趙 震，龍 蛟，譚 亮，黃 奕

(江蘇中車電機(jī)有限公司，江蘇 大豐 224100)

箱式發(fā)電機(jī)定子機(jī)座系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)與仿真分析

趙 震，龍 蛟，譚 亮，黃 奕

(江蘇中車電機(jī)有限公司，江蘇 大豐 224100)

箱式發(fā)電機(jī)定子鐵芯套機(jī)座后其模態(tài)會發(fā)生變化，為防止發(fā)電機(jī)機(jī)座與定子在運(yùn)行中發(fā)生共振等現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)就要對發(fā)電機(jī)模態(tài)進(jìn)行詳細(xì)仿真分析。本文利用有限元分析法和試驗(yàn)檢測方式對某型號發(fā)電機(jī)定子套機(jī)座的模態(tài)進(jìn)行對比分析，為進(jìn)一步研究該類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子剛度提供依據(jù)。

定子鐵芯；固有頻率；模態(tài)分析；試驗(yàn)檢測；機(jī)座

風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過多年快速發(fā)展，在全球市場已占據(jù)一定地位。隨著市場激烈競爭，要求發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量更輕，但又導(dǎo)致發(fā)電機(jī)剛度逐漸下降，容易引起發(fā)電機(jī)振動。隨著這種矛盾的日益突出，很多設(shè)計(jì)研發(fā)單位開始投入大量人力、物力來研究發(fā)電機(jī)模態(tài)問題，在設(shè)計(jì)之初對發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子等重要部件進(jìn)行模態(tài)仿真分析，防止發(fā)生共振問題，進(jìn)而影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體性能[1]。

箱式機(jī)組普遍應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，目前主要應(yīng)用于高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)初期對發(fā)電機(jī)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，避免發(fā)生共振等問題，已經(jīng)是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]。發(fā)電機(jī)振動評價(jià)不僅在電機(jī)行業(yè)也在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)作為評價(jià)一個(gè)電機(jī)能不能可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)[3]。本文以某款雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)座系統(tǒng)為原型，對其進(jìn)行了模態(tài)仿真分析與試驗(yàn)檢測分析，為進(jìn)一步研究該類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)座，避免產(chǎn)生振動提供依據(jù)。

1 發(fā)電機(jī)鐵芯和機(jī)座固有頻率解析法計(jì)算

定子鐵芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其固有頻率計(jì)算也比較復(fù)雜，經(jīng)過多年研究，也有學(xué)者提出電機(jī)定子鐵芯m≥0階固有頻率的計(jì)算方法[4]：

Myoke——定子軛部質(zhì)量，

Mteeth——定子齒部質(zhì)量，

Dc——定子鐵芯的平均直徑；

Pc——定子鐵芯材料密度；

Ec——定子鐵芯材料彈性模量；

VC——泊松比；

hC——軛部平均高度；

ct——齒寬；

Dlout、Dlin——分別為定子鐵芯外徑和內(nèi)徑；

Li——定子疊片的有效長度。

發(fā)電機(jī)鐵芯套入機(jī)座后，其剛度又會發(fā)生變化，定子機(jī)座系統(tǒng)的固有頻率計(jì)算公式變成：

式中：

Lf、hf、Rf——分別為定子機(jī)座的軸向長度、厚度和平均半徑；

Ef、Vf——分別為機(jī)座材料的彈性模量和泊松比；

Mf——定子機(jī)座的平均質(zhì)量。

2 定子機(jī)座系統(tǒng)模態(tài)仿真分析

用三維軟件建立實(shí)體定子機(jī)座三維模型，在有限元仿真分析軟件中對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性添加[5][6]。定子機(jī)座模型如圖1所示。

圖1 某定子機(jī)座三維模型

發(fā)電機(jī)定子機(jī)座部分主要料屬性如表1所示。

表1 分析采用的材料力學(xué)參數(shù)

定子機(jī)座的分析模型采用與實(shí)物一致的模型，包括機(jī)座、立筋、硅鋼片及通風(fēng)槽片，定子線圈質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的方式布置于硅鋼片的線槽內(nèi)，計(jì)算了定子機(jī)座系統(tǒng)在模態(tài)振型。

計(jì)算所得各定子機(jī)座前幾階主要振型對應(yīng)頻率如表2所示，振型如圖2所示。

表2 定子機(jī)座前幾階主要振型及頻率值

3 定子機(jī)座系統(tǒng)測試試驗(yàn)結(jié)果

由于本試驗(yàn)將定子機(jī)座放置在地面上，采用錘擊的激勵(lì)方式，根據(jù)被測試對象的特點(diǎn)，選擇了若干激勵(lì)點(diǎn)，并以某些點(diǎn)為參考點(diǎn)，各布置一個(gè)傳感器，它們對應(yīng)的位置分別為發(fā)電機(jī)方向與GL坐標(biāo)系一致?？紤]關(guān)心的頻率范圍，本次試驗(yàn)選用尼龍錘頭對各測點(diǎn)進(jìn)行敲擊。

將采集得到的各通道的時(shí)域信號濾波后進(jìn)行FFT(FastFourier Transformation)即快速傅氏變換，可得到頻域信號[7][8]。在頻響函數(shù)的基礎(chǔ)上，通過最小二乘法可以得出模態(tài)參數(shù)。經(jīng)對該發(fā)電機(jī)定子機(jī)座進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，得到該型發(fā)電機(jī)定子機(jī)座的固有頻率。試驗(yàn)結(jié)果如表3及圖3所示。

圖2 定子機(jī)座前幾階主要振型

表3 試驗(yàn)檢測定子機(jī)座前幾階主要振型及頻率值

4 結(jié)果討論與分析

試驗(yàn)進(jìn)行了多次對比分析，認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果具有很高可信度。從試驗(yàn)和仿真分析的數(shù)值對比來看，試驗(yàn)和仿真頻率比較接近，誤差主要來自于發(fā)電機(jī)定子機(jī)座系統(tǒng)的處理上：一方面，仿真時(shí)發(fā)電機(jī)定子機(jī)座基本為自由狀態(tài)，測試時(shí)發(fā)電機(jī)定子機(jī)座則是在地面上；另一方面，機(jī)座和定子是過盈配合，過盈尺寸在加工工藝上可能與理論尺寸不一樣；第三，鐵芯模型在處理時(shí)彈性模量輸入值和真實(shí)值有差別[9]，對仿真分析計(jì)算有影響；最后，定子繞組模型處理方式也有一定的影響[10]。

圖3 定子機(jī)座系統(tǒng)測試結(jié)果圖

5 結(jié)論

(1)雖然解析法計(jì)算定子機(jī)座系統(tǒng)的振動頻率和有限元方法已經(jīng)很接近[4]，但目前主要使用的還是有限元方法。

(2)有限元仿真分析和試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，有限元仿真分析方法是比較可信的。

(3)有限元仿真分析和試驗(yàn)還有一定的偏差，需要對仿真模型的簡化方式進(jìn)行深入研究。

[1] 李慧新，呂杏梅，等.彈性支撐下風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力分析[J].動力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2015，13(4)：293-294.

[2] 溫 斌，李書強(qiáng).基于ADAMS的風(fēng)電雙饋發(fā)電機(jī)振動研究[J].機(jī)械制造，2017，(1)：71-74.

[3] 劉木清.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動故障分析和實(shí)例處理[J].上海大中型電機(jī)，2012，(1)：71-75.

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[7] 郭偉超，王三民，等.某發(fā)動機(jī)齒輪轉(zhuǎn)子模態(tài)分析[J].機(jī)床與液壓，2006，(5)：57-58.

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[10] 張式勤，劉蕓蕓，等.開關(guān)磁阻電機(jī)定子振動的有限元分析[J].中小型電機(jī)，2004，3l(1)：5-8.

Modal test and simulation analysis of stator frame system for box-type generator

ZHAO Zhen,LONG Jiao,TAN Liang,HUANG Yi
(Jiangsu CRRC Motor Co.,Ltd.,Dafeng 224100,Jiangsu China)

The finite element analysis method and the test inspection method have been used to compare and analyze the modal of the stator frame forsome model of generator in the text.It provides reference for further studying the stator stiffness for this kind of wind generator.

Stator core;Inherent frequency;Modal analysis;Test inspection;Machine base

TB115

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.023

1672-0121(2017)05-0077-03

2017-06-10；

2017-07-19

趙 震(1985-)，男，碩士，工程師，從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：azhen2010@qq.com