基于ANSYS有限元分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)座設(shè)計(jì)分析

襄陽中車電機(jī)技術(shù)有限公司 吳望群 曾巍 李蕩

風(fēng)力發(fā)電不僅減少二氧化碳排放量，而且相較其他新能量領(lǐng)域具有開發(fā)成本低，技術(shù)可靠性高等特點(diǎn)。隨著環(huán)境友好型社會(huì)的建立，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用普及率逐年上升。影響其行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題就是電機(jī)的質(zhì)量，與電機(jī)機(jī)座的機(jī)械性能問題有著密切關(guān)聯(lián)。

ANSYS有限元分析軟件，在電機(jī)機(jī)座設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)其模態(tài)、振動(dòng)、強(qiáng)度等進(jìn)行模擬計(jì)算，從而及時(shí)有效地避免設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少人力物力的浪費(fèi)。機(jī)座作為電機(jī)的重要組成部件，有必要對(duì)其進(jìn)行機(jī)械計(jì)算校核。

一、模型處理

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取電機(jī)鋼板焊接機(jī)座為分析對(duì)象，分析時(shí)假設(shè)焊接質(zhì)量良好，整個(gè)機(jī)座為焊接組件，建模時(shí)將焊接機(jī)座作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)來處理，等效為一體。在模型處理時(shí)，對(duì)分析結(jié)果影響較小的圓角、倒角、螺紋孔和圓孔等結(jié)構(gòu)則進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。

從工程實(shí)用角度出發(fā)，采用四面體實(shí)體單元，整個(gè)機(jī)座共離散為105845個(gè)節(jié)點(diǎn)、5760個(gè)實(shí)體單元。其離散模型如圖1所示，各坐標(biāo)軸分別與電機(jī)軸的縱向、橫向、垂向?qū)?yīng)，其中X軸為縱向，Y軸為橫向、Z軸為垂向。材料屬性如表1所示。

圖1 機(jī)座離散模型

表1 材料屬性

二、載荷和約束條件

機(jī)座在靜止時(shí)，通過兩端支腳的螺栓固定在平面上。其約束條件為：在一端支腳固定，另一端支腳施加垂向約束。

三、有限元結(jié)果

1.模態(tài)分析

根據(jù)模態(tài)分析提取電機(jī)定子前六階固有頻率，通過云圖表達(dá)其模態(tài)振型，云圖中振型位移數(shù)的大小為一個(gè)相對(duì)量值，它表示的是各點(diǎn)在某一固有頻率上振動(dòng)量值的相對(duì)比值，并不反映實(shí)際振動(dòng)位移值。10階模態(tài)模擬結(jié)果如圖2所示，10階內(nèi)模態(tài)固有頻率模擬數(shù)值如表2所示。

圖2 10階頻率振型

表2 10階內(nèi)模態(tài)固有頻率

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載時(shí)的電磁振動(dòng)主要是定子軛環(huán)作均勻的徑向振動(dòng)，其固有頻率為：

式中：Dc為定子鐵心軛平均直徑，Dc=651.2；E為鐵心彈性模量（N/m2），E=206×109；ρ為鐵心密度（kg/m3），ρ=7.75×103；Δ為質(zhì)量附加系數(shù)，；Gt、Gw、Gc為定子軛、定子齒、定子繞組（連絕緣）重量（kg）。其結(jié)果為：f=1.11。

10階內(nèi)模態(tài)固有頻率值為97.504～594.14，電機(jī)定子固有頻率為1.11，該頻率值明顯小于10階內(nèi)模態(tài)固有頻率，因此機(jī)座結(jié)構(gòu)不會(huì)由于電機(jī)頻率引起共振。

2.靜力分析

機(jī)座在靜止?fàn)顟B(tài)下時(shí)，機(jī)座的最大應(yīng)力點(diǎn)為2.2821MPa，在支腳連接處，該處容易造成應(yīng)力集中，應(yīng)變值為0.0062mm。應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖3、4所示。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 應(yīng)變?cè)茍D

從機(jī)座云變形圖可以看出，機(jī)座在靜態(tài)時(shí)變形量較小，主要應(yīng)變發(fā)生在機(jī)座上部，但機(jī)座整體的剛度較大，有較大的安全系數(shù)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.定子吊運(yùn)時(shí)受力分析

定子在轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，使用吊具通過吊耳將機(jī)座吊起。常見的是對(duì)四個(gè)吊耳進(jìn)行吊運(yùn)。機(jī)座質(zhì)量為1762kg，拉力為17268N，乘以1.3的動(dòng)力系數(shù)，拉力為22448N。

吊運(yùn)過程應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖5、6所示。

圖5 吊裝應(yīng)力圖

圖6 耳吊裝應(yīng)變圖

通過應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可以看出，在動(dòng)力系數(shù)為1.3時(shí)吊運(yùn)，機(jī)座變形主要集中在四個(gè)吊耳周圍。最大應(yīng)力在吊耳內(nèi)側(cè)，為16.713MPa，該處應(yīng)變也是最大值0.031045。此時(shí)機(jī)座強(qiáng)度設(shè)計(jì)能夠滿足使用要求，但應(yīng)注意吊運(yùn)中不宜速度過快，同時(shí)應(yīng)盡量減小機(jī)座的擺動(dòng)，以減小機(jī)座吊耳處過大變形，端蓋安裝面變形等問題。

四、結(jié)語

利用ANSYS仿真分析軟件對(duì)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析具有較好的精度，可以滿足工程需要。電機(jī)定子固有頻率為1.11，明顯小于機(jī)座10階內(nèi)模態(tài)固有頻率，機(jī)座結(jié)構(gòu)不會(huì)由于電機(jī)頻率引起共振。機(jī)座靜態(tài)下剛度較大，設(shè)計(jì)安全系數(shù)大。在吊裝時(shí)，四個(gè)吊耳吊運(yùn)應(yīng)力雖然較大，但能滿足設(shè)計(jì)要求，但在吊運(yùn)時(shí)應(yīng)控制吊運(yùn)速度，減小機(jī)座擺動(dòng)造成更大應(yīng)力變形。

通過對(duì)機(jī)座有限元仿真分析，不僅可以為整機(jī)的振動(dòng)特性提供理論依據(jù)，還能機(jī)座強(qiáng)度提供了設(shè)計(jì)支撐，為后期的機(jī)座優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。