某型號兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可靠性分析

張 俊，孫克嶺，張宇舟，楊英平，尹曾鋒

某型號兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可靠性分析

張 俊1，孫克嶺1，張宇舟1，楊英平2，尹曾鋒

（1. 湖南高創(chuàng)新能源有限公司，長沙 410006；2. 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湘潭電機(jī)股份有限公司，湘潭 411101）

轉(zhuǎn)子是電機(jī)中重要的結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度直接關(guān)系到電機(jī)的性能，因此電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析十分有必要，本文基于有限元分析方法對某型號風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、鐵芯強(qiáng)度進(jìn)行了可靠性分析，并且分析了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，分析表明該電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可靠、設(shè)計(jì)合理。

風(fēng)力發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度 鐵芯強(qiáng)度 臨界轉(zhuǎn)速 有限元法

0 引言

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)取得了驚人的效益，因此很多專家與企業(yè)都非常重視雙饋風(fēng)力研究與開發(fā)，即便如此，由于市場競爭日益嚴(yán)峻，從而對產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性的要求進(jìn)一步提高[1]，因此對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并提高其可靠性是當(dāng)前提高產(chǎn)品競爭力的有效手段，而雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)其轉(zhuǎn)子是電機(jī)的重要部分，其結(jié)構(gòu)是否合理關(guān)系到電機(jī)是否能長時(shí)間良好運(yùn)行，因此對電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析顯得尤為重要[2]，本文將以某型號兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例對其轉(zhuǎn)子強(qiáng)度及轉(zhuǎn)子與鐵芯過盈配合狀態(tài)進(jìn)行了可靠性分析。

1 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度

圖1 轉(zhuǎn)子彎曲強(qiáng)度有限元計(jì)算模型

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)許用值

1.1 轉(zhuǎn)子彎曲強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)以上數(shù)據(jù)在有限元ansys中設(shè)置好參數(shù)，計(jì)算模型整體施加重力加速度9.8 m/s2，在鐵心的中點(diǎn)施加單邊磁拉力，可得轉(zhuǎn)子彎曲受力情況如圖2、3所示。

圖2 轉(zhuǎn)子彎曲強(qiáng)度應(yīng)力圖

圖3 轉(zhuǎn)子彎曲強(qiáng)度的位移圖

由圖2可知轉(zhuǎn)子彎曲應(yīng)力最大為11 Mpa，滿足設(shè)計(jì)要求，由圖3可知轉(zhuǎn)子彎曲最大位移為0.0159 mm，為轉(zhuǎn)子氣隙的0.0159/2.2=0.72%，該位移不會(huì)影響電機(jī)的性能。

1.2 轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

如圖1轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度是約束轉(zhuǎn)子軸伸端方向轉(zhuǎn)動(dòng)位移，約束軸承位置XY方向位移，在轉(zhuǎn)子鐵芯施加2.6倍額定扭矩49960 N.m，計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4可知轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)最大應(yīng)力為59.9 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，由圖5可知轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)最大位移為0.169 mm，轉(zhuǎn)化為角位移為0.0097，該位移不會(huì)影響電機(jī)的性能。

圖4 轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的應(yīng)力圖

圖5 轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的位移圖

1.3 彎扭組合強(qiáng)度計(jì)算

圖6 彎扭組合變形的應(yīng)力圖

圖7 彎扭組合變形的位移圖

由圖6可知轉(zhuǎn)子彎扭組合最大應(yīng)力為60.3 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，由圖5可知轉(zhuǎn)子彎扭組合最大位移為0.176 mm，保守認(rèn)為0.176 mm全部是由彎曲引起的位移，該位移為轉(zhuǎn)子氣隙的0.176/2.2=8%，該位移不會(huì)影響電機(jī)的性能。

1.4 疲勞強(qiáng)度計(jì)算

疲勞強(qiáng)度模型整體施加重力加速度9.8 m/s2，在鐵心的中點(diǎn)施加單邊磁拉力，在鐵心上施加疲勞的扭矩T，其計(jì)算如式1所示[3]。

其中為過載系數(shù)，取1.6；單向轉(zhuǎn)電機(jī)一般取0.4；T額為額定功率時(shí)的扭矩。

圖9 疲勞計(jì)算的位移圖

圖8可知轉(zhuǎn)子疲勞強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力為16.8 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，由圖9可知轉(zhuǎn)子疲勞強(qiáng)度計(jì)算最大位移為0.0552 mm，保守認(rèn)為0.0552 mm全部是由彎曲引起的位移，該位移為轉(zhuǎn)子氣隙的0.0552/2.2=2.5%，該位移不會(huì)影響電機(jī)的性能。

1.5 屈服強(qiáng)度計(jì)算

模型整體施加重力加速度9.8 m/s2，在鐵心的中點(diǎn)施加單邊磁拉力，在鐵心上施加6倍瞬時(shí)沖擊扭矩T，其計(jì)算如式2所示[3]。

K－瞬時(shí)過載倍數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求本文取值為6。

圖11 屈服計(jì)算的位移圖

圖10可知轉(zhuǎn)子疲勞強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力為138 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，由圖11可知轉(zhuǎn)子疲勞強(qiáng)度計(jì)算最大位移為0.385 mm，保守認(rèn)為0.0552 mm全部是由彎曲引起的位移，該位移為轉(zhuǎn)子氣隙的0.0552/2.2=19.25%，雖然該結(jié)果偏大，但定轉(zhuǎn)子工作時(shí)任不會(huì)發(fā)生干涉，因此也不會(huì)影響電機(jī)的性能。

2 鐵芯強(qiáng)度

鐵芯強(qiáng)度主要考慮鍵槽的強(qiáng)度，采用實(shí)體建模，考慮鐵芯分段的影響只計(jì)算60 mm厚的沖片強(qiáng)度。約束轉(zhuǎn)子鐵芯外圓，在鍵槽的一面上施加鍵引起的壓強(qiáng)，6倍扭矩下鍵的擠壓強(qiáng)度為95 MPa，計(jì)算模型和約束模型如圖12、13所示，計(jì)算結(jié)果如圖14所示。

圖12 鐵芯強(qiáng)度計(jì)算模型

圖13 加載模型

圖14 額定扭矩下鐵芯強(qiáng)度計(jì)算圖

由圖14可知6倍扭矩時(shí)鐵芯最大應(yīng)力為19.1 Mpa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

采用Blank Lanczos法求轉(zhuǎn)子的一階固有頻率，分析的模型和加載方式與轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算一致，經(jīng)計(jì)算得轉(zhuǎn)子一階臨界固有頻率如15所示。

由圖15可得轉(zhuǎn)子一階臨界固有頻率為61.2 Hz，其臨界轉(zhuǎn)速如式3所示[3]。

臨=60×=60×61.2＝3672 rpm (3)

而臨/n=3672/2000=1.84>1.3（n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速），滿足要求。

圖15 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算圖

4 結(jié)論

本文利用有限元分析方法對某型號風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子強(qiáng)度進(jìn)行了可靠性分析，并且對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析研究，分析結(jié)果表明其應(yīng)力值和位移值均符合要求，臨界轉(zhuǎn)速也大于1.3倍額定轉(zhuǎn)速，也符合要求，因此該電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，整體符合要求。

[1] 黃曉華, 等. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略分析[J]. 船電技術(shù), 2014, (7).

[2] 張賢彪, 等. 主動(dòng)磁軸承定子的有限元模態(tài)分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2014, (8).

[3] 徐灝, 等. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

Reliability analysis of rotor structure of a megawatt wind turbine

Zhang Jun1, Sun Keling1, Zhang Yuzhou1,Yang Yingping2, Yin Zengfeng2

（1. Hunan High Innovation Energy Co. Ltd, Changsha, 410006；2.Ocean Wind Power Technology and Detection State Key Laboratory Xiangtan Electric Manufacturing Co. Ltd, Xiangtan 411101）

TM315

A

1003-4862（2023）08-0023-04

2023-02-09

張俊（1985-），男，高級工程師。主要研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其仿真分析。E-mail: