基于ANSYS2.5MW風力發電機轉子剛強度計算分析

蔣靜 張文斌

摘 要 有限元是用具有一定大小的單元對原來連續的物體力學模型進行離散。這些單元僅在為數不多的節點上相連接，然后將等效力代替實際作用于單元的外力并施加在節點上。為每個單元選擇一個能夠表示單元位移分布規律的形函數，根據彈性力學理論中的變分原理建立單元節點力和位移之間的方程。最后把這種所有的單元聯立起來組成方程組（以節點位移為未知量），然后解這些方程組。本文對風力發電機轉子主軸進行了有限元分析，將建立的有限元模型部件進行靜態強度分析，得出主軸在載荷下的應力分布規律和變形分布規律。

關鍵詞 主軸零件;轉子強度;有限元;風力發電機

風力發電機主軸承擔著增速齒輪箱傳遞過來的各種負載的作用，將轉矩轉化為電能的重要部件，其設計安全性和合理性直接影響到發電機的性能。本文應用工程計算和有限元分析相結合的方法介紹了發電機主軸的強度校核，能夠更加真實的模擬主軸的受力情況，對主軸的分析更為準確。此次主要針對2.5MW風力發電機轉子主軸在額定和最高轉速工況下的剛強度進行分析計算[1]。

1電機主軸零件的受力分析

發電機轉子采用雙深溝球軸承的支撐方式，轉子傳動端通過增速齒輪箱將轉矩傳遞給轉子主軸使轉子旋轉，與轉子勵磁的共同作用下使定子產生電能輸出，在此過程中轉子受輸入扭矩、電磁矩、單邊磁拉力、安裝時傾斜五度自身重力的共同作用[2]。

1.1 計算分析的邊界條件

主軸系統結構復雜，為了降低網格的劃分難度、節約計算成本，在建立主軸系統有限元靜強度模型時，適當的簡化處理了模型，對無關全局應力分布的局部特征加以簡化。因此在建立CAD三維模型時，主軸系統模型應該做適當的簡化處理，簡化的基本前提和原則是保證足夠的計算精度，并且對下一步的靜強度計算沒有太大影響，因此對主軸系統一些微小曲面、小的臺階等特征做簡化處理，然后將簡化后的CAD模型導入到ANSYS分析軟件[3]。同時，為方便工程計算和有限元分析，按圖紙裝配要求，以質點形式將線圈、支撐環、壓板、集電環、半聯軸器等零件等效作用在主軸上，此次計算和分析的邊界條件如下：

額定工況：轉速1720 r/min、電磁扭矩14213953.5N·mm、傾斜5度時的重力加速度az = 9768mm2/s、ax = 855mm2/s、單邊磁拉力14442N（方向與重力加速度一致）;最高轉速：轉速2600r/min、傾斜5度是的重力加速度、轉子裝配體總重2050kg。

從轉子受力情況來看，額定工況為受力情況為最惡劣工況，最高轉速下主要受離心力影響，因此主要對額定工況進行計算全面分析，最高轉速僅計算分析變形和強度情況。

1.2 主要材料屬性

主軸材料為16MnD，彈性模量：209000MPa、泊松比為0.3、屈服強度為295Mpa、抗扭模量G=8.07×1010 Pa。

1.3 計算和分析模型

2工程計算和有限元分析

2.1 主軸扭轉剛度計算

強度和剛度計算是軸類等傳動零件的主要指標;其中扭轉剛度（抗扭剛度）是以相對扭轉變形角度（即單位長度上的扭轉角）來表達，公式如下：

式中，為最大扭轉角;M為扭矩（N·m），;L為桿件長度（m）;G為抗扭截面模數（Pa）;I為抗扭慣性矩（m4），。

根據材料力學相關理論，主軸的扭轉剛度通過扭轉角大小來衡量。根據風電機組的運行情況可知，機組在額定工況條件下轉子主軸的扭矩最大，因此只分析邊界條件為額定工況條件下的主軸扭轉剛度即可。具體計算結果如表1。

2.2 主軸撓度及轉子變形有限元分析

由圖2可知，轉子主軸撓度最大值在距離主軸端位置1約1590mm處，其撓度值為0.056mm，小于感應電機許用撓度值[y]=0.1δ=0.22（δ為定轉子氣隙值2.2mm），滿足設計要求。

由圖3、4可知，在額定工況下，轉子主軸主要受彎矩和扭矩作用，其最大變形發生在非傳動端主軸與鐵芯定位臺階處，變形為0.12mm;在最高轉速下，主軸主要受離心力作用，其最大變形發生在非傳動端主軸風扇處，變形為0.06mm。

2.3 轉子主軸強度有限元分析

由圖5、6可知，在額定工況下，轉子主要受彎矩和扭矩作用，其最大應力發生在傳動端主軸最小軸頸處，其值為112.5Mpa，小于主軸材料的屈服強度295Mpa;在最高轉速下，轉子主軸主要受離心力作用，在轉子鐵芯轉及線圈動慣量作用下，其最大應力發生在主軸鐵芯段，其值為21.4Mpa，小于主軸材料的屈服強度295Mpa。

3結束語

通過上述計算分析，轉子剛強度分析計算主要結果如表2所示，由表可知，轉子剛強度均滿足設計要求。使用有限元分析計算可很能準確分析風力機主軸的強度，避免只用工程理論計算帶來的煩瑣、精度差、不能直觀地看出受力薄弱位置等情況[4]。所以，使用有限元分析計算和解決工程中各類復雜結構件載荷變形情況非常有必要，且能夠很好地解決工程理論計算方法的缺點，使分析的結果更準確。

參考文獻

[1] 何玉林，韓德海.風力發電機主軸的非線性接觸有限元分析[J].現代制造工程，2009（6）：61-64.

[2] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3] 成大先.機械設計手冊（最新第五版）[M].化學工業出版社，2008.

[4] 劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應用教程（機械篇）[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

作者簡介

蔣靜（1985-），女，四川廣安人;-學歷：研究生，職稱：工程師;現就職單位：東方電氣集團東風電機有限公司，研究方向：電機設計。