肖良瑜，李玲杰

(1. 國(guó)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(guó)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(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

肖良瑜1，李玲杰2

(1. 國(guó)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(guó)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(jī)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(qiáng)度分析方法，得出了轉(zhuǎn)子沖片的應(yīng)力分布情況，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。最終使轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度能夠滿足許用應(yīng)力的要求，確保了電機(jī)的能安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)；轉(zhuǎn)子；應(yīng)力；接觸分析；有限元

0 引言

永磁同步電機(jī)以永磁體提供的磁通替代普通電勵(lì)磁同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁,使電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，又因無需勵(lì)磁電流，省去了勵(lì)磁損耗，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性、效率和功率密度。因而，近年來它在國(guó)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(jī)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(qiáng)度和剛度受到極大削弱。因此，轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度分析就成為永磁電機(jī)設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的計(jì)算方法[1]是將永磁體的質(zhì)量簡(jiǎn)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(shí)際情況。

以某工程實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)的一臺(tái)2.75MW高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度進(jìn)行了分析求解，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 電機(jī)基本參數(shù)

2.75MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(qiáng)度極限539MPa，彈性模量2×105MPa，泊松比0.27。永磁體牌號(hào)為N38UH，彈性模量1.13×105MPa，泊松比0.23。為了校核設(shè)計(jì)的可靠性以及優(yōu)化改進(jìn)，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(duì)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行分析求解。

表1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)表

2 有限元分析

2.1 接觸問題概述

接觸問題是常見的一類工程問題。實(shí)際的接觸過程在力學(xué)中可能會(huì)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(qiáng)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(diǎn)—點(diǎn)接觸、點(diǎn)—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?jī)蓚€(gè)物體之間的接觸時(shí)，一個(gè)物體的表面被認(rèn)為是接觸面，另一個(gè)物體的表面被認(rèn)為是目標(biāo)面。接觸面和目標(biāo)面構(gòu)成了一個(gè)接觸對(duì)，而構(gòu)成接觸對(duì)的接觸單元和目標(biāo)單元通過共享實(shí)常數(shù)組聯(lián)系起來，不同的接觸對(duì)必須通過不同的實(shí)常數(shù)組定義[2]。

2.2 計(jì)算模型的建立

為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，提高計(jì)算分析效率，考慮到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及載荷具有周期對(duì)稱性，選取1/8個(gè)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象，如圖1(a)所示。疊壓系數(shù)的影響通過密度折算考慮進(jìn)去，并采用具有8節(jié)點(diǎn)的PLANE82單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，如圖1(b)所示。PLANE82稱為2D結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，用于模擬平面實(shí)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(duì)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(jìn)行非線性求解。本計(jì)算在磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵心之間通過面-面接觸單元模擬。目標(biāo)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(kuò)展拉格朗日算法。為了便于對(duì)轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，進(jìn)行轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，利用ANSYS的APDL語言進(jìn)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(jìn)行了加密處理，便于真實(shí)、準(zhǔn)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(jì)算結(jié)果分析

通常，對(duì)于正常運(yùn)行工況，最大應(yīng)力不超過許用應(yīng)力2б/3=274 MPa。而對(duì)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(duì)初始設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核計(jì)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(jì)人員的要求，對(duì)永磁體槽過度圓角半徑取不同值時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析，以確定出一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，既保證強(qiáng)度滿足要求，又使電磁設(shè)計(jì)能滿足要求。表1列出了不同設(shè)計(jì)方案下的應(yīng)力計(jì)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(jì)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(qiáng)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(jì)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

3 結(jié)語

通過應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了二維接觸有限元分析，準(zhǔn)確地得出了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)，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(jìn)電機(jī)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(jī)械強(qiáng)度能夠滿足許用應(yīng)力的要求，確保了電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)機(jī)及其傳動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度接觸有限元分析[J].微電機(jī)，2008，(41).

[3] 尚曉江，邱峰等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

肖良瑜，男，1977年生，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析和振動(dòng)測(cè)試工作。