肖良瑜,李玲杰
(1. 國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心, 哈爾濱 150040;2. 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司黑龍江分公司, 哈爾濱 150080)
基于ANSYS的永磁風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子強度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
肖良瑜1,李玲杰2
(1. 國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心, 哈爾濱 150040;2. 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司黑龍江分公司, 哈爾濱 150080)
以2.75MW永磁風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為例,介紹了基于ANSYS有限元參數(shù)化建模和接觸非線性分析技術(shù)的轉(zhuǎn)子強度分析方法,得出了轉(zhuǎn)子沖片的應(yīng)力分布情況,并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。最終使轉(zhuǎn)子的機械強度能夠滿足許用應(yīng)力的要求,確保了電機的能安全穩(wěn)定運行。此分析求解過程也為類似的接觸有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。
風(fēng)力發(fā)電機;轉(zhuǎn)子;應(yīng)力;接觸分析;有限元
永磁同步電機以永磁體提供的磁通替代普通電勵磁同步電機的勵磁繞組勵磁,使電機結(jié)構(gòu)較為簡單,降低了加工和裝配費用,且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷,又因無需勵磁電流,省去了勵磁損耗,提高了電機運行的可靠性、效率和功率密度。因而,近年來它在國防、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但由于永磁同步電機轉(zhuǎn)子內(nèi)通常裝有永磁體,并為防止永磁體的漏磁系數(shù)過大而導(dǎo)致永磁材料利用率過低,隔磁槽的尺寸受到一定的限制。這樣就使得轉(zhuǎn)子強度和剛度受到極大削弱。因此,轉(zhuǎn)子的強度分析就成為永磁電機設(shè)計階段的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的計算方法[1]是將永磁體的質(zhì)量簡化到永磁體槽的兩側(cè),或是將永磁體產(chǎn)生的離心力轉(zhuǎn)化成面壓施加在永磁體槽的外側(cè),這兩種方法均不完全符合實際情況。
以某工程實際設(shè)計開發(fā)的一臺2.75MW高速永磁風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為例,介紹了一種基于ANSYS有限元參數(shù)化建模和接觸非線性技術(shù)的有限元分析方法,著重對轉(zhuǎn)子的強度進行了分析求解,并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,為設(shè)計提供依據(jù)。
2.75MW永磁風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵心采用沖片疊壓式結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)為內(nèi)置徑向式結(jié)構(gòu),電機主要參數(shù)如表1所示。轉(zhuǎn)子沖片的材料為50WW310硅鋼片,屈服極限412MPa,強度極限539MPa,彈性模量2×105MPa,泊松比0.27。永磁體牌號為N38UH,彈性模量1.13×105MPa,泊松比0.23。為了校核設(shè)計的可靠性以及優(yōu)化改進,有必要采用有限元參數(shù)化建模技術(shù)和接觸非線性分析方法對轉(zhuǎn)子的機械強度進行分析求解。
表1 永磁風(fēng)力發(fā)電機主要參數(shù)表
2.1 接觸問題概述
接觸問題是常見的一類工程問題。實際的接觸過程在力學(xué)中可能會涉及到多種非線性因素。除大變形接觸問題引起的材料非線性和幾何非線性意外,還有接觸面間摩擦條件的非線性等。接觸問題是一種高度非線性行為。ANSYS軟件具有強大的接觸分析能力,提供了多種類型的接觸單元來解決各種不同類型的接觸問題。ANSYS支持三種接觸方式:點—點接觸、點—面接觸、面—面接觸。每種接觸方式使用不同的接觸單元集,并適用于某一特定類型的問題。在研究兩個物體之間的接觸時,一個物體的表面被認為是接觸面,另一個物體的表面被認為是目標面。接觸面和目標面構(gòu)成了一個接觸對,而構(gòu)成接觸對的接觸單元和目標單元通過共享實常數(shù)組聯(lián)系起來,不同的接觸對必須通過不同的實常數(shù)組定義[2]。
2.2 計算模型的建立
為節(jié)省計算機資源,提高計算分析效率,考慮到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及載荷具有周期對稱性,選取1/8個轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)作為分析對象,如圖1(a)所示。疊壓系數(shù)的影響通過密度折算考慮進去,并采用具有8節(jié)點的PLANE82單元劃分網(wǎng)格,如圖1(b)所示。PLANE82稱為2D結(jié)構(gòu)實體單元,用于模擬平面實體結(jié)構(gòu)。該單元既可作為平面單元(平面應(yīng)力或平面應(yīng)變),也可作為軸對稱單元。它具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變的功能[3]。永磁體轉(zhuǎn)子中磁鋼和轉(zhuǎn)子鐵心之間顯然是接觸非線性狀態(tài),需要進行非線性求解。本計算在磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵心之間通過面-面接觸單元模擬。目標面用TARGET169單元,接觸面用CONTACT172單元,摩擦系數(shù)為0.17,接觸算法采用擴展拉格朗日算法。為了便于對轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析,進行轉(zhuǎn)子的強度計算時,利用ANSYS的APDL語言進行參數(shù)化建模。從理論上分析,在隔磁磁橋過度圓角處將出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此,將磁橋過渡圓角的半徑定義成參數(shù)化變量,并將應(yīng)力集中部位的網(wǎng)格進行了加密處理,便于真實、準確得到這些部位的應(yīng)力水平。本次分析主要考慮了飛逸轉(zhuǎn)速工況和額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩工況。
2.3 計算結(jié)果分析
通常,對于正常運行工況,最大應(yīng)力不超過許用應(yīng)力2б/3=274 MPa。而對于特殊工況(飛逸工況),最大應(yīng)力不能超過材料的屈服極限。我們首先對初始設(shè)計的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了強度校核計算,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的永磁體槽圓角Ra、Rb和Rc等部位的應(yīng)力集中較大(參見圖2所示),額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩工況的Von Mises為335.6 MPa,最大局部應(yīng)力超出了274 MPa許用應(yīng)力要求。為了降低應(yīng)力,根據(jù)設(shè)計人員的要求,對永磁體槽過度圓角半徑取不同值時的應(yīng)力進行了對比計算分析,以確定出一種最優(yōu)的設(shè)計方案,既保證強度滿足要求,又使電磁設(shè)計能滿足要求。表1列出了不同設(shè)計方案下的應(yīng)力計算結(jié)果。圖3為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后應(yīng)力集中部位的應(yīng)力分布。通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析計算,最終使得轉(zhuǎn)子沖片的應(yīng)力降至許用要求的范圍內(nèi)。
1. 轉(zhuǎn)子鐵心; 2. 磁鋼; 3. 永磁體槽。圖1 轉(zhuǎn)子強度分析力學(xué)模型及有限元網(wǎng)格模型
表1 轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力計算結(jié)果 MPa
圖2 轉(zhuǎn)子參數(shù)化建模的變量參數(shù)示意圖
圖3 轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后應(yīng)力集中部位的Von Mises應(yīng)力分布
通過應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對永磁風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行了二維接觸有限元分析,準確地得出了永磁風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明:額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩工況時,初始結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子在離心力和轉(zhuǎn)矩的作用下存在較大的應(yīng)力集中,超出了許用應(yīng)力的要求。因此,必須改進電機轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)。通過參數(shù)化建模和優(yōu)化分析,適當(dāng)調(diào)整隔磁磁橋過渡圓角的大小后,最終使轉(zhuǎn)子的機械強度能夠滿足許用應(yīng)力的要求,確保了電機的安全穩(wěn)定運行。文中分析求解過程為類似的接觸有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。
[1] 郭振宏.寬恒功率調(diào)速范圍主軸永磁同步電動機及其傳動系統(tǒng)的研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),1999.
[2] 邵廣軍,趙清,安忠良.永磁電機轉(zhuǎn)子強度接觸有限元分析[J].微電機,2008,(41).
[3] 尚曉江,邱峰等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.
肖良瑜,男,1977年生,高級工程師,主要從事發(fā)電機組結(jié)構(gòu)剛強度分析和振動測試工作。