基于ANSYS有限元分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)座設(shè)計分析

襄陽中車電機(jī)技術(shù)有限公司 吳望群 曾巍 李蕩

風(fēng)力發(fā)電不僅減少二氧化碳排放量，而且相較其他新能量領(lǐng)域具有開發(fā)成本低，技術(shù)可靠性高等特點。隨著環(huán)境友好型社會的建立，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用普及率逐年上升。影響其行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題就是電機(jī)的質(zhì)量，與電機(jī)機(jī)座的機(jī)械性能問題有著密切關(guān)聯(lián)。

ANSYS有限元分析軟件，在電機(jī)機(jī)座設(shè)計階段就可以對其模態(tài)、振動、強(qiáng)度等進(jìn)行模擬計算，從而及時有效地避免設(shè)計缺陷，優(yōu)化設(shè)計，減少人力物力的浪費(fèi)。機(jī)座作為電機(jī)的重要組成部件，有必要對其進(jìn)行機(jī)械計算校核。

一、模型處理

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，取電機(jī)鋼板焊接機(jī)座為分析對象，分析時假設(shè)焊接質(zhì)量良好，整個機(jī)座為焊接組件，建模時將焊接機(jī)座作為一個整體結(jié)構(gòu)來處理，等效為一體。在模型處理時，對分析結(jié)果影響較小的圓角、倒角、螺紋孔和圓孔等結(jié)構(gòu)則進(jìn)行了必要的簡化。

從工程實用角度出發(fā)，采用四面體實體單元，整個機(jī)座共離散為105845個節(jié)點、5760個實體單元。其離散模型如圖1所示，各坐標(biāo)軸分別與電機(jī)軸的縱向、橫向、垂向?qū)?yīng)，其中X軸為縱向，Y軸為橫向、Z軸為垂向。材料屬性如表1所示。

圖1 機(jī)座離散模型

表1 材料屬性

二、載荷和約束條件

機(jī)座在靜止時，通過兩端支腳的螺栓固定在平面上。其約束條件為：在一端支腳固定，另一端支腳施加垂向約束。

三、有限元結(jié)果

1.模態(tài)分析

根據(jù)模態(tài)分析提取電機(jī)定子前六階固有頻率，通過云圖表達(dá)其模態(tài)振型，云圖中振型位移數(shù)的大小為一個相對量值，它表示的是各點在某一固有頻率上振動量值的相對比值，并不反映實際振動位移值。10階模態(tài)模擬結(jié)果如圖2所示，10階內(nèi)模態(tài)固有頻率模擬數(shù)值如表2所示。

圖2 10階頻率振型

表2 10階內(nèi)模態(tài)固有頻率

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載時的電磁振動主要是定子軛環(huán)作均勻的徑向振動，其固有頻率為：

式中：Dc為定子鐵心軛平均直徑，Dc=651.2；E為鐵心彈性模量（N/m2），E=206×109；ρ為鐵心密度（kg/m3），ρ=7.75×103；Δ為質(zhì)量附加系數(shù)，；Gt、Gw、Gc為定子軛、定子齒、定子繞組（連絕緣）重量（kg）。其結(jié)果為：f=1.11。

10階內(nèi)模態(tài)固有頻率值為97.504～594.14，電機(jī)定子固有頻率為1.11，該頻率值明顯小于10階內(nèi)模態(tài)固有頻率，因此機(jī)座結(jié)構(gòu)不會由于電機(jī)頻率引起共振。

2.靜力分析

機(jī)座在靜止?fàn)顟B(tài)下時，機(jī)座的最大應(yīng)力點為2.2821MPa，在支腳連接處，該處容易造成應(yīng)力集中，應(yīng)變值為0.0062mm。應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖3、4所示。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 應(yīng)變云圖

從機(jī)座云變形圖可以看出，機(jī)座在靜態(tài)時變形量較小，主要應(yīng)變發(fā)生在機(jī)座上部，但機(jī)座整體的剛度較大，有較大的安全系數(shù)，滿足設(shè)計要求。

3.定子吊運(yùn)時受力分析

定子在轉(zhuǎn)運(yùn)時，使用吊具通過吊耳將機(jī)座吊起。常見的是對四個吊耳進(jìn)行吊運(yùn)。機(jī)座質(zhì)量為1762kg，拉力為17268N，乘以1.3的動力系數(shù)，拉力為22448N。

吊運(yùn)過程應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖5、6所示。

圖5 吊裝應(yīng)力圖

圖6 耳吊裝應(yīng)變圖

通過應(yīng)力應(yīng)變云圖可以看出，在動力系數(shù)為1.3時吊運(yùn)，機(jī)座變形主要集中在四個吊耳周圍。最大應(yīng)力在吊耳內(nèi)側(cè)，為16.713MPa，該處應(yīng)變也是最大值0.031045。此時機(jī)座強(qiáng)度設(shè)計能夠滿足使用要求，但應(yīng)注意吊運(yùn)中不宜速度過快，同時應(yīng)盡量減小機(jī)座的擺動，以減小機(jī)座吊耳處過大變形，端蓋安裝面變形等問題。

四、結(jié)語

利用ANSYS仿真分析軟件對電機(jī)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析具有較好的精度，可以滿足工程需要。電機(jī)定子固有頻率為1.11，明顯小于機(jī)座10階內(nèi)模態(tài)固有頻率，機(jī)座結(jié)構(gòu)不會由于電機(jī)頻率引起共振。機(jī)座靜態(tài)下剛度較大，設(shè)計安全系數(shù)大。在吊裝時，四個吊耳吊運(yùn)應(yīng)力雖然較大，但能滿足設(shè)計要求，但在吊運(yùn)時應(yīng)控制吊運(yùn)速度，減小機(jī)座擺動造成更大應(yīng)力變形。

通過對機(jī)座有限元仿真分析，不僅可以為整機(jī)的振動特性提供理論依據(jù)，還能機(jī)座強(qiáng)度提供了設(shè)計支撐，為后期的機(jī)座優(yōu)化設(shè)計提供了參考數(shù)據(jù)。