风力发电机在不同约束状态下转子弯曲模态仿真分析

赵 震，谭 亮，邹强龙，黄 奕

（江苏中车电机有限公司，江苏 大丰 224100）

随着风电市场的蓬勃发展，风电作为一种清洁能源在发电市场占据一席之地。风力发电机作为发电机机组的重要旋转部件，其运行的稳定性直接影响整个机组的性能。而发电机运行振动大目前是一种常见故障，已成为影响风力发电机机组整体性能的重要因素[1]。

机械结构动态设计分为结构振动特性设计和结构振动响应设计，结构模态分析是结构振动特性设计的核心，多自由度系统振动时，同时又多阶模态存在，每阶振动模态可用一组模态参数来确认。通常，模态参数包括固有振动、模态质量、模态刚度和模态阻尼比等，其中最重要的是频率、振型和阻尼比[2]。模态参数对于改善结构动态特性有着重要意义，对旋转机械进行模态分析很有必要。因此在设计初期对发电机旋转部件进行模态仿真分析，避免发电机运行时出现振动方面的问题已经是发电机设计的一个重要环节[3][4]。

本文采用有限元分析法对某款风力发电机转子弯曲模态进行仿真分析，为进一步研究该类型风力发电机转子弯曲模态情况及试验模态提供依据，从而实现设计方案的优化。

1 模型建立[5][6]

图1 某发电机转子三维模型

用三维软件建立实体三维模型，在有限元仿真分析软件中对三维模型进行网格划分和材料属性添加。转子三维模型如图1所示。

风力发电机转子部分主要材料属性如表1所示。

表1 分析采用的材料力学参数

2 模态仿真分析[7][8]

转子的分析模型采用与实物一致的模型，包括转子轴、立筋、硅钢片及通风槽片，线圈质量以质量点的方式布置于硅钢片的线槽内。

首先对发电机转子在自由状态下进行模态分析，其次对发电机转子有轴承固定时进行模态仿真分析。为了模拟真实转子的两端支承，轴承支承系统被简化为弹簧-阻尼支承，轴承刚度设置，如表2所示，计算所得各主要振型对应频率如表3所示，自由状态下转子振型如图2所示，轴承固定状态下转子振型如图3所示。

表2 轴承刚度

表3 轴承固定状态下转子主要振型及频率值

图2 转子在自由状态下的前四阶弯曲振型图

图3 转子在轴承固定状态下的前三阶弯曲振型图

3 转子自由状态下模态测试[9][10]

转子自由状态下的模态测试，是将转子用吊车将两端吊起，由于绳索是细长弹性体，此种状态下的转子类似于自由状态。试验采用锤击激励方式，根据被测试对象特点，选择不同数量激励点，并选取几个点为参考点，各布置一个传感器。本次试验采用细绳将转子吊起，选用尼龙锤头对各测点进行敲击的试验方式。由于本试验传感器数量限制，一般只能体现弯曲振型，无法体现扭转振型。

试验检测的原理是将采集得到的各通道的时域信号滤波后进行FFT变换，可得到频域信号。如果把系统的激振力f（t）看作输入，振动的位移响应值x（t）看作输出，则系统的传递函数为：

对多自由度系统，其在任意激振力下的运动方程为：

对方程做拉普拉斯变换，并设所有坐标的初始位移和初始速度均为零，则有：

式中：[m]——质量矩阵；

[k]、[c]——系数矩阵；

X（s）、F（s）——分别为x（t）和f（t）的拉普拉斯变换。通过变换可以得到各自由度下的频响函数。

在频响函数的基础上，通过最小二乘法可以得出模态的参数。经对该发电机转子进行模态试验，得到该型转子的固有频率和振型。试验结果如表4及图4所示。

表4 转子自由状态下主要振型及频率值

4 结论

（1）转子自由模态和在轴承支撑下的模态是有区别的，其受到轴承支撑简化模型的影响比较大。

图4 前三阶的弯曲振型图

（2）从试验结果看，有限元仿真分析与试验结果还有一定的偏差，主要是由对硅钢片的处理而致，需要对仿真模型的简化方式进行深入研究。

[1]李慧新，吕杏梅，等.弹性支撑下风电机组传动系统结构动力分析[J].动力学与控制学报，2015，13（4）293-294.

[2]马艳霞，邓春峰，等.电机联轴控制的旋转机械定转子模态分析［J］.锻压装备与制造技术，2010，45（2）：107-108.

[3]温 斌，李书强.基于ADAMS的风电双馈发电机振动研究[J].机械制造，2017，（1）：71-74.

[4]刘木清.双馈风力发电机振动故障分析和实例处理［J］.上海大中型电机，2012，（1）：71-75.

[5]薛延华，王志广，邵 滨，等.齿轮箱箱体结构对其振动模态的影响研究[J].机械传动，2008，32（6）：107-109.

[6]翁 雷，杨自春，等.某船用发电气轮机转子模态及动力学分析[J].舰船科学技术，2014，（3）：62-63.