基于ANSYS2.5MW风力发电机转子刚强度计算分析

蒋静 张文斌

摘 要 有限元是用具有一定大小的单元对原来连续的物体力学模型进行离散。这些单元仅在为数不多的节点上相连接，然后将等效力代替实际作用于单元的外力并施加在节点上。为每个单元选择一个能够表示单元位移分布规律的形函数，根据弹性力学理论中的变分原理建立单元节点力和位移之间的方程。最后把这种所有的单元联立起来组成方程组（以节点位移为未知量），然后解这些方程组。本文对风力发电机转子主轴进行了有限元分析，将建立的有限元模型部件进行静态强度分析，得出主轴在载荷下的应力分布规律和变形分布规律。

关键词 主轴零件;转子强度;有限元;风力发电机

风力发电机主轴承担着增速齿轮箱传递过来的各种负载的作用，将转矩转化为电能的重要部件，其设计安全性和合理性直接影响到发电机的性能。本文应用工程计算和有限元分析相结合的方法介绍了发电机主轴的强度校核，能够更加真实的模拟主轴的受力情况，对主轴的分析更为准确。此次主要针对2.5MW风力发电机转子主轴在额定和最高转速工况下的刚强度进行分析计算[1]。

1电机主轴零件的受力分析

发电机转子采用双深沟球轴承的支撑方式，转子传动端通过增速齿轮箱将转矩传递给转子主轴使转子旋转，与转子励磁的共同作用下使定子产生电能输出，在此过程中转子受输入扭矩、电磁矩、单边磁拉力、安装时倾斜五度自身重力的共同作用[2]。

1.1 计算分析的边界条件

主轴系统结构复杂，为了降低网格的划分难度、节约计算成本，在建立主轴系统有限元静强度模型时，适当的简化处理了模型，对无关全局应力分布的局部特征加以简化。因此在建立CAD三维模型时，主轴系统模型应该做适当的简化处理，简化的基本前提和原则是保证足够的计算精度，并且对下一步的静强度计算没有太大影响，因此对主轴系统一些微小曲面、小的台阶等特征做简化处理，然后将简化后的CAD模型导入到ANSYS分析软件[3]。同时，为方便工程计算和有限元分析，按图纸装配要求，以质点形式将线圈、支撑环、压板、集电环、半联轴器等零件等效作用在主轴上，此次计算和分析的边界条件如下：

额定工况：转速1720 r/min、电磁扭矩14213953.5N·mm、倾斜5度时的重力加速度az = 9768mm2/s、ax = 855mm2/s、单边磁拉力14442N（方向与重力加速度一致）;最高转速：转速2600r/min、倾斜5度是的重力加速度、转子装配体总重2050kg。

从转子受力情况来看，额定工况为受力情况为最恶劣工况，最高转速下主要受离心力影响，因此主要对额定工况进行计算全面分析，最高转速仅计算分析变形和强度情况。

1.2 主要材料属性

主轴材料为16MnD，弹性模量：209000MPa、泊松比为0.3、屈服强度为295Mpa、抗扭模量G=8.07×1010 Pa。

1.3 计算和分析模型

2工程计算和有限元分析

2.1 主轴扭转刚度计算

强度和刚度计算是轴类等传动零件的主要指标;其中扭转刚度（抗扭刚度）是以相对扭转变形角度（即单位长度上的扭转角）来表达，公式如下：

式中，为最大扭转角;M为扭矩（N·m），;L为杆件长度（m）;G为抗扭截面模数（Pa）;I为抗扭惯性矩（m4），。

根据材料力学相关理论，主轴的扭转刚度通过扭转角大小来衡量。根据风电机组的运行情况可知，机组在额定工况条件下转子主轴的扭矩最大，因此只分析边界条件为额定工况条件下的主轴扭转刚度即可。具体计算结果如表1。

2.2 主轴挠度及转子变形有限元分析

由图2可知，转子主轴挠度最大值在距离主轴端位置1约1590mm处，其挠度值为0.056mm，小于感应电机许用挠度值[y]=0.1δ=0.22（δ为定转子气隙值2.2mm），满足设计要求。

由图3、4可知，在额定工况下，转子主轴主要受弯矩和扭矩作用，其最大变形发生在非传动端主轴与铁芯定位台阶处，变形为0.12mm;在最高转速下，主轴主要受离心力作用，其最大变形发生在非传动端主轴风扇处，变形为0.06mm。

2.3 转子主轴强度有限元分析

由图5、6可知，在额定工况下，转子主要受弯矩和扭矩作用，其最大应力发生在传动端主轴最小轴颈处，其值为112.5Mpa，小于主轴材料的屈服强度295Mpa;在最高转速下，转子主轴主要受离心力作用，在转子铁芯转及线圈动惯量作用下，其最大应力发生在主轴铁芯段，其值为21.4Mpa，小于主轴材料的屈服强度295Mpa。

3結束语

通过上述计算分析，转子刚强度分析计算主要结果如表2所示，由表可知，转子刚强度均满足设计要求。使用有限元分析计算可很能准确分析风力机主轴的强度，避免只用工程理论计算带来的烦琐、精度差、不能直观地看出受力薄弱位置等情况[4]。所以，使用有限元分析计算和解决工程中各类复杂结构件载荷变形情况非常有必要，且能够很好地解决工程理论计算方法的缺点，使分析的结果更准确。

参考文献

[1] 何玉林，韩德海.风力发电机主轴的非线性接触有限元分析[J].现代制造工程，2009（6）：61-64.

[2] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3] 成大先.机械设计手册（最新第五版）[M].化学工业出版社，2008.

[4] 刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程（机械篇）[M].北京：中国铁道出版社，2003.

作者简介

蒋静（1985-），女，四川广安人;-学历：研究生，职称：工程师;现就职单位：东方电气集团东风电机有限公司，研究方向：电机设计。