大型風力機機座與定子過盈配合的影響因素分析與計算

張水龍， 陳朝富

（欣達重工股份有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

風電為清潔可再生能源，開發利用風能既符合國家產業政策，也符合社會環境和經濟效益。發電機為風電動機組的核心部件，機座與定子部件為發電機核心部件，配合設計合理性涉及到機組安全性[1]。機座和定子的過盈量有許多不確定因素需加以考慮，例如機座與定子的不圓度、平整度和不均勻度，定子彈性系數各向異性及定子單邊磁拉力等[2]。所以，至今國內外沒有統一的工程經驗公式作為機座與定子過盈的設計依據。

目前，蘭波、李志和[3]采用復合材料理論，將定子鐵心的疊片層與絕緣漆層等效為同向的彈性模量，得到縱向、橫向的彎曲彈性模量及剪切彈性模量、泊松比等5個彈性常數。徐忠海等[4]將大型水輪機定子疊片視為各項同性材料，采用Matlab程序編程，計算得到定子鐵心等效工程彈性常數。

據工作載荷和工程經驗值，選定過盈量，視各向同性等效彈性模量，忽略不平衡磁拉力和機座加工不圓度，采用ANSYS WORKBENCH軟件討論磁吸力、表面粗糙度和溫度等對過盈量影響，并分析機座與定子接觸應力、焊縫應力以及定子壓縮量和機座膨脹量[5]。

1 機座與定子過盈設計因素

1.1 工作載荷

發電機實際的工作狀態下，機座與定子相對靜止，不允許有相對轉動。一旦機座與定子相對轉動，定子線圈電纜接頭會被撕斷或絕緣破壞，導致風力機無法正常工作。機座與定子過盈配合設計準則之一：1）電動機在突然短路狀態下，不允許滑動；2）電動機在額定載荷工作下，不允許滑動；3）焊縫應力不允許超過疲勞強度DC80[6]。

風力機組額定載荷[7]為

式中：K為過載系數，工程上取值為1.05～1.1 N·m；Prated為額定功率，kW；nrated為額定轉速，r/min。

短路衰減力矩[8]為

式中：A為振幅，N·m；λ為衰減系數；f為衰減頻率，Hz；t為時間，s。

圖1 某MW級電動機短路衰減力矩曲線

1.2 磁吸力

磁吸力是由于定子磁鋼的磁場對定子線圈的吸力，其原理詳見圖2。此磁力FPlate會減少定子與機座的配合量，其值[8-9]為

圖2 磁力產生原理

式中：W（s,i）為系統磁能積，Jm3；B為磁感應強度，T；H為磁場強度，Am；s為氣隙間距，見圖2，m；V為體積，m3。

從式（3）可以得出，磁力FPlate與磁路的磁感應強度B和磁場強度H、氣隙s相關。B、H越大（磁能積就越大），s越小，磁力FPlate越大。

1.3 表面粗糙度

據過盈配合計算原理與設計規則，加工粗糙度會造成過盈量的損失，粗糙度等級越低，損失量越大。損失量[10]為

表1 算術平均粗糙度與不平度十點高度換算

式中：RZA為包容件粗糙度，微觀不平度十點高度，μm；RZl為被包容粗糙度，微觀不平度十點高度，μm。

式（4）表明，粗糙度值越大，損失量越高。所以配合面要求一定級別的粗糙度。算術平均粗糙度與不平度十點高度換算見表1。

1.4 溫度

定子線圈為發熱源，與機座形成溫度梯度，機座與定子的溫度差對機座與定子的過盈影響較大，主要膨脹量[11]為

式中：Δt為定子平均溫度與機座平均溫度之差，K；α為線性膨脹系數，碳鋼取11×10-6K-1；D為機座與定子配合直徑，mm。

表2 溫度差與膨脹量關系

當材質與配合直徑一定時，兩者存在的溫差影響過盈量大小。表2中溫度差與膨脹量關系根據式（5）計算,取配合直徑為4.7 m的機座，機座的溫差對膨脹量影響較大。一般情況機組運行情況，定子溫度高于機座溫度，定子較機座膨脹量更多，有利于過盈，但機座焊縫應力會響應增加。

2 算例與分析

定子由定子鐵心、線圈、絕緣材料、嵌條組合成一體。定子鐵心由0.5 mm硅鋼片層疊后，經300 t壓力壓制后，數根肋條焊接成一體[12]?？梢姕蚀_計算定子剛度比較困難，據工程經驗，熱套前，測量機座內、外徑值，熱套后，待冷卻完畢，再次測量機座外徑、和定子內徑值，比較熱套前后數據，得出等效彈性模量。

式中:t1為定子等效厚度;t2為機座等效厚度；D1為熱套前定子內徑;D2為熱套后定子內徑；D3為熱套后機座外徑；D4為熱套前機座外徑。

經實際對定子和機座尺寸的測量，等效彈性模量取80 GPa。泊松比取0.44（僅考慮定子軸向伸長量與定子徑向壓縮量）。

圖3 單元電動機磁拉力模型

3 案例分析

某發電機功率P為2500 kW，定子長度L為1 m，配合直徑4.7 m，機座厚度為60 mm，額定轉速n為14.8 rmin，定轉子之間的氣隙直徑為4.43 m，氣隙厚度為5.8 mm。本文取單元電動機為研究對象，設定X坐標為單元電動機的徑向方向，Y坐標為單元電動機切向方向，詳見圖3單元電動機磁拉力模型[13]?？傔^盈量采用網格偏移功能[14]，參數offset數值為1.3 mm，即單邊偏移量1.3 mm。

表3 空載與滿載情況下磁吸力與氣隙的關系

圖4 機座與定子過盈變形、接觸壓強和應力

從圖4機座與定子過盈變形、接觸壓強和應力可得，機座變形量為0.68 mm，定子變形量為0.62 mm，兩者接觸應力為1.1 MPa，定子最大應力為67 MPa，機座焊縫處最大應力為75 MPa。從表3空載與滿載情況下磁吸力與氣隙的關系表明，滿載比空載吸力大25%左右，發電機滿載工作時，定子磁吸力對機座與定子過盈配合的影響因子約為0.1651.1=15%[15-17]。

4 結 論

以某發電機機座與定子配合設計為案例，忽略機座本身的不圓度，采用有限元軟件分析方法，計算分析了過盈產生的偏移量和應力，結論如下：1）大型風力發電機直徑4～5 m之間，等效彈性模量為80～110 GPa；2）設計機座過盈配合時，需考慮發電機定子繞組的磁吸力，其滿載較空載影響較大，影響量為15%左右；3）機座的過盈應力較定子高，尤其關注機座的焊縫應力不允許超過其許用疲勞應力；4）機座與定子變形均為弧形狀，給鋼端蓋配合提供理論基礎。