大型风力机机座与定子过盈配合的影响因素分析与计算

张水龙， 陈朝富

（欣达重工股份有限公司，浙江宁波 315000）

0 引言

风电为清洁可再生能源，开发利用风能既符合国家产业政策，也符合社会环境和经济效益。发电机为风电动机组的核心部件，机座与定子部件为发电机核心部件，配合设计合理性涉及到机组安全性[1]。机座和定子的过盈量有许多不确定因素需加以考虑，例如机座与定子的不圆度、平整度和不均匀度，定子弹性系数各向异性及定子单边磁拉力等[2]。所以，至今国内外没有统一的工程经验公式作为机座与定子过盈的设计依据。

目前，兰波、李志和[3]采用复合材料理论，将定子铁心的叠片层与绝缘漆层等效为同向的弹性模量，得到纵向、横向的弯曲弹性模量及剪切弹性模量、泊松比等5个弹性常数。徐忠海等[4]将大型水轮机定子叠片视为各项同性材料，采用Matlab程序编程，计算得到定子铁心等效工程弹性常数。

据工作载荷和工程经验值，选定过盈量，视各向同性等效弹性模量，忽略不平衡磁拉力和机座加工不圆度，采用ANSYS WORKBENCH软件讨论磁吸力、表面粗糙度和温度等对过盈量影响，并分析机座与定子接触应力、焊缝应力以及定子压缩量和机座膨胀量[5]。

1 机座与定子过盈设计因素

1.1 工作载荷

发电机实际的工作状态下，机座与定子相对静止，不允许有相对转动。一旦机座与定子相对转动，定子线圈电缆接头会被撕断或绝缘破坏，导致风力机无法正常工作。机座与定子过盈配合设计准则之一：1）电动机在突然短路状态下，不允许滑动；2）电动机在额定载荷工作下，不允许滑动；3）焊缝应力不允许超过疲劳强度DC80[6]。

风力机组额定载荷[7]为

式中：K为过载系数，工程上取值为1.05～1.1 N·m；Prated为额定功率，kW；nrated为额定转速，r/min。

短路衰减力矩[8]为

式中：A为振幅，N·m；λ为衰减系数；f为衰减频率，Hz；t为时间，s。

图1 某MW级电动机短路衰减力矩曲线

1.2 磁吸力

磁吸力是由于定子磁钢的磁场对定子线圈的吸力，其原理详见图2。此磁力FPlate会减少定子与机座的配合量，其值[8-9]为

图2 磁力产生原理

式中：W（s,i）为系统磁能积，Jm3；B为磁感应强度，T；H为磁场强度，Am；s为气隙间距，见图2，m；V为体积，m3。

从式（3）可以得出，磁力FPlate与磁路的磁感应强度B和磁场强度H、气隙s相关。B、H越大（磁能积就越大），s越小，磁力FPlate越大。

1.3 表面粗糙度

据过盈配合计算原理与设计规则，加工粗糙度会造成过盈量的损失，粗糙度等级越低，损失量越大。损失量[10]为

表1 算术平均粗糙度与不平度十点高度换算

式中：RZA为包容件粗糙度，微观不平度十点高度，μm；RZl为被包容粗糙度，微观不平度十点高度，μm。

式（4）表明，粗糙度值越大，损失量越高。所以配合面要求一定级别的粗糙度。算术平均粗糙度与不平度十点高度换算见表1。

1.4 温度

定子线圈为发热源，与机座形成温度梯度，机座与定子的温度差对机座与定子的过盈影响较大，主要膨胀量[11]为

式中：Δt为定子平均温度与机座平均温度之差，K；α为线性膨胀系数，碳钢取11×10-6K-1；D为机座与定子配合直径，mm。

表2 温度差与膨胀量关系

当材质与配合直径一定时，两者存在的温差影响过盈量大小。表2中温度差与膨胀量关系根据式（5）计算,取配合直径为4.7 m的机座，机座的温差对膨胀量影响较大。一般情况机组运行情况，定子温度高于机座温度，定子较机座膨胀量更多，有利于过盈，但机座焊缝应力会响应增加。

2 算例与分析

定子由定子铁心、线圈、绝缘材料、嵌条组合成一体。定子铁心由0.5 mm硅钢片层叠后，经300 t压力压制后，数根肋条焊接成一体[12]。可见准确计算定子刚度比较困难，据工程经验，热套前，测量机座内、外径值，热套后，待冷却完毕，再次测量机座外径、和定子内径值，比较热套前后数据，得出等效弹性模量。

式中:t1为定子等效厚度;t2为机座等效厚度；D1为热套前定子内径;D2为热套后定子内径；D3为热套后机座外径；D4为热套前机座外径。

经实际对定子和机座尺寸的测量，等效弹性模量取80 GPa。泊松比取0.44（仅考虑定子轴向伸长量与定子径向压缩量）。

图3 单元电动机磁拉力模型

3 案例分析

某发电机功率P为2500 kW，定子长度L为1 m，配合直径4.7 m，机座厚度为60 mm，额定转速n为14.8 rmin，定转子之间的气隙直径为4.43 m，气隙厚度为5.8 mm。本文取单元电动机为研究对象，设定X坐标为单元电动机的径向方向，Y坐标为单元电动机切向方向，详见图3单元电动机磁拉力模型[13]。总过盈量采用网格偏移功能[14]，参数offset数值为1.3 mm，即单边偏移量1.3 mm。

表3 空载与满载情况下磁吸力与气隙的关系

图4 机座与定子过盈变形、接触压强和应力

从图4机座与定子过盈变形、接触压强和应力可得，机座变形量为0.68 mm，定子变形量为0.62 mm，两者接触应力为1.1 MPa，定子最大应力为67 MPa，机座焊缝处最大应力为75 MPa。从表3空载与满载情况下磁吸力与气隙的关系表明，满载比空载吸力大25%左右，发电机满载工作时，定子磁吸力对机座与定子过盈配合的影响因子约为0.1651.1=15%[15-17]。

4 结 论

以某发电机机座与定子配合设计为案例，忽略机座本身的不圆度，采用有限元软件分析方法，计算分析了过盈产生的偏移量和应力，结论如下：1）大型风力发电机直径4～5 m之间，等效弹性模量为80～110 GPa；2）设计机座过盈配合时，需考虑发电机定子绕组的磁吸力，其满载较空载影响较大，影响量为15%左右；3）机座的过盈应力较定子高，尤其关注机座的焊缝应力不允许超过其许用疲劳应力；4）机座与定子变形均为弧形状，给钢端盖配合提供理论基础。