襄阳中车电机技术有限公司 吴望群 曾巍 李荡
风力发电不仅减少二氧化碳排放量,而且相较其他新能量领域具有开发成本低,技术可靠性高等特点。随着环境友好型社会的建立,风力发电的应用普及率逐年上升。影响其行业发展的关键问题就是电机的质量,与电机机座的机械性能问题有着密切关联。
ANSYS有限元分析软件,在电机机座设计阶段就可以对其模态、振动、强度等进行模拟计算,从而及时有效地避免设计缺陷,优化设计,减少人力物力的浪费。机座作为电机的重要组成部件,有必要对其进行机械计算校核。
根据结构特点,取电机钢板焊接机座为分析对象,分析时假设焊接质量良好,整个机座为焊接组件,建模时将焊接机座作为一个整体结构来处理,等效为一体。在模型处理时,对分析结果影响较小的圆角、倒角、螺纹孔和圆孔等结构则进行了必要的简化。
从工程实用角度出发,采用四面体实体单元,整个机座共离散为105845个节点、5760个实体单元。其离散模型如图1所示,各坐标轴分别与电机轴的纵向、横向、垂向对应,其中X轴为纵向,Y轴为横向、Z轴为垂向。材料属性如表1所示。
图1 机座离散模型
表1 材料属性
机座在静止时,通过两端支脚的螺栓固定在平面上。其约束条件为:在一端支脚固定,另一端支脚施加垂向约束。
1.模态分析
根据模态分析提取电机定子前六阶固有频率,通过云图表达其模态振型,云图中振型位移数的大小为一个相对量值,它表示的是各点在某一固有频率上振动量值的相对比值,并不反映实际振动位移值。10阶模态模拟结果如图2所示,10阶内模态固有频率模拟数值如表2所示。
图2 10阶频率振型
表2 10阶内模态固有频率
由于风力发电机空载时的电磁振动主要是定子轭环作均匀的径向振动,其固有频率为:
式中:Dc为定子铁心轭平均直径,Dc=651.2;E为铁心弹性模量(N/m2),E=206×109;ρ为铁心密度(kg/m3),ρ=7.75×103;Δ为质量附加系数,;Gt、Gw、Gc为定子轭、定子齿、定子绕组(连绝缘)重量(kg)。其结果为:f=1.11。
10阶内模态固有频率值为97.504~594.14,电机定子固有频率为1.11,该频率值明显小于10阶内模态固有频率,因此机座结构不会由于电机频率引起共振。
2.静力分析
机座在静止状态下时,机座的最大应力点为2.2821MPa,在支脚连接处,该处容易造成应力集中,应变值为0.0062mm。应力应变云图如图3、4所示。
图3 应力云图
图4 应变云图
从机座云变形图可以看出,机座在静态时变形量较小,主要应变发生在机座上部,但机座整体的刚度较大,有较大的安全系数,满足设计要求。
3.定子吊运时受力分析
定子在转运时,使用吊具通过吊耳将机座吊起。常见的是对四个吊耳进行吊运。机座质量为1762kg,拉力为17268N,乘以1.3的动力系数,拉力为22448N。
吊运过程应力应变云图如图5、6所示。
图5 吊装应力图
图6 耳吊装应变图
通过应力应变云图可以看出,在动力系数为1.3时吊运,机座变形主要集中在四个吊耳周围。最大应力在吊耳内侧,为16.713MPa,该处应变也是最大值0.031045。此时机座强度设计能够满足使用要求,但应注意吊运中不宜速度过快,同时应尽量减小机座的摆动,以减小机座吊耳处过大变形,端盖安装面变形等问题。
利用ANSYS仿真分析软件对电机定子结构进行模态分析具有较好的精度,可以满足工程需要。电机定子固有频率为1.11,明显小于机座10阶内模态固有频率,机座结构不会由于电机频率引起共振。机座静态下刚度较大,设计安全系数大。在吊装时,四个吊耳吊运应力虽然较大,但能满足设计要求,但在吊运时应控制吊运速度,减小机座摆动造成更大应力变形。
通过对机座有限元仿真分析,不仅可以为整机的振动特性提供理论依据,还能机座强度提供了设计支撑,为后期的机座优化设计提供了参考数据。