形時空二維分布圖

3.2 定子電磁振動模型

建立風力發電機定子結構的有限元模型,對硅鋼片鐵心和繞組模型進行等效設置,一般定子鐵心設置為各向異性。通過控制齒面上電磁網格節點和結構網格節點分布的一致性,將電磁力轉移到結構網格上,得到風力發電機在整個運轉過程中定子上各點的振動位移、速度、加速度,以及定子上各點的機械應變和應力情況[10-11]。加載電磁力的定子模型如圖6所示,通過模態疊加方法計算定子表面振動。

▲圖6 加載電磁力定子模型

3.3 定子電磁振動值

很多國際、國家標準都對旋轉機械的振動范圍進行了規定,如ISO 2372、ISO 10816、IEC 60034-14、GB/T 6075、GB/T 10068等。筆者執行標準GB/T 10068—2008《軸中心高為56 mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值》中的規定,振動速度限制為2.3 mm/s,振動加速度限制為3.6 m/s2,進行有限元仿真分析,風力發電機振動速度、加速度值提取點如圖7所示。0～256 Hz頻率范圍內振動速度如圖8所示,振動加速度如圖9所示,均滿足標準要求。

▲圖7 風力發電機振動速度和加速度值提取點

▲圖8 風力發電機振動速度

▲圖9 風力發電機振動加速度

4 結束語

筆者以某兆瓦級直驅永磁風力發電機結構件為研究對象,進行動力學特性分析。在研究中,對風力發電機定子、轉子進行了自由模態和約束模態計算,并對風力發電機整機在不同軸承剛度下的一階模態進行了仿真分析。另一方面,將電磁力引入風力發電機定子模型,按照國家標準對風力發電機定子結構進行電磁振動仿真分析。上述計算均基于理想模型進行,在實際組裝和運行中,風力發電機可能會出現轉子質量分布不均勻、風力發電機偏心及電磁力不均勻等問題,因此風力發電機動力學振動問題還需要更深入的研究。