箱式發電機定子機座系統模態試驗與仿真分析

趙 震，龍 蛟，譚 亮，黃 奕

(江蘇中車電機有限公司，江蘇 大豐 224100)

箱式發電機定子機座系統模態試驗與仿真分析

趙 震，龍 蛟，譚 亮，黃 奕

(江蘇中車電機有限公司，江蘇 大豐 224100)

箱式發電機定子鐵芯套機座后其模態會發生變化，為防止發電機機座與定子在運行中發生共振等現象，在設計時就要對發電機模態進行詳細仿真分析。本文利用有限元分析法和試驗檢測方式對某型號發電機定子套機座的模態進行對比分析，為進一步研究該類型風力發電機定子剛度提供依據。

定子鐵芯；固有頻率；模態分析；試驗檢測；機座

風力發電經過多年快速發展，在全球市場已占據一定地位。隨著市場激烈競爭，要求發電機結構緊湊、體積小、質量更輕，但又導致發電機剛度逐漸下降，容易引起發電機振動。隨著這種矛盾的日益突出，很多設計研發單位開始投入大量人力、物力來研究發電機模態問題，在設計之初對發電機定子、轉子等重要部件進行模態仿真分析，防止發生共振問題，進而影響到風力發電機組整體性能[1]。

箱式機組普遍應用于旋轉電機中，目前主要應用于高速永磁風力發電機、雙饋風力發電機以及半直驅永磁風力發電機中，在發電機設計初期對發電機進行模態仿真分析，避免發生共振等問題，已經是發電機設計的一個重要環節[2]。發電機振動評價不僅在電機行業也在風力發電行業作為評價一個電機能不能可靠運行的重要指標[3]。本文以某款雙饋風力發電機定子機座系統為原型，對其進行了模態仿真分析與試驗檢測分析，為進一步研究該類型風力發電機定子機座，避免產生振動提供依據。

1 發電機鐵芯和機座固有頻率解析法計算

定子鐵芯結構復雜，其固有頻率計算也比較復雜，經過多年研究，也有學者提出電機定子鐵芯m≥0階固有頻率的計算方法[4]：

Myoke——定子軛部質量，

Mteeth——定子齒部質量，

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徑；

Li——定子疊片的有效長度。

發電機鐵芯套入機座后，其剛度又會發生變化，定子機座系統的固有頻率計算公式變成：

式中：

Lf、hf、Rf——分別為定子機座的軸向長度、厚度和平均半徑；

Ef、Vf——分別為機座材料的彈性模量和泊松比；

Mf——定子機座的平均質量。

2 定子機座系統模態仿真分析

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

圖1 某定子機座三維模型

發電機定子機座部分主要料屬性如表1所示。

表1 分析采用的材料力學參數

定子機座的分析模型采用與實物一致的模型，包括機座、立筋、硅鋼片及通風槽片，定子線圈質量以質量點的方式布置于硅鋼片的線槽內，計算了定子機座系統在模態振型。

計算所得各定子機座前幾階主要振型對應頻率如表2所示，振型如圖2所示。

表2 定子機座前幾階主要振型及頻率值

3 定子機座系統測試試驗結果

由于本試驗將定子機座放置在地面上，采用錘擊的激勵方式，根據被測試對象的特點，選擇了若干激勵點，并以某些點為參考點，各布置一個傳感器，它們對應的位置分別為發電機方向與GL坐標系一致?？紤]關心的頻率范圍，本次試驗選用尼龍錘頭對各測點進行敲擊。

將采集得到的各通道的時域信號濾波后進行FFT(FastFourier Transformation)即快速傅氏變換，可得到頻域信號[7][8]。在頻響函數的基礎上，通過最小二乘法可以得出模態參數。經對該發電機定子機座進行模態試驗，得到該型發電機定子機座的固有頻率。試驗結果如表3及圖3所示。

圖2 定子機座前幾階主要振型

表3 試驗檢測定子機座前幾階主要振型及頻率值

4 結果討論與分析

試驗進行了多次對比分析，認為試驗結果具有很高可信度。從試驗和仿真分析的數值對比來看，試驗和仿真頻率比較接近，誤差主要來自于發電機定子機座系統的處理上：一方面，仿真時發電機定子機座基本為自由狀態，測試時發電機定子機座則是在地面上；另一方面，機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，鐵芯模型在處理時彈性模量輸入值和真實值有差別[9]，對仿真分析計算有影響；最后，定子繞組模型處理方式也有一定的影響[10]。

圖3 定子機座系統測試結果圖

5 結論

(1)雖然解析法計算定子機座系統的振動頻率和有限元方法已經很接近[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檢測數據進行了對比，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還有一定的偏差，需要對仿真模型的簡化方式進行深入研究。

[1] 李慧新，呂杏梅，等.彈性支撐下風電機組傳動系統結構動力分析[J].動力學與控制學報，2015，13(4)：293-294.

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

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[5] 薛延華，王志廣，邵 濱，等.齒輪箱箱體結構對其振動模態的影響研究[J].機械傳動，2008，32(6)：107-109.

[6] 趙 震，李 巖，等.基于有限元分析的大型直驅風力發電機定軸優化設計[J].機械制造，2016，(7)：36-37.

[7] 郭偉超，王三民，等.某發動機齒輪轉子模態分析[J].機床與液壓，2006，(5)：57-58.

[8] 施麗銘，張艷春.燃氣輪機轉子模態試驗與分析[J].燃氣輪技術，2007，(4)：47-48.

[9] 王天煜，王鳳翔.大型異步電動機定子振動與模態分析[J].中國電機工程學報，2007，27(12)：42-43.

[10] 張式勤，劉蕓蕓，等.開關磁阻電機定子振動的有限元分析[J].中小型電機，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，從事風力發電機結構設計。E-mail：azhen2010@qq.com