蔣曉東，呂 森，石征錦

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159)

風(fēng)力發(fā)電作為新能源技術(shù)正在快速發(fā)展，環(huán)境溫度、濕度以及塔筒有限的空間對發(fā)電機(jī)可靠性和功率密度均提出了更高的要求，目前廣泛應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域的永磁發(fā)電機(jī)的高成本問題以及有刷雙饋發(fā)電機(jī)的低可靠性問題，已不能滿足現(xiàn)實(shí)要求。無刷雙饋發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly Fed Generator，BDFG)具有常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢，與永磁發(fā)電機(jī)相比，所需變流器容量大大減小，不需要永磁體勵磁，降低了材料使用成本；與有刷雙饋發(fā)電機(jī)相比，取消了電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，減少了發(fā)電機(jī)的故障率，提高了運(yùn)行的可靠性，因此BDFG具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

目前針對無刷雙饋電機(jī)的研究尚處于基礎(chǔ)階段，存在一些制約其在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題，如常規(guī)結(jié)構(gòu)的無刷雙饋發(fā)電機(jī)功率密度較低，機(jī)組空間沒有得到廣泛的利用；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式對定子繞組的耦合能力不強(qiáng)，調(diào)制出的磁場諧波較大，導(dǎo)致電機(jī)效率、功率因數(shù)等性能指標(biāo)較低。采用雙定子結(jié)構(gòu)代替原有的單定子結(jié)構(gòu)，可以提高機(jī)組的空間利用率，進(jìn)而提高電機(jī)的功率密度[3-4]。無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式有籠型繞組[5]、繞線轉(zhuǎn)子[6-7]和磁阻類轉(zhuǎn)子[8]，然而不同類型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在磁場耦合能力、加工工藝方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，仍需要尋求易于加工并且耦合能力強(qiáng)的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

基于無刷雙饋電機(jī)的固有優(yōu)勢以及存在的問題，文獻(xiàn)[9-10]提出了一種新型混合轉(zhuǎn)子雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Double Stator Brushless Doubly Fed Generator，DSBDFG)，該新型發(fā)電機(jī)不但提高了BDFG功率密度，增強(qiáng)了定轉(zhuǎn)子之間磁場耦合能力，使得效率、功率因數(shù)等性能進(jìn)一步提高，且其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有易于加工和裝配的優(yōu)勢。

在文獻(xiàn)[10]基礎(chǔ)上，本文針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，闡述新型混合轉(zhuǎn)子DSBDFG機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配型式，基于應(yīng)力分析理論，推導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力解析表達(dá)式，采用有限元方法對該電機(jī)主要結(jié)構(gòu)零件強(qiáng)度和形變進(jìn)行分析，研制一臺額定功率為50kW、額定轉(zhuǎn)速為360r/min的樣機(jī)，并對其進(jìn)行振動和噪聲實(shí)驗(yàn)。

1 應(yīng)力分析理論

厚壁圓環(huán)模型如圖1所示。

圖1 厚壁圓環(huán)模型

基于厚壁均勻圓柱體應(yīng)力分析理論，忽略高次諧波后，力平衡方程為

(1)

式中：σt為切向應(yīng)力；σr為徑向應(yīng)力；r為半徑。

單位徑向應(yīng)變εl為

(2)

式中：υ為泊松比；E為楊氏模量；P1為常數(shù)。

求解式(1)和式(2)得

(3)

對式(3)積分得

(4)

式中P2為常數(shù)。將式(4)代入式(2)得

(5)

由圖1a可知邊界條件為

(6)

式中：ri和ro分別為內(nèi)徑和外徑；pi和po分別為作用在圓環(huán)內(nèi)外表面的壓力。

將式(6)代入式(4)中，分別得出常數(shù)P1和P2，進(jìn)而得到半徑為r的應(yīng)力表達(dá)式為

(7)

(8)

當(dāng)兩個圓柱體通過預(yù)緊裝配時，如圖1b所示，在半徑R處存在一個接觸壓力，由此在接觸面產(chǎn)生一個正應(yīng)力σr=-p。設(shè)此時圓柱體間的徑向過盈距離用θ表示，則有

(9)

式中：Ei和Eo分別為內(nèi)外圓柱的楊氏模量；υi和υo分別為內(nèi)外圓柱的泊松比。

圖1b中，對于外圓，應(yīng)力p為圖1a中的pi，對于內(nèi)圓，應(yīng)力p為圖1a中的po。將式(9)分別代入式(7)和式(8)，可求得任意半徑下的應(yīng)力。

2 DSBDFG機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 總體裝配結(jié)構(gòu)

混合轉(zhuǎn)子DSBDFG總體機(jī)械結(jié)構(gòu)包括機(jī)座、內(nèi)外定子結(jié)構(gòu)及位于兩個定子中間的傳動部分，如圖2所示。

圖2 DSBDFG總體結(jié)構(gòu)

其中外定子與機(jī)座圓筒采用過盈配合進(jìn)行裝配，內(nèi)定子通過鍵結(jié)構(gòu)與靜止軸固定，后者前后兩端分別通過球軸承與轉(zhuǎn)子前端蓋和機(jī)座后端蓋裝配，靜止軸采用空心結(jié)構(gòu)，目的是方便引出內(nèi)定子槽內(nèi)繞組。

2.2 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合轉(zhuǎn)子DSBDFG傳動系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子前支架、隔磁套筒以及轉(zhuǎn)子后支架等零件組成，如圖3所示。

圖3 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子前支架焊接成一個整體，與轉(zhuǎn)子后支架一起分別固定在隔磁套筒的兩端，隔磁套筒內(nèi)外兩側(cè)分別有燕尾凹槽，用來固定混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(磁障疊片和籠條)，如圖4所示。

圖4 隔磁套筒與混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

在隔磁套筒內(nèi)外兩側(cè)的燕尾凹槽中分別插入由相同疊片疊壓成型的磁障轉(zhuǎn)子模塊，在每個轉(zhuǎn)子模塊間隙中放置短路籠條，并在兩個模塊之間放置公共籠條，構(gòu)成由磁障和籠條共同組成的混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3 DSBDFG結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

為保證混合轉(zhuǎn)子DSBDFG機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，采用有限元方法對額定轉(zhuǎn)速為360r/min、額定功率為50kW的電機(jī)進(jìn)行仿真分析。

3.1 機(jī)座結(jié)構(gòu)

混合轉(zhuǎn)子DSBDFG機(jī)座圓筒和后端蓋所受等效應(yīng)力和形變的有限元仿真結(jié)果如圖6和圖7所示，其中機(jī)座圓筒材料為鑄鐵，后端蓋材料為Q345B。

圖6 機(jī)座圓筒等效應(yīng)力和形變

圖7 機(jī)座后端蓋等效應(yīng)力和形變

由圖6和圖7可知，機(jī)座圓筒所受最大等效應(yīng)力為81.33MPa，最大形變量為0.093mm；機(jī)座后端蓋所受最大等效應(yīng)力為191.22MPa，最大形變量為0.04mm。Q345B許用應(yīng)力為210MPa，鑄鐵許用應(yīng)力為185MPa，仿真結(jié)果表明機(jī)座圓筒和后端蓋所受應(yīng)力均在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

為確?；旌限D(zhuǎn)子DSBDFG安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對其傳動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析?？紤]籠條影響下，轉(zhuǎn)子內(nèi)外模塊與隔磁套筒所受等效應(yīng)力和形變的有限元仿真結(jié)果如圖8所示，其中轉(zhuǎn)子內(nèi)外磁障疊片采用DW310-50硅鋼片，隔磁套筒采用304不銹鋼。

圖8 轉(zhuǎn)子模塊和隔磁套筒等效應(yīng)力和形變

由圖8可知，轉(zhuǎn)子外磁障模塊所受最大等效應(yīng)力為88.15MPa，位于轉(zhuǎn)子燕尾根部與隔磁套筒的連接處，最大形變量為0.123mm，位于磁障邊緣；轉(zhuǎn)子內(nèi)磁障模塊所受最大等效應(yīng)力為18.55MPa，最大形變量為0.0092mm；隔磁套筒所受最大等效應(yīng)力為38MPa，最大形變量為0.0173mm。硅鋼片許用應(yīng)力為274MPa，304不銹鋼許用應(yīng)力為137MPa，仿真結(jié)果表明磁障轉(zhuǎn)子和隔磁套筒所受應(yīng)力均在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

3.3 靜止軸結(jié)構(gòu)

混合轉(zhuǎn)子DSBDFG用于支撐內(nèi)定子結(jié)構(gòu)的靜止軸所受等效應(yīng)力和形變有限元仿真結(jié)果如圖9所示，其中靜止軸材料為40Cr。

圖9 靜止軸等效應(yīng)力和形變

由圖9可知，靜止軸所受最大等效應(yīng)力為110.29MPa，最大形變量為0.0465mm。40Cr許用剪切應(yīng)力為211.1MPa，許用抗壓彎應(yīng)力為365.7MPa，仿真結(jié)果表明靜止軸所受應(yīng)力在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

3.4 轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)

用于支撐隔磁套筒的轉(zhuǎn)子前后支架所受等效應(yīng)力有限元仿真結(jié)果如圖10所示，材料均為Q345B。

由圖10可知，轉(zhuǎn)子前后支架所受最大等效應(yīng)力分別為35.91MPa和15.96MPa，均位于輻條與支架內(nèi)環(huán)連接處，仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)子前后支架所受應(yīng)力均在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證新型混合轉(zhuǎn)子DSBDFG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，研制了一臺額定功率為50kW、額定轉(zhuǎn)速為360r/min的樣機(jī)，對樣機(jī)額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時的振動和噪聲進(jìn)行測試。

樣機(jī)額定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 樣機(jī)額定數(shù)據(jù)

整機(jī)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖11和圖12所示。

圖11 DSBDFG整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖12 DSBDFG轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

本文對混合轉(zhuǎn)子DSBDFG樣機(jī)在360r/min、額定負(fù)載運(yùn)行下的振動情況進(jìn)行了測試，振動測試平臺和測點(diǎn)如圖13所示。

圖13 振動測試點(diǎn)分布

圖13中1、2和3分別代表機(jī)座前端蓋水平、豎直和軸向方向上的測點(diǎn)。考慮到樣機(jī)機(jī)座后端蓋與靜止軸固定連接，振動較小可忽略，只測試機(jī)座前端蓋的振動情況，其中振動測試儀器選用振動儀VC63，測試結(jié)果如表2所示。

表2 樣機(jī)振動測試結(jié)果

本文對混合轉(zhuǎn)子DSBDFG樣機(jī)在360r/min、額定負(fù)載條件下的噪聲進(jìn)行了測試。由于樣機(jī)中心高為450mm，大于225mm，采用等效矩形包絡(luò)面法進(jìn)行測試，測點(diǎn)分布如圖14所示。

圖14 噪聲測點(diǎn)分布

圖14中1、2分別為距離樣機(jī)機(jī)座左右兩端1m處的測點(diǎn)，3為距離樣機(jī)機(jī)座后端蓋1m處的測點(diǎn)，4為距離樣機(jī)機(jī)座上方1m處的測點(diǎn)，由于樣機(jī)驅(qū)動軸處有防護(hù)罩，因此樣機(jī)前端蓋噪聲不做測試。測試噪聲儀器選擇智能傳感器數(shù)字聲級計(jì)，測試結(jié)果如表3所示。

表3 樣機(jī)噪聲測試結(jié)果

通過對表2和表3的分析可知，樣機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載下，能夠長時間保持穩(wěn)定運(yùn)行。需要說明的是，樣機(jī)噪聲測試結(jié)果存在一定誤差，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時周圍環(huán)境會對測試結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。通過實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了混合轉(zhuǎn)子DSBDFG樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

以無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象，對其機(jī)械結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度進(jìn)行了分析，提出了適用于雙定子電機(jī)的新機(jī)械結(jié)構(gòu)和裝配型式，拓展了雙定子電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

基于厚壁均勻圓柱體應(yīng)力分析理論，推導(dǎo)出適用于該種電機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算的解析表達(dá)式，為類似電機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算提供理論依據(jù)。

搭建了樣機(jī)振動和噪聲實(shí)驗(yàn)平臺，通過測試樣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時不同測點(diǎn)振動和噪聲結(jié)果可知，樣機(jī)能夠在額定負(fù)載下安全穩(wěn)定地運(yùn)行，驗(yàn)證了混合轉(zhuǎn)子雙定子無刷雙饋發(fā)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，間接證明了結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真計(jì)算的正確性。