一种大型直驱永磁风力发电机定子瓣法兰变形有限元分析

刘清发 马恺

摘要：为解决大型直驱永磁风力发电机定子瓣法兰定位销孔位置度偏差过大问题，分析了定子瓣生产过程中涉及吊运的所有工序，用Solidworks建立定子瓣和吊具的简化三维对称模型，并导入ANSYS Workbench有限元分析软件进行计算，求解了两种极限吊运荷载下定子支架法兰销孔的变形和应力水平，确定了引起法兰销孔变形的主要控制工况。

关键词：直驱永磁;定子瓣;定位销孔位置度;有限元分析

1    研究背景

风能作为一种重要的可再生能源，具有清洁、安全、无污染、储量丰富的特点，因而受到世界各国的普遍重视。2010—2019年期间，我国风电规模实现高速增长，装机容量占比不断扩大，跃升为我国第三大电力来源。为控制定子瓣？准20法兰定位销孔的变形量，本文采用有限元法模拟了定子瓣吊运过程中相应位置处的变形情况，为吊运工装的改进、优化提供了一些有限元仿真数据支撑。

2    吊装过程有限元分析

2.1    受力分析

定子瓣生产过程涉及产品吊装的过程有：入厂定子支架吊运至叠片区域、铁芯总成吊运至嵌线作业区、定子瓣成品装箱发货等。

整个生产过程中存在两点吊运和四点吊运两种形式，有两种极限的受力工况，其中两点吊运的极限荷载为铁芯总成重量，四点吊运的极限荷载为定子瓣成品重量。

2.2    三维模型的简化

将定子铁芯三维模型导入ANSYS Workbench中有1 700多个Part，数量巨大且模型结构复杂，考虑到现有计算机的配置和计算结果的收敛性，有必要对三维模型进行简化处理。求解的部分主要为上下法兰的孔变形，主要对定子支架、线圈等形状复杂且对求解结果影响不大的部分进行模型简化处理。

2.3    接触设置

Ansys Workbench中提供了6种接触类型[1]：Bonded、No Separation、Frictionless、Rough、Frictional、Forced Frictional Sliding。对定子瓣吊装过程分析时，接触类型为Bonded（绑定接触）。

2.4    网格划分及边界条件设置

为提高计算效率，采用局部网格细化的方式划分网格。以连接板厚为25 mm的求解模型为例，吊具、定子法兰、螺栓的网格尺寸设置为10 mm，连接板的网格尺寸设置为5 mm，法兰盘上定位孔的尺寸为2 mm。共计260 181个网格，416 062个节点单元，网格类型主要为C3D20（20节点六面体二次积分单元）、C3D10（10节点四面体二次积分单元）。

由于定子瓣是对称模型，且两种载荷形式（2点起吊和4点起吊）也是对称的，只需对整个模型的一半进行有限元分析，并在对称截面添加对称约束。

起吊过程是缓慢进行的，假定起吊加速度为0，在定子瓣将要脱离还未脱离支撑台时为吊绳受力最大时刻。在定子瓣与支撑台之间的接触部分添加固定约束，在吊具与吊绳的连接处施加拉力均布荷载。吊绳的拉力与定子瓣的重力组成平衡力系，具体示意图如图1、图2所示。

由力系平衡条件可知：

已知吊绳的长度为4 m，吊装孔之间的直线距离为2.35 m，G1为25.01 kN，G2为38.51 kN，求得两种工况下吊绳的拉力分别为：

2.5    结果后处理

计算两种工况荷载下定子瓣有限元结果的应力云图、变形云图，得知工况一、二的定子支架驱动端法兰盘最大应力分别为298.11 MPa、119.72 MPa，且整个定子支架法兰盘应力（变形）的最大值集中在法兰端部，定位销孔的变形最大，工况一相比工况二法兰的变形量大很多，两点吊运是引起法兰相应位置定位销孔变形的控制工况。

有限元结果还表明：法兰上的所有通孔中，越靠近法兰端部，其变形值越大，与实际测量结果的趋势一致。在实际测量过程中，吊运后三个孔的直径相比于吊运前绝大部分的变形量小于0.1 mm，因此推断法兰盘定位销孔变形量过大的主要原因是吊运过程中定子支架法兰盘与支架连接处发生了塑性变形。

3    减小定位销孔变形的方法

孔位置度是指孔的轴线实际位置相对于参照对象的变动范围。由于定子支架法兰定位销孔的位置度要求为0.4 mm，而其他通孔的位置度要求为1 mm，因此这里主要分析吊运过程对法兰定位销孔变形量的影响。

有限元分析中，销孔轴线位置度d无法直接计算，这里假定孔的变形是线性分布的，孔的轴线处于在孔的最大变形处dmax和最小变形处dmin的中心，即有：

3.1    连接板对销孔位置度的影响

3.1.1    连接板厚度对销孔位置度的影响

吊具和定子支架法兰吊装孔之间需要用连接板进行连接，在有限元分析时，建立了包含不同连接板厚度的各种三维模型，并保持连接板网格尺寸0.5 mm不变，分别计算了各种模型的销孔变形值和定子支架法兰的最大应力。随着连接板厚度的增加，定位销孔的位置度偏差和支架法兰的最大应力均呈下降趋势。连接板每增厚5 mm，销孔位置度偏差降低0.01 mm左右，法兰盘最大应力降低17 MPa左右。

3.1.2    连接板径向宽度对销孔位置度的影响

保持连接板厚度不变，使其径向宽度方向的尺寸增加10 mm，用ANSYS Workbench分别计算了两种不同宽度模型下定子支架定位销孔及支架法兰的应力状况。增加宽度后的连接板模型，其销孔位置度偏差比未增加宽度的减小了14.56%，支架法兰最大应力值降低了5.43%。有限元结果表明：通过增加连接板的宽度，可以适当降低销孔位置度的偏差。

3.2    长螺杆对销孔位置度的影响

保持其他模型不变，采用长螺杆使吊具和连接板与上下法兰盘固定在一起，用ANSYS Workbench分别计算了3种不同螺杆模型下定子支架定位销孔及支架法兰的应力状况。当连接螺杆选用外径20 mm的长螺杆时，法兰销孔位置度偏差比短螺杆减小了34.47%，法兰最大应力值降低了21.76%。当连接螺杆的外径增加5 mm时，法兰销孔位置度偏差减小了11.85%，法兰最大应力值降低了5.60%。有限元结果表明：改用长连接螺杆，可以显著降低销孔位置度的偏差和定子支架法兰盘的应力水平。

4    结语

本文用有限元分析软件粗略地模拟了定子瓣的变形过程，为吊装工装的改进和优化提供了一些数据参考，并为吊运工装的设计和优化提供了更准确的数值分析结果。

[参考文献]

[1] 黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.

收稿日期：2020-05-18

作者簡介：刘清发（1985—），男，山东费县人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：风力发电机。