大功率永磁风力发电机结构件有限元分析.pdf
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1、大功率永磁风力发电机结构件有限元分析庞万顺王璇(中船重工电机科技股份有限公司山西太原)摘 要 机械结构有限元分析一直是整个机械行业推崇的一门技术随着风力发电机功率越来越大体积也迅速增大内部机械结构组成单元也在趋于复杂为了提高设计的可靠性并进行风险预判现提出了运用 软件对风力发电机重要机械结构进行有限元分析 首先定义有限元分析模型运用 软件建立机械结构模型导入 中然后进行网格划分、定义约束条件、施加载荷进而得到机械结构在使用过程中的受力结果 关键词 风力发电永磁电机有限元分析:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.).引言本文用于研究中国海装 级大功率集成式半直驱风力发电机组用风力发电
2、机机械结构仿真 该项目研制属于新能源领域的产品开发在国家“碳中和、碳达峰”的双碳目标驱动下风能作为一种清洁能源促进了海上风电进入快速发展阶段 海上风机逐步向“大容量、轻量化、高可靠”的趋势发展整机及配套装备大型化趋势明显 面对广阔的发展前景和海上风电竞价上网的激烈市场竞争以及我国大兆瓦国产化海上风电机组的需求迫切该项目的开发对风电产业的发展具有非常重要的意义本文主要根据电磁计算结果确定了电机主要尺寸之后按照设计方案对机座、转子支架等重要机械结构进行有限元分析判断机械结构是否满足设计使用要求提前对风险进行预判进行结构优化设计 有限元分析流程本文所介绍的机械结构仿真均运用了 有限元分析软件它的作用
3、在于架起了有限元方法与工程结构计算机辅助分析之间的桥梁有效地解决各种实际工程问题本文仿真分析流程为:首先运用 定义相应的单元后设置材料类型绘制或利用 软件导入三维模型绘制模型时注意模型的圆角部分有无圆角对仿真结果影响较大 其次进行网格划分网格划分时在 支路下选择 设置 选项进行网格尺寸大小来控制几何尺寸网格划分的粗细程度需要多次选择网格大小对比有限元分析结果按经验值当改变网格大小时有限元分析结果变化量在 范围内就可以按此时网格大小进行仿真计算此种网格划分方式适用于所计算所有结构件 最后定义边界及约束条件施加载荷执行求解计算 其流程图如图 所示?,?图 有限元分析流程图 机座有限元分析本项目机座
4、设计采用水套结构主要作用是支撑定子铁心同时可以为定子铁心及绕组提供散热通道 该电机机座为悬臂安装结构通过机座驱动端法兰悬臂安装于齿轮箱上为加强机座的刚度和强度设计时在机座外圆圆周均布加强筋增加强筋布置形成笼型结构提高机座的整体结构性能.机座强度分析机座是整个电机的支撑结构承载着电机全部的重力结合发电机使用工况在有限元分析时考虑最恶劣的工作状态即发电机受最大转矩的工况在仿真建模时机座与定子铁心选择的材料性能如表 所示表 机座与定子铁心材料性能材质密度力学性能机座/定子铁心 /机座施加的载荷得到的应力和变形结果如表 所示表 机座载荷及结果载荷应力变形重力、单边磁拉力、冷却器重力、定子绕组重力、端盖
5、重力、最大转矩.所加载荷中单边磁拉力计算公式为()式中经验系数感应电机取.凸极电机和直流电机取.汽轮发电机取.定子内径单位为 单边平均气隙单位为 初始偏心计算时可取.单位为 气隙磁密单位为 由电磁计算时提供空气磁导率通常可认为它等于真空中的磁导率即./定子有效长单位为 ()式中定子长单位为 通风道数量 .()式中通风道宽单位为气隙单位为最大转矩计算公式为.()式中额定转矩机座施加载荷和有限元分析结果如图 所示Standard EarthGravity:9806.5 mm/s2Fixed Support95011 N?:94472 N?:5.09e+008 N.mm?:B S24500 N?:1
6、9500 N?:A:Static StructuralStatic StructuralTime:1.s2022/12/5 11:22ABCDEFGAFGBEDC()?aA:Static StructuralMaximum Principal StressType:Maximum Principal Stress(Unaveraged)Unit:MPaTime:12022/10/28 11:0746.368 Max40.32634.28422.216.15810.1164.0745-1.9675-80095 Min()?bA:Static StructuralTotal Deformation
7、Type:Total DeformationUnit:mmTime:12022/10/28 11:060.26799 Max0.248850.229710.210570.191420.172280.153140.1340.114850.0957120.0574270.0382850.0191420 Min()?c图 机座施加载荷和有限元分析.机座模态分析模态代表一种振动状态每个物体都有自己的固有频率在外力的激励作用下物体会表现出不同的振动特性 一阶模态物体发生共振的最低频率当外力激励的频率与该频率相等时发生二阶模态是外力的激励频率等于物体最低共振频率的两倍时发生 有限元中模态分析的本质是求矩阵
8、的特征值问题所以“阶数”就是指特征值的个数 将特征值从小到大排列就是阶次 实际的分析对象是无限维的所以其模态具有无穷阶但是对于运动起主导作用的只是前面的几阶模态所以计算时根据需要计算前几阶的为避免机座零部件的固有频率与电机运行转频接近时引起振动问题需对机座结构进行模态分析 鉴于机座与定子为过盈配合为使计算结果更接近实际状态分析时考虑定子耦合作用对机座和定子的整体模型进行分析 如果需要简化模型缩短计算时间可以在建模时对定子铁心模型依据截面惯性矩特征进行简化质量特性通过调整材料密度保证 此处是按完整模型进行有限元分析该电机工作转速范围()对应的机械频率为(.)经过分析电机的一阶、二阶模态频率均能够
9、避开其工作时的机械转频(.)机座的整体刚度满足使用要求发电机固定区域为 端法兰刚性连接 有限元分析结果如表、图、图 所示机座是整个电机的支撑是电机的基体电机的顺利运行需要依靠可靠、牢固、安全的机座结构在设计时需要考虑到其与电机其他部件的配合与连接还必须考虑到电机的冷却方式 本文通过 有限元分析仿真机座在与实际工况相符的应力、变形、振动频率等参数下得到机座的主要破坏形式和危险位置 根据有限元分析的结果分析现有机座结构并进行结构优化其仿真方式与结果可为同类型产品的开发和改进提供参考表 定子机座模态数据阶次频率().B:ModelTotal DeformationType:Total Deforma
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