兆瓦级双定子直驱风力发电机定子振动研究

检测与控制2012年第5期总第121期机械研究与应用兆瓦级双定子直驱风力发电机定子振动研究张莹博，肖珊彩，潘磊，周志超国电联合动力技术有限公司，北京100039摘要精确计算发电机的固有频率，对于预测发电机的振动和噪声至关重要。利用三维有限元分析研究兆瓦级双定子风力发电机三种定子结构的振动模态和固有频率，并分析了其振动特点。分析结果表明，外定子、内定子和双定子结构的固有频率均有效避开了发电机系统不平衡激振频率和所发出的交流电频率。本文的方法可用在发电机设计阶段对定子固有频率进行预测。关键词双定子风力发电机；模态分析；固有频率；有限元分析中图分类号TK83；0327文献标识码A文章编号10074414201205012804STUDYONSTATORSVIBRATIONOFMULTIMEGAWATTDOUBLESTATORDIRECTDRIVENWINDGENERATORZHANGYINGBO，XIAOSHANCAI，PANLEI，ZHOUZHICHAOGUODIANUNITEDPOWERTECHNOLOGYCO，LTD，BEIJING100039，CHINAABSTRACTACCURATECALCULATIONOFTHESTATORNATURALFREQUENCIESOFAGENERATORISESSENTIALTOTHEPREDICTIONOFACOUSTICNOISENADVIBRATIONTHE3DFINITEELEMENTANALYSISISUSEDTOSTUDYSTATORNATURALFREQUENCIESOFTHETHREETYPESOFMULTIMEGAWATTWINDGENERATORANDTHEVIBRATIONCHARACTERISTICISANYZEDTHERESULTSINDICATETHATNATURALFREQUENCIESOFTHETHREETYPESA1LAVOIDFREQUENCIESOFTHEEXCITINGFORCEANDTHEFREQUENCIESOFGENERATEDACTHEANALYSISCANBEUSEDATTHEDESIGNSTAGETOPREDICTTHENATURALFREQUENCIESOFGENERATORSKEYWORDSDOUBLESTATORDIRECTDRIVENWINDGENERATOR；MODALANALYSIS；NATURALFREQUENCIES；FINITEELEMENTANALYSIS1引言随着科技的发展，能源需求量日益增长，能源危机问题愈发突出，风力发电作为新能源因为无污染、可再生等优点受到人们的重视，风力发电产业得到了迅猛的发展。近几年，风力发电专用发电机正向高可靠性、低维护量、减少组件、降低成本、效率高、集成度高的方向发展，大体趋势是单机容量不断增长。双定子结构成为永磁直驱风力发电机的一个发展方向J，使得电机单位体积的输出功率增大，减小电机体积和重量，即降低了成本，又方便了运输。但是其结构复杂，所以对此结构的研究非常必要。发电机的设计中，需要保证定转子之间气隙才能满足发电机运行的性能。定、转子之间会存在电磁力，电磁力的频率与部件固有频率相同或接近时可能会引起共振。文献9精确计算了电机的固有频率和响应，并利用有限元分析软件研究了大型感应电机定子的振动模态和固有频率，分析了定子固有频率的关键因素，避免发生共振。文献10研究了开关磁阻电机SR电机定子固有频率对降低电机噪声和优化控制策略的重要意义。笔者以某兆瓦级双定子风力发电机为研究对象，建立双定子风力发电机的内定子、外定子和双定子三种模型，对各个模型的固有频率进行有限元计算和分析，以研究相互间的影响关系，对此结构风力发电机的设计提供可靠的模拟数据，指导下一步的设计与改进方向。2模态分析的理论基础模态分析是把原物理坐标系中描述的相应向量转换到模态坐标系统中的一种坐标变换。利用线性系统固有模态的正交性，以系统的各阶模态振型向量所组成的模态矩阵作为变换矩阵，对选取的物理坐标做线性变换，使得振动系统的运动方程组能够变成一组彼此独立的模态方程，从而解出各阶模态参数。由于该变换是线性变换，所以任意一点对激励的物理响应可表示为各阶模态响应的线性叠加。根据HAMILTON原理和应力一应变、应变一位移的关系，可得有限元离散后电机结构的拉格朗日运动方程为KURUMUF1式中K为刚度矩阵；M为质量矩阵；R为阻尼矩阵；L为节点的位移矢量；F为节点力矢量。通过对电机结构的有限元分析可以获得电机的振动模态和固有频率。而固有频率计算一般为无阻尼振动，所以式1中，令F0，时间导数用代替其中为角频率，则电机结构的无阻尼自由振动模态分析对应于特征值问题，有收稿日期20120905作者简介张莹博1984一，男，陕西西安人，工程师，主要从事电机机械结构振动设计，结构振动理论及应用方面的研究工作。128机械研究与应用2012年第5期总第L21期检测与控制K一M02根据线性方程组理论有非零解的充分必要条件IK一M03解出满足以上方程式2、3的频率|和对应的非零解向量MR1，2，,，其中，U分别为电机结构的固有频率和固有振型。正交各向异性材料在纵向和与之垂直方向横向具有不同的弹性性能和机械性能，因此，该材料的刚度矩阵有所不同。由弹性理论知道应力与应变的关系为DE4应力OR6R5应变占YYY6对于正交各向异性材料，Y平面内性质与角度无关，即各向同性。这是弹性矩阵D可化简为DDL1D12DL3D11D13D33D一D12，7若用工程常数来表示，考虑到弹性模量E。E，泊松比2112，23123231，剪切模G12，GZ，G，E,EJ，可得到正交各向异性材料的弹性系数，7L一L13,L31L22，1一212D33百，T12十X13X31D8，LD44G13将式8各值代人式7即可得到正交各向异性材料的弹性矩阵D。3模型材料属性的确定振动模态分析的准确度取决于两个因素几何建模的合理性；材料属性取值的合理性。定子中一般有三种材料，即叠片式铁心、成型绕组和钢。钢的材料属性是确定的，以下重点探讨铁心和绕组的材料属性。文献1416研究叠片结构对弹性模量的影响，结果差异较大，文献14、15用超声波脉冲测得开关磁阻电机的E值为1521X10“NM，文献16中把材料看作正交各向异性，并以实验值域计算值对比的方法确定了开关磁阻电机的材料属性。定子铁心的结构具有明显的层状结构，叠片平面认为各向同性，叠片方向的E15XL0”NM。在对定子振动模态的分析时，是否考虑绕组的质量与弹性模量问题是学者们都考虑的问题。文献17研究了定子绕组和端盖对固有频率的影响，绕组减小固有频率，端盖增加固有频率，因此它们对固有频率的影响在相当程度上是相互抵消的。文献18则认为绕组和端盖不能简单地被处理为定子的质量附加部分，它们同时对质量和刚度的影响使得实际上它们对固有频率的影响相对较小。本文所研究结构的绕组与开关磁阻等类型电机区别较大，端部较短，而且是临槽安装，对铁心的弹性模量贡献很小，所以本文在有限元模拟过程中，仅对铁心齿部进行等效密度处理，弹性模量按叠片方向的弹性模量E15LO“NM。4有限元分析41建模与计算本文以3MW双定子电机结构为例，使用ANSYS对SOLIDWORKS建立模型进行有限元分析。为研究内定子、外定子和整体结构的固有频率，本文分别建立内定子、外定子和内、外定子安装在一起的三维有限元模型，见图1A为外定子和发电机外壳安装的有限元模型；B为内定子和内定子支架安装的有限元模型；C为内、外定子等部件安装在一起的双定子有限元模型。模态分析的基本过程的一般步骤为建模、加载求解和后处理。网格单元类型选取SOLID186，网格均划分为六面体单元，计算时不添加任何约束和载荷。所有材料均为各向同性，内外定子铁芯的材料按照叠片结构计算，表1为定子各结构的材料参数。表1定子各结构的材料参数129检测与控制2012年第5期总第121期机械研究与应用系统的照射光穿过水果内部透射而出，出来的被测水果样品透射光经过托盘底部安装的光准直元件，穿过隔板的狭缝照射在检测箱内的凹面反射镜上，透射光被凹面反射镜反射后向位于凹面反射镜焦点F位置的检测探头；，如图2所示，因为托盘的运动，透射光在凹面反射镜上运动，但反射后的透射光都会射向凹面反射镜焦点位置的检测探头上，当托盘从A运动到B点完成检测所需的积分时间，在整个过程中光谱积分和采集都是连续的，通过光纤传到检测探头，并将收集到的透射光输送到光纤光谱仪进行处理，处理好的透射光以一定的信号形式作为输入进入分析处理单元。图2检测系统示意图1水果2卤灯泡组3光照箱4输送带5托盘6隔板7光准直元件8光纤9检测探头LO凹面反射镜11检测箱12光纤光谱仪5光纤光谱仪采集得到的光谱数据通过USB上接第131页8柴凤，崔淑梅，程树康双定子电机的发展状况及展望J微特电机，2001523269王天煜，王风翔大型异步电机结构振动特性的研究J机械强度，2009，31114014310张式勤，刘芸芸，吴建华开关磁阻电机定子振动的有限元分析J中小型电机，2004，3115811刘延柱，陈文良，陈立群振动力学M北京高等教育出版社，200612徐芝纶弹性力学M北京高等教育出版社，200613张锦叶轮机振动分析理论及数值方法M北京国防工业134接口传输或数据采集卡采集进入分析处理单元，得到的水果的光谱数据根据分析处理单元已经存在的基于近红外光谱的水果内部品质检测模型，并能计算得到该水果的内部品质信息，如糖度、酸碱度、维生素C、硬度等。6根据水果的内部品质信息和位置信息，分析处理单元进行整合处理输出信号给信号控制单元，信号控制单元根据检测分级要求输出控制信号给水果分级出口。7水果分级出口根据输入的控制信号对该水果进行匹配分级，通过一定的机械装置让水果在不同的等级分级出口输出，完成分级。4结语本文阐述了近红外光的检测原理和水果内部牖质在线检测的方法。并设计了水果内部品质检测装置输送系统，详细阐述了该装置的输送方式、工作原理及具体实现方式。该输送系统的输送流程和检测装置的设计在保证完成输送任务的前提下又克服R水果在检测时其尺寸对检测结果的影N向。参考文献1史永刚，冯新泸，李子存