风力发电机结构件动力学特性分析

□ 房 明 □ 赵 震,3 □ 唐子谋 □ 李 华,

1.江苏中车电机有限公司 江苏大丰 224100 2.中车株洲电机有限公司 湖南株洲 412000 3.西安交通大学 机械工程学院 西安 710049

1 分析背景

风力发电是一种发展前景广阔的清洁能源,发展极其迅速。2018年,全球风力发电容量达到600 GW以上,我国则拥有世界1/3以上的风力发电装机容量,达到221 GW,且已经出现了单机容量为8 MW～12 MW的风力发电机商业化机或概念机。随着风力发电行业的迅猛发展,风力发电机部件设计的可靠性越来越重要。风力发电机结构设计时,既要满足静强度、疲劳寿命和动力学振动的特性要求,也要符合国际或国内的行业设计标准[1]。

目前,国内学者在风力发电机静强度和疲劳仿真分析方面做了大量研究。何玉林等[2]利用有限元分析软件对直驱风力发电机组主机架结构进行了静强度和疲劳寿命分析。杜静、何玉林等[3]对兆瓦级风力发电机组主轴疲劳损伤进行研究,提出将雨流循环计数法与Palmgren-Miner线性累积损伤理论相结合的主轴疲劳损伤计算方法。杨兆忠等[4]以轮毂为例,从极限强度和疲劳寿命两个方面结合有限元软件对铸件强度进行校核。沃晓临等[5]采用有限元软件对兆瓦级风力发电机轮毂与主轴的连接螺栓进行强度分析,在极限载荷与疲劳载荷下对连接螺栓进行仿真计算。上述研究主要集中在风力发电机结构静强度和疲劳寿命方面,而在风力发电机动力学方面,赵萍等[6]对大型风力发电机组动力学特性进行了研究,曹娜等[7]对直驱永磁同步风力发电机的动力学特性进行了仿真分析,辛金明[8]依据发电机组的结构对三种风力发电机组的动力学模型进行了分析。

笔者以某兆瓦级直驱永磁风力发电机结构件为研究对象,使用有限元软件进行模态仿真分析和电磁振动仿真分析,并进行动力学振动特性分析,为大型直驱永磁风力发电机的结构设计提供参考。

2 风力发电机结构件模态仿真分析

2.1 定子

使用有限元软件对风力发电机定子建模,分别进行自由模态和约束模态仿真分析。定子一阶模态如图1所示,自由状态下一阶自由模态为44.634 Hz,定轴固定后一阶约束模态为32.996 Hz。

▲图1 定子一阶模态

2.2 转子

使用有限元软件对风力发电机转子建模,分别进行自由模态和约束模态仿真分析。转子一阶模态如图2所示,自由状态下一阶自由模态为30.792 Hz,轴承位置固定后一阶约束模态为32.737 Hz。

▲图2 转子一阶模态

2.3 整机

使用有限元软件对风力发电机整机进行建模,计算风力发电机整机在不同刚度下的模态。用弹簧模拟轴承时,计算结果如图3所示。风力发电机整机转子的一阶自由模态为25.008 Hz,整机定子的一阶约束模态为29.234 Hz。

▲图3 弹簧模拟轴承时风力发电机整机一阶模态

用赋予铸件属性的实体模拟轴承时,计算结果如图4所示。整机转子的一阶自由模态为28.430 Hz,整机定子的一阶约束模态为29.711 Hz。

▲图4 实体模拟轴承时风力发电机整机一阶模态

2.4 模态分析小结

风力发电机的模态仿真分析是评估不发生共振的关键方法和依据。风力发电机主要由定子和转子组成,从已有的实测数据来看,为保证结构设计安全,需要使定子、转子的固有频率远离风力发电机的转频和未调频前的电磁频率[9]。

笔者首先对定子的自由模态和约束模态进行分析,然后对转子的自由模态和约束模态进行仿真分析,最后对风力发电机整机进行约束模态仿真分析。其中,轴承刚度对风力发电机整机模态的影响比较大,所以对风力发电机整机在不同轴承刚度下的模态进行了分析。

由图1和图2可知,风力发电机定子和转子一阶模态远高于风力发电机的转频0.125 Hz和未调频前的电磁频率11.25 Hz。由图3和图4可知,风力发电机整机在不同刚度下定子、转子一阶振型均表现为偏心振动,且一阶固有频率均远离风力发电机转频和电磁频率,证明该风力发电机的动力学振动特性良好。

3 风力发电机电磁振动分析

3.1 电磁力计算

风力发电机的电磁力是时空二维变化的物理量,计算中保存了风力发电机稳定运行的磁场结果,进而提取风力发电机气隙靠近定子齿部位的磁密Bg。这一气隙磁密可分解为径向分量Bgr和切向分量Bgt,进而可求出风力发电机电磁力的径向分量fr和切向分量ft。由于切向分量较小,一般可以忽略,因此只考虑径向分量,有:

(1)

式中:μ0为空气磁导率。

计算风力发电机的径向电磁力,一对极空间下电磁力波形时空二维分布图如图5所示。

▲图5 一对极空间下电磁力波形时空二维分布图

3.2 定子电磁振动模型

建立风力发电机定子结构的有限元模型,对硅钢片铁心和绕组模型进行等效设置,一般定子铁心设置为各向异性。通过控制齿面上电磁网格节点和结构网格节点分布的一致性,将电磁力转移到结构网格上,得到风力发电机在整个运转过程中定子上各点的振动位移、速度、加速度,以及定子上各点的机械应变和应力情况[10-11]。加载电磁力的定子模型如图6所示,通过模态叠加方法计算定子表面振动。

▲图6 加载电磁力定子模型

3.3 定子电磁振动值

很多国际、国家标准都对旋转机械的振动范围进行了规定,如ISO 2372、ISO 10816、IEC 60034-14、GB/T 6075、GB/T 10068等。笔者执行标准GB/T 10068—2008《轴中心高为56 mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》中的规定,振动速度限制为2.3 mm/s,振动加速度限制为3.6 m/s2,进行有限元仿真分析,风力发电机振动速度、加速度值提取点如图7所示。0～256 Hz频率范围内振动速度如图8所示,振动加速度如图9所示,均满足标准要求。

▲图7 风力发电机振动速度和加速度值提取点

▲图8 风力发电机振动速度

▲图9 风力发电机振动加速度

4 结束语

笔者以某兆瓦级直驱永磁风力发电机结构件为研究对象,进行动力学特性分析。在研究中,对风力发电机定子、转子进行了自由模态和约束模态计算,并对风力发电机整机在不同轴承刚度下的一阶模态进行了仿真分析。另一方面,将电磁力引入风力发电机定子模型,按照国家标准对风力发电机定子结构进行电磁振动仿真分析。上述计算均基于理想模型进行,在实际组装和运行中,风力发电机可能会出现转子质量分布不均匀、风力发电机偏心及电磁力不均匀等问题,因此风力发电机动力学振动问题还需要更深入的研究。