雙轉子徑向永磁電機定子支撐結構剛度分析

高 俊，孫曉明 ，張 宇，佟文明，安忠良

(1.沈陽工業大學 國家稀土永磁電機工程技術研究中心,沈陽 110870; 2.沈陽鼓風機通風設備有限責任公司,沈陽 110022;3.遼寧省電力有限公司檢修分公司，沈陽 110003)

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雙轉子徑向永磁電機定子支撐結構剛度分析

高 俊1，孫曉明2，張 宇3，佟文明1，安忠良1

(1.沈陽工業大學 國家稀土永磁電機工程技術研究中心,沈陽 110870; 2.沈陽鼓風機通風設備有限責任公司,沈陽 110022;3.遼寧省電力有限公司檢修分公司，沈陽 110003)

雙轉子徑向永磁電機能夠有效利用電機內部空間，提高電機的轉矩密度。但目前國內外對雙轉子永磁電機的研究僅停留在研究試制階段，對雙轉子電機結構方面的研究甚少，其中涉及大功率雙轉子永磁電機結構的研究還不是很深入。針對雙轉子電機的結構特點，提出了一種適用于大型永磁風力發電機的定子雙支撐式雙轉子永磁電機結構，并對該結構的定子支撐結構進行了理論分析，推導出了定子支撐結構的剛度解析公式，以一臺1.65 MW，150 r/min的雙支撐式雙轉子永磁風力為例，利用有限元方法驗證了解析公式的正確性。

雙轉子徑向永磁電機；定子雙支撐；定子支撐結構；剛度分析

0 引 言

雙轉子、單定子徑向永磁電機與普通結構電機相比，雙轉子結構能夠有效利用電機內部空間，可以提高電機的轉矩密度。但目前國內外對雙轉子永磁電機的研究僅停留在研究試制階段，所研究電機的功率較低，而且大多研究均為電磁方面，對雙轉子電機結構方面的研究甚少，其中涉及大功率雙轉子永磁電機結構的研究還不是很深入。

美國威斯康辛大學設計了一臺2.2 kW的小型雙轉子永磁電機，提出了一種金屬框架式的結構固定方式，但僅為初步設計，而且該框架的結構強度較差，不適用于大型電機結構[1-3]。文獻[4-5]僅對雙轉子電機的氣隙磁密分布變化等進行了有限元分析研究；文獻[6-9]主要研究異向旋轉的雙轉子電機理論；文獻[10-11]對小功率雙轉子永磁電機進行了理論公式推導及減少齒槽轉矩方法的研究；文獻[12]對雙轉子永磁風力發電機進行了理論公式推導，并設計了一臺1.65 MW的雙轉子永磁風力發電機，但未對該電機結構進行分析研究。

本文在此研究基礎上，針對雙轉子電機的結構特點，提出了一種定子雙支撐式雙轉子永磁風力發電機結構，并對該結構的定子支撐部分進行了理論分析，推導出了定子支撐結構的剛度解析計算公式。最后以一臺1.65 MW，150 r/min的雙支撐式雙轉子永磁風力為例，利用有限元方法驗證了解析公式的正確性。

1 結構模型

雙轉子、單定子徑向永磁電機，在結構上存在內、外兩個轉子，定子鐵心位于內、外轉子之間，形成兩個氣隙，本文稱之為內氣隙g1和外氣隙g2，共同構成電機能量轉換的樞紐，也提高了電機的轉矩密度，但于此同時是也對雙轉子電機造成了負面影響，如直接影響氣隙均勻度，造成內、外氣隙值相差很大，嚴重時會發生掃堂，而產生這種不良影響的主要原因：(1)該結構一個定子鐵心需要同時與內、外兩個轉子進行能量交換，定子部分需要應用更多的鐵磁材料，故其重量較常規電機重30%～50%，由重力產生的內、外轉子偏心量也會隨之增大。(2)該結構中外轉子部分必須采用單臂支撐結構，剛度較差。

本文針對上述問題提出一種定子雙支撐式雙轉子永磁風力發電機結構，其結構如圖1所述，其三維結構如圖2所示。

圖1 雙支撐式雙轉子永磁風力發電機平面示意圖

圖2 雙支撐式雙轉子永磁風力發電機三維結構圖

如圖1所示，雙轉子永磁發電機可看成一臺外轉子永磁發電機與一臺內轉子永磁發電機套在一起，并共用一個定子鐵心的新型電機。該電機內外轉子通過轉軸同步旋轉。定子鐵心一端固定在定子左側支撐端面上，另一端固定在定子右左側支撐端面上，定子左側、右側支撐通過橫穿定子鐵心的支撐桿聯接，與此同時與軸承、轉軸建立良好的同軸度關系，以保證定、轉子之間的同軸度要求。

2 定子鐵心剛度分析

由于該電機的定子鐵心經由支撐桿同兩側的定子支撐聯接，即定子鐵心的自重及所受外載荷均有支撐桿承擔，支撐桿的變形是引起定子偏心的主要原因，故需對支撐桿進行剛度的分析，以保證電機的正常運行。

該雙轉子電機定子支撐桿結構的受力模型，如圖3所示。

圖3 定子支撐結構受力模型

由圖3可知，定子鐵心主要受到三個載荷的作用，即外轉子與定子間的磁拉力F1、內轉子與定子間的磁拉力F2和定子鐵心的重力G。

在上述載荷的綜合作用下，支撐桿將發生彎曲，根據材料力學對其進行，力學圖解分析，如圖4所示。

圖4 力學圖解

根據圖5列出支撐桿的力學平衡方程如下:

由于該支撐桿的A端、B端均固定，故yA，θA，yB，θB為零，所以可得:

而當力作用于支撐桿的中央時，由于對稱，最大偏心發生于桿的中點，即a=l/2處，帶入式(6)可得雙轉子電機定子支撐桿最大撓度計算公式:

式中:L為定子鐵心長；E為彈性模量；I為支撐桿的截面慣性矩；n為支撐桿的數量；D2為定子鐵心外徑；D1為定子鐵心內徑；Bg2為內氣隙磁密最大值；Bg1為外氣隙磁密最大值；l為支撐桿長度。

3 雙轉子永磁電機定子結構分析實例

本文研究的電機為1.65 MW雙轉子半直趨永磁風力發電機，計算例中電機基本計算參數如表1所示。由自身重力G產生的支撐桿變形量及定子鐵心變形量有限元計算結果如圖5～圖6所示。由磁拉力F1和F2作用產生的支撐桿變形量及定子鐵心變形量有限元計算結果如圖7～圖8所示。由自身重力和磁拉力產生的支撐桿變形量及定子鐵心變形量如圖9～圖10所示。

定子支撐桿變形量解析法與有限元法計算結果比較，如圖11～圖13所示。

表1 算例定子主要參數

圖5 由重力G產生的支撐桿變形

圖6 由重力G產生的定子鐵心變形

圖7 由磁拉力產生的支撐桿變形

圖8 由磁拉力產生的支撐桿變形

圖9 由合力產生的支撐桿變形

圖10 由合力產生的定子鐵心變形

圖11 由重力產生支撐桿變形分析對比

圖12 由磁拉力產生支撐桿變形分析對比

圖13 由合力產生支撐桿變形分析對比

由圖5、圖7、圖9可知，定子支撐桿由定子鐵心及自身重力G產生的最大變形為0.040 8 mm，而由磁拉力F1和F2產生的最大變形達到了0.367 mm，由兩者合力產生的變形為0.407 mm。支撐桿兩側固定，故最大變形位置為支撐桿的中間段。而且由于定子鐵心與支撐桿為緊密配合，故支撐桿將受到定子鐵心的約束，所以支撐桿產生的變形不是正弦的撓變形，而是梯形的撓變形，即支撐桿與定子鐵心配合段產生的變形一致。

由圖5～圖10可知，定子支撐桿產生的變形與定子鐵心產生的變形量計算結果相近；考慮定子鐵心的變形時，不僅要考慮重力G，磁拉力F1，F2產生的支撐桿變形對定子鐵心影響，還要考慮磁拉力F1，F2對定子鐵心表面的作用，故定子鐵心產生的變形應比支撐桿產生變形稍大，由計算結果可以看出該值大了8%左右。

圖11～圖13中，對定子支撐桿最大變形量進行了有限元法和解析法的分析對比。由對比可知，支撐桿最大變形量的解析法計值稍大于有限元法計算值，相差10%左右。分析解析法計算值稍大的原因為解析法在計算時沒有考慮到定子鐵心對支撐桿變形的約束作用，故計算值稍大。

4 結 語

本文提出了一種定子雙支撐式雙轉子永磁風力發電機結構，并對該結構的定子支撐部分的剛度進行了理論分析。通過以一臺1.65 MW，150 r/min雙轉子電機的定子部分剛度分析為例，得到以下結論:

1) 對于雙支撐式雙轉子永磁電機定子部分的剛度主要受自身重力和內、外磁拉力的影響，其中磁拉力對剛度的影響占主要作用。

2) 考慮到磁拉力對定子鐵心內、外表面的作用，故定子鐵心產生的最大變形稍大于支撐桿產生的最大變形，相差8%左右。由于支撐桿結構簡單，易于進行解析法計算，故在考慮定子鐵心變形時，可先對支撐桿進行計算，然后進行適當修正。

3) 由于有限元計算時能考慮定子鐵心對支撐桿變形的約束作用，計算值更為準確，支撐桿變形量的有限元法計算值小于解析法計算值10%左右。

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[3] QU Ronghai,LIPO T A.Design and optimization of dual-rotor,radial-flux,toroidally-wound,permanent - magnet machine[C]//Industry Applications Conference，IAS Meeting.2003:1397-1404.

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[10] 王正平.徑向磁場雙轉子永磁電機研究[D].濟南:山東大學,2006.

[11] 王法慶.雙轉子永磁風力發電機研究[D].濟南:山東大學,2007.

[12] 褚占宇，安忠良，佟文明，等.雙轉子永磁風力發電機設計[J].電工技術學報,2013,28(S1):265-270.

Stator Support Structure Stiffness Analysis of Dual-Rotor Permanent Magnet Machine

GAOJun1，SUNXiao-ming2，ZHANGYu3，TONGWen-ming1，ANZhong-liang1

(1.Shenyang University of Technology,National Engineering Research Center for Rare-Earth Permanent Magnet Machines,Shenyang 110870,China; 2.Shenyang Blower Works Group Co., Ltd.,Shenyang 110022,China; 3.China Maintenance Branch of State Grid Liaoning Electric Power Company，Shenyang 110003,China)

Dual-rotor radial permanent magnet machine can utilize the volume effectively, and improve the torque density.Currently, the study of Dual-rotor radial permanent magnet machine is still in the trial stage, and little study focus on the structure of the machine, especially about the large power of machine.Based on the structure of dual-rotor machine, a stator support structure was proposed to improve the stiffness of large power wind permanent magnet machine.Theory analysis was developed about the support structure, and derived the analytic formula.Based on the dual-rotor permanent magnet machine rated at 1.65 MW, 150 r/min, the analytic formula was verified by finite element method.

dual-rotor radial permanent magnet machine; stator double support; stator support structure; stiffness analysis

2016-03-04

TM351

A

1004-7018(2016)09-0036-04

高俊(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向為永磁電機設計及其結構工藝。