張水龍， 陳朝富

（欣達重工股份有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

風電為清潔可再生能源，開發(fā)利用風能既符合國家產(chǎn)業(yè)政策，也符合社會環(huán)境和經(jīng)濟效益。發(fā)電機為風電動機組的核心部件，機座與定子部件為發(fā)電機核心部件，配合設計合理性涉及到機組安全性[1]。機座和定子的過盈量有許多不確定因素需加以考慮，例如機座與定子的不圓度、平整度和不均勻度，定子彈性系數(shù)各向異性及定子單邊磁拉力等[2]。所以，至今國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的工程經(jīng)驗公式作為機座與定子過盈的設計依據(jù)。

目前，蘭波、李志和[3]采用復合材料理論，將定子鐵心的疊片層與絕緣漆層等效為同向的彈性模量，得到縱向、橫向的彎曲彈性模量及剪切彈性模量、泊松比等5個彈性常數(shù)。徐忠海等[4]將大型水輪機定子疊片視為各項同性材料，采用Matlab程序編程，計算得到定子鐵心等效工程彈性常數(shù)。

據(jù)工作載荷和工程經(jīng)驗值，選定過盈量，視各向同性等效彈性模量，忽略不平衡磁拉力和機座加工不圓度，采用ANSYS WORKBENCH軟件討論磁吸力、表面粗糙度和溫度等對過盈量影響，并分析機座與定子接觸應力、焊縫應力以及定子壓縮量和機座膨脹量[5]。

1 機座與定子過盈設計因素

1.1 工作載荷

發(fā)電機實際的工作狀態(tài)下，機座與定子相對靜止，不允許有相對轉動。一旦機座與定子相對轉動，定子線圈電纜接頭會被撕斷或絕緣破壞，導致風力機無法正常工作。機座與定子過盈配合設計準則之一：1）電動機在突然短路狀態(tài)下，不允許滑動；2）電動機在額定載荷工作下，不允許滑動；3）焊縫應力不允許超過疲勞強度DC80[6]。

風力機組額定載荷[7]為

式中：K為過載系數(shù)，工程上取值為1.05～1.1 N·m；Prated為額定功率，kW；nrated為額定轉速，r/min。

短路衰減力矩[8]為

式中：A為振幅，N·m；λ為衰減系數(shù)；f為衰減頻率，Hz；t為時間，s。

圖1 某MW級電動機短路衰減力矩曲線

1.2 磁吸力

磁吸力是由于定子磁鋼的磁場對定子線圈的吸力，其原理詳見圖2。此磁力FPlate會減少定子與機座的配合量，其值[8-9]為

圖2 磁力產(chǎn)生原理

式中：W（s,i）為系統(tǒng)磁能積，Jm3；B為磁感應強度，T；H為磁場強度，Am；s為氣隙間距，見圖2，m；V為體積，m3。

從式（3）可以得出，磁力FPlate與磁路的磁感應強度B和磁場強度H、氣隙s相關。B、H越大（磁能積就越大），s越小，磁力FPlate越大。

1.3 表面粗糙度

據(jù)過盈配合計算原理與設計規(guī)則，加工粗糙度會造成過盈量的損失，粗糙度等級越低，損失量越大。損失量[10]為

表1 算術平均粗糙度與不平度十點高度換算

式中：RZA為包容件粗糙度，微觀不平度十點高度，μm；RZl為被包容粗糙度，微觀不平度十點高度，μm。

式（4）表明，粗糙度值越大，損失量越高。所以配合面要求一定級別的粗糙度。算術平均粗糙度與不平度十點高度換算見表1。

1.4 溫度

定子線圈為發(fā)熱源，與機座形成溫度梯度，機座與定子的溫度差對機座與定子的過盈影響較大，主要膨脹量[11]為

式中：Δt為定子平均溫度與機座平均溫度之差，K；α為線性膨脹系數(shù)，碳鋼取11×10-6K-1；D為機座與定子配合直徑，mm。

表2 溫度差與膨脹量關系

當材質(zhì)與配合直徑一定時，兩者存在的溫差影響過盈量大小。表2中溫度差與膨脹量關系根據(jù)式（5）計算,取配合直徑為4.7 m的機座，機座的溫差對膨脹量影響較大。一般情況機組運行情況，定子溫度高于機座溫度，定子較機座膨脹量更多，有利于過盈，但機座焊縫應力會響應增加。

2 算例與分析

定子由定子鐵心、線圈、絕緣材料、嵌條組合成一體。定子鐵心由0.5 mm硅鋼片層疊后，經(jīng)300 t壓力壓制后，數(shù)根肋條焊接成一體[12]?？梢姕蚀_計算定子剛度比較困難，據(jù)工程經(jīng)驗，熱套前，測量機座內(nèi)、外徑值，熱套后，待冷卻完畢，再次測量機座外徑、和定子內(nèi)徑值，比較熱套前后數(shù)據(jù)，得出等效彈性模量。

式中:t1為定子等效厚度;t2為機座等效厚度；D1為熱套前定子內(nèi)徑;D2為熱套后定子內(nèi)徑；D3為熱套后機座外徑；D4為熱套前機座外徑。

經(jīng)實際對定子和機座尺寸的測量，等效彈性模量取80 GPa。泊松比取0.44（僅考慮定子軸向伸長量與定子徑向壓縮量）。

圖3 單元電動機磁拉力模型

3 案例分析

某發(fā)電機功率P為2500 kW，定子長度L為1 m，配合直徑4.7 m，機座厚度為60 mm，額定轉速n為14.8 rmin，定轉子之間的氣隙直徑為4.43 m，氣隙厚度為5.8 mm。本文取單元電動機為研究對象，設定X坐標為單元電動機的徑向方向，Y坐標為單元電動機切向方向，詳見圖3單元電動機磁拉力模型[13]。總過盈量采用網(wǎng)格偏移功能[14]，參數(shù)offset數(shù)值為1.3 mm，即單邊偏移量1.3 mm。

表3 空載與滿載情況下磁吸力與氣隙的關系

圖4 機座與定子過盈變形、接觸壓強和應力

從圖4機座與定子過盈變形、接觸壓強和應力可得，機座變形量為0.68 mm，定子變形量為0.62 mm，兩者接觸應力為1.1 MPa，定子最大應力為67 MPa，機座焊縫處最大應力為75 MPa。從表3空載與滿載情況下磁吸力與氣隙的關系表明，滿載比空載吸力大25%左右，發(fā)電機滿載工作時，定子磁吸力對機座與定子過盈配合的影響因子約為0.1651.1=15%[15-17]。

4 結 論

以某發(fā)電機機座與定子配合設計為案例，忽略機座本身的不圓度，采用有限元軟件分析方法，計算分析了過盈產(chǎn)生的偏移量和應力，結論如下：1）大型風力發(fā)電機直徑4～5 m之間，等效彈性模量為80～110 GPa；2）設計機座過盈配合時，需考慮發(fā)電機定子繞組的磁吸力，其滿載較空載影響較大，影響量為15%左右；3）機座的過盈應力較定子高，尤其關注機座的焊縫應力不允許超過其許用疲勞應力；4）機座與定子變形均為弧形狀，給鋼端蓋配合提供理論基礎。