箱式发电机定子机座系统模态试验与仿真分析

赵 震，龙 蛟，谭 亮，黄 奕

(江苏中车电机有限公司，江苏 大丰 224100)

箱式发电机定子机座系统模态试验与仿真分析

赵 震，龙 蛟，谭 亮，黄 奕

(江苏中车电机有限公司，江苏 大丰 224100)

箱式发电机定子铁芯套机座后其模态会发生变化，为防止发电机机座与定子在运行中发生共振等现象，在设计时就要对发电机模态进行详细仿真分析。本文利用有限元分析法和试验检测方式对某型号发电机定子套机座的模态进行对比分析，为进一步研究该类型风力发电机定子刚度提供依据。

定子铁芯；固有频率；模态分析；试验检测；机座

风力发电经过多年快速发展，在全球市场已占据一定地位。随着市场激烈竞争，要求发电机结构紧凑、体积小、质量更轻，但又导致发电机刚度逐渐下降，容易引起发电机振动。随着这种矛盾的日益突出，很多设计研发单位开始投入大量人力、物力来研究发电机模态问题，在设计之初对发电机定子、转子等重要部件进行模态仿真分析，防止发生共振问题，进而影响到风力发电机组整体性能[1]。

箱式机组普遍应用于旋转电机中，目前主要应用于高速永磁风力发电机、双馈风力发电机以及半直驱永磁风力发电机中，在发电机设计初期对发电机进行模态仿真分析，避免发生共振等问题，已经是发电机设计的一个重要环节[2]。发电机振动评价不仅在电机行业也在风力发电行业作为评价一个电机能不能可靠运行的重要指标[3]。本文以某款双馈风力发电机定子机座系统为原型，对其进行了模态仿真分析与试验检测分析，为进一步研究该类型风力发电机定子机座，避免产生振动提供依据。

1 发电机铁芯和机座固有频率解析法计算

定子铁芯结构复杂，其固有频率计算也比较复杂，经过多年研究，也有学者提出电机定子铁芯m≥0阶固有频率的计算方法[4]：

Myoke——定子轭部质量，

Mteeth——定子齿部质量，

Dc——定子铁芯的平均直径；

Pc——定子铁芯材料密度；

Ec——定子铁芯材料弹性模量；

VC——泊松比；

hC——轭部平均高度；

ct——齿宽；

Dlout、Dlin——分别为定子铁芯外径和内径；

Li——定子叠片的有效长度。

发电机铁芯套入机座后，其刚度又会发生变化，定子机座系统的固有频率计算公式变成：

式中：

Lf、hf、Rf——分别为定子机座的轴向长度、厚度和平均半径；

Ef、Vf——分别为机座材料的弹性模量和泊松比；

Mf——定子机座的平均质量。

2 定子机座系统模态仿真分析

用三维软件建立实体定子机座三维模型，在有限元仿真分析软件中对三维模型进行网格划分和材料属性添加[5][6]。定子机座模型如图1所示。

图1 某定子机座三维模型

发电机定子机座部分主要料属性如表1所示。

表1 分析采用的材料力学参数

定子机座的分析模型采用与实物一致的模型，包括机座、立筋、硅钢片及通风槽片，定子线圈质量以质量点的方式布置于硅钢片的线槽内，计算了定子机座系统在模态振型。

计算所得各定子机座前几阶主要振型对应频率如表2所示，振型如图2所示。

表2 定子机座前几阶主要振型及频率值

3 定子机座系统测试试验结果

由于本试验将定子机座放置在地面上，采用锤击的激励方式，根据被测试对象的特点，选择了若干激励点，并以某些点为参考点，各布置一个传感器，它们对应的位置分别为发电机方向与GL坐标系一致。考虑关心的频率范围，本次试验选用尼龙锤头对各测点进行敲击。

将采集得到的各通道的时域信号滤波后进行FFT(FastFourier Transformation)即快速傅氏变换，可得到频域信号[7][8]。在频响函数的基础上，通过最小二乘法可以得出模态参数。经对该发电机定子机座进行模态试验，得到该型发电机定子机座的固有频率。试验结果如表3及图3所示。

图2 定子机座前几阶主要振型

表3 试验检测定子机座前几阶主要振型及频率值

4 结果讨论与分析

试验进行了多次对比分析，认为试验结果具有很高可信度。从试验和仿真分析的数值对比来看，试验和仿真频率比较接近，误差主要来自于发电机定子机座系统的处理上：一方面，仿真时发电机定子机座基本为自由状态，测试时发电机定子机座则是在地面上；另一方面，机座和定子是过盈配合，过盈尺寸在加工工艺上可能与理论尺寸不一样；第三，铁芯模型在处理时弹性模量输入值和真实值有差别[9]，对仿真分析计算有影响；最后，定子绕组模型处理方式也有一定的影响[10]。

图3 定子机座系统测试结果图

5 结论

(1)虽然解析法计算定子机座系统的振动频率和有限元方法已经很接近[4]，但目前主要使用的还是有限元方法。

(2)有限元仿真分析和试验检测数据进行了对比，有限元仿真分析方法是比较可信的。

(3)有限元仿真分析和试验还有一定的偏差，需要对仿真模型的简化方式进行深入研究。

[1] 李慧新，吕杏梅，等.弹性支撑下风电机组传动系统结构动力分析[J].动力学与控制学报，2015，13(4)：293-294.

[2] 温 斌，李书强.基于ADAMS的风电双馈发电机振动研究[J].机械制造，2017，(1)：71-74.

[3] 刘木清.双馈风力发电机振动故障分析和实例处理[J].上海大中型电机，2012，(1)：71-75.

[4] 周 婷.机座影响下的电机定子固有频率计算[J].现代机械，2009，(2)：33-34.

[5] 薛延华，王志广，邵 滨，等.齿轮箱箱体结构对其振动模态的影响研究[J].机械传动，2008，32(6)：107-109.

[6] 赵 震，李 岩，等.基于有限元分析的大型直驱风力发电机定轴优化设计[J].机械制造，2016，(7)：36-37.

[7] 郭伟超，王三民，等.某发动机齿轮转子模态分析[J].机床与液压，2006，(5)：57-58.

[8] 施丽铭，张艳春.燃气轮机转子模态试验与分析[J].燃气轮技术，2007，(4)：47-48.

[9] 王天煜，王凤翔.大型异步电动机定子振动与模态分析[J].中国电机工程学报，2007，27(12)：42-43.

[10] 张式勤，刘芸芸，等.开关磁阻电机定子振动的有限元分析[J].中小型电机，2004，3l(1)：5-8.

Modal test and simulation analysis of stator frame system for box-type generator

ZHAO Zhen,LONG Jiao,TAN Liang,HUANG Yi
(Jiangsu CRRC Motor Co.,Ltd.,Dafeng 224100,Jiangsu China)

The finite element analysis method and the test inspection method have been used to compare and analyze the modal of the stator frame forsome model of generator in the text.It provides reference for further studying the stator stiffness for this kind of wind generator.

Stator core;Inherent frequency;Modal analysis;Test inspection;Machine base

TB115

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.023

1672-0121(2017)05-0077-03

2017-06-10；

2017-07-19

赵 震(1985-)，男，硕士，工程师，从事风力发电机结构设计。E-mail：azhen2010@qq.com