某型号兆瓦级风力发电机转子结构可靠性分析

张 俊，孙克岭，张宇舟，杨英平，尹曾锋

某型号兆瓦级风力发电机转子结构可靠性分析

张 俊1，孙克岭1，张宇舟1，杨英平2，尹曾锋

（1. 湖南高创新能源有限公司，长沙 410006；2. 海上风力发电技术与检测国家重点实验室湘潭电机股份有限公司，湘潭 411101）

转子是电机中重要的结构，其强度直接关系到电机的性能，因此电机设计时对转子结构进行可靠性分析十分有必要，本文基于有限元分析方法对某型号风力发电机转子强度、铁芯强度进行了可靠性分析，并且分析了转子的临界转速，分析表明该电机转子结构可靠、设计合理。

风力发电机 转子强度 铁芯强度 临界转速 有限元法

0 引言

双馈风力发电机在风力发电行业取得了惊人的效益，因此很多专家与企业都非常重视双馈风力研究与开发，即便如此，由于市场竞争日益严峻，从而对产品的可靠性、经济性、先进性的要求进一步提高[1]，因此对双馈风力发电机结构进行优化，并提高其可靠性是当前提高产品竞争力的有效手段，而双馈风力发电机其转子是电机的重要部分，其结构是否合理关系到电机是否能长时间良好运行，因此对电机转子结构进行可靠性分析显得尤为重要[2]，本文将以某型号兆瓦级双馈风力发电机为例对其转子强度及转子与铁芯过盈配合状态进行了可靠性分析。

1 转子强度

图1 转子弯曲强度有限元计算模型

表1 设计参数许用值

1.1 转子弯曲强度计算

根据以上数据在有限元ansys中设置好参数，计算模型整体施加重力加速度9.8 m/s2，在铁心的中点施加单边磁拉力，可得转子弯曲受力情况如图2、3所示。

图2 转子弯曲强度应力图

图3 转子弯曲强度的位移图

由图2可知转子弯曲应力最大为11 Mpa，满足设计要求，由图3可知转子弯曲最大位移为0.0159 mm，为转子气隙的0.0159/2.2=0.72%，该位移不会影响电机的性能。

1.2 转子扭转强度计算

如图1转子扭转强度是约束转子轴伸端方向转动位移，约束轴承位置XY方向位移，在转子铁芯施加2.6倍额定扭矩49960 N.m，计算结果如图4、5所示。

由图4可知转子扭转最大应力为59.9 MPa，满足设计要求，由图5可知转子扭转最大位移为0.169 mm，转化为角位移为0.0097，该位移不会影响电机的性能。

图4 转子扭转强度的应力图

图5 转子扭转强度的位移图

1.3 弯扭组合强度计算

图6 弯扭组合变形的应力图

图7 弯扭组合变形的位移图

由图6可知转子弯扭组合最大应力为60.3 MPa，满足设计要求，由图5可知转子弯扭组合最大位移为0.176 mm，保守认为0.176 mm全部是由弯曲引起的位移，该位移为转子气隙的0.176/2.2=8%，该位移不会影响电机的性能。

1.4 疲劳强度计算

疲劳强度模型整体施加重力加速度9.8 m/s2，在铁心的中点施加单边磁拉力，在铁心上施加疲劳的扭矩T，其计算如式1所示[3]。

其中为过载系数，取1.6；单向转电机一般取0.4；T额为额定功率时的扭矩。

图9 疲劳计算的位移图

图8可知转子疲劳强度计算最大应力为16.8 MPa，满足设计要求，由图9可知转子疲劳强度计算最大位移为0.0552 mm，保守认为0.0552 mm全部是由弯曲引起的位移，该位移为转子气隙的0.0552/2.2=2.5%，该位移不会影响电机的性能。

1.5 屈服强度计算

模型整体施加重力加速度9.8 m/s2，在铁心的中点施加单边磁拉力，在铁心上施加6倍瞬时冲击扭矩T，其计算如式2所示[3]。

K－瞬时过载倍数，根据设计要求本文取值为6。

图11 屈服计算的位移图

图10可知转子疲劳强度计算最大应力为138 MPa，满足设计要求，由图11可知转子疲劳强度计算最大位移为0.385 mm，保守认为0.0552 mm全部是由弯曲引起的位移，该位移为转子气隙的0.0552/2.2=19.25%，虽然该结果偏大，但定转子工作时任不会发生干涉，因此也不会影响电机的性能。

2 铁芯强度

铁芯强度主要考虑键槽的强度，采用实体建模，考虑铁芯分段的影响只计算60 mm厚的冲片强度。约束转子铁芯外圆，在键槽的一面上施加键引起的压强，6倍扭矩下键的挤压强度为95 MPa，计算模型和约束模型如图12、13所示，计算结果如图14所示。

图12 铁芯强度计算模型

图13 加载模型

图14 额定扭矩下铁芯强度计算图

由图14可知6倍扭矩时铁芯最大应力为19.1 Mpa，满足设计要求。

3 转子临界转速

采用Blank Lanczos法求转子的一阶固有频率，分析的模型和加载方式与转子强度计算一致，经计算得转子一阶临界固有频率如15所示。

由图15可得转子一阶临界固有频率为61.2 Hz，其临界转速如式3所示[3]。

临=60×=60×61.2＝3672 rpm (3)

而临/n=3672/2000=1.84>1.3（n为电机额定转速），满足要求。

图15 转子临界转速计算图

4 结论

本文利用有限元分析方法对某型号风力发电机转子和定子强度进行了可靠性分析，并且对转子临界转速进行分析研究，分析结果表明其应力值和位移值均符合要求，临界转速也大于1.3倍额定转速，也符合要求，因此该电机转子结构设计合理，整体符合要求。

[1] 黄晓华, 等. 双馈风力发电机的控制策略分析[J]. 船电技术, 2014, (7).

[2] 张贤彪, 等. 主动磁轴承定子的有限元模态分析[J]. 大电机技术, 2014, (8).

[3] 徐灏, 等. 机械设计手册[M]. 机械工业出版社, 1998.

Reliability analysis of rotor structure of a megawatt wind turbine

Zhang Jun1, Sun Keling1, Zhang Yuzhou1,Yang Yingping2, Yin Zengfeng2

（1. Hunan High Innovation Energy Co. Ltd, Changsha, 410006；2.Ocean Wind Power Technology and Detection State Key Laboratory Xiangtan Electric Manufacturing Co. Ltd, Xiangtan 411101）

TM315

A

1003-4862（2023）08-0023-04

2023-02-09

张俊（1985-），男，高级工程师。主要研究方向：机械结构设计及其仿真分析。E-mail: