雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)定子支撐結(jié)構(gòu)剛度分析

高 俊，孫曉明 ，張 宇，佟文明，安忠良

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心,沈陽(yáng) 110870; 2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)設(shè)備有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110022;3.遼寧省電力有限公司檢修分公司，沈陽(yáng) 110003)

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雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)定子支撐結(jié)構(gòu)剛度分析

高 俊1，孫曉明2，張 宇3，佟文明1，安忠良1

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心,沈陽(yáng) 110870; 2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)設(shè)備有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110022;3.遼寧省電力有限公司檢修分公司，沈陽(yáng) 110003)

雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)能夠有效利用電機(jī)內(nèi)部空間，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研究?jī)H停留在研究試制階段，對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)方面的研究甚少，其中涉及大功率雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的研究還不是很深入。針對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種適用于大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的定子支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)出了定子支撐結(jié)構(gòu)的剛度解析公式，以一臺(tái)1.65 MW，150 r/min的雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力為例，利用有限元方法驗(yàn)證了解析公式的正確性。

雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)；定子雙支撐；定子支撐結(jié)構(gòu)；剛度分析

0 引 言

雙轉(zhuǎn)子、單定子徑向永磁電機(jī)與普通結(jié)構(gòu)電機(jī)相比，雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠有效利用電機(jī)內(nèi)部空間，可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的研究?jī)H停留在研究試制階段，所研究電機(jī)的功率較低，而且大多研究均為電磁方面，對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)方面的研究甚少，其中涉及大功率雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的研究還不是很深入。

美國(guó)威斯康辛大學(xué)設(shè)計(jì)了一臺(tái)2.2 kW的小型雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，提出了一種金屬框架式的結(jié)構(gòu)固定方式，但僅為初步設(shè)計(jì)，而且該框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差，不適用于大型電機(jī)結(jié)構(gòu)[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]僅對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的氣隙磁密分布變化等進(jìn)行了有限元分析研究；文獻(xiàn)[6-9]主要研究異向旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)理論；文獻(xiàn)[10-11]對(duì)小功率雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)進(jìn)行了理論公式推導(dǎo)及減少齒槽轉(zhuǎn)矩方法的研究；文獻(xiàn)[12]對(duì)雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了理論公式推導(dǎo)，并設(shè)計(jì)了一臺(tái)1.65 MW的雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但未對(duì)該電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。

本文在此研究基礎(chǔ)上，針對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種定子雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的定子支撐部分進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)出了定子支撐結(jié)構(gòu)的剛度解析計(jì)算公式。最后以一臺(tái)1.65 MW，150 r/min的雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力為例，利用有限元方法驗(yàn)證了解析公式的正確性。

1 結(jié)構(gòu)模型

雙轉(zhuǎn)子、單定子徑向永磁電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上存在內(nèi)、外兩個(gè)轉(zhuǎn)子，定子鐵心位于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間，形成兩個(gè)氣隙，本文稱之為內(nèi)氣隙g1和外氣隙g2，共同構(gòu)成電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的樞紐，也提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，但于此同時(shí)是也對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)造成了負(fù)面影響，如直接影響氣隙均勻度，造成內(nèi)、外氣隙值相差很大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生掃堂，而產(chǎn)生這種不良影響的主要原因：(1)該結(jié)構(gòu)一個(gè)定子鐵心需要同時(shí)與內(nèi)、外兩個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行能量交換，定子部分需要應(yīng)用更多的鐵磁材料，故其重量較常規(guī)電機(jī)重30%～50%，由重力產(chǎn)生的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子偏心量也會(huì)隨之增大。(2)該結(jié)構(gòu)中外轉(zhuǎn)子部分必須采用單臂支撐結(jié)構(gòu)，剛度較差。

本文針對(duì)上述問(wèn)題提出一種定子雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所述，其三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)平面示意圖

圖2 雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，雙轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機(jī)可看成一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機(jī)與一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機(jī)套在一起，并共用一個(gè)定子鐵心的新型電機(jī)。該電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)。定子鐵心一端固定在定子左側(cè)支撐端面上，另一端固定在定子右左側(cè)支撐端面上，定子左側(cè)、右側(cè)支撐通過(guò)橫穿定子鐵心的支撐桿聯(lián)接，與此同時(shí)與軸承、轉(zhuǎn)軸建立良好的同軸度關(guān)系，以保證定、轉(zhuǎn)子之間的同軸度要求。

2 定子鐵心剛度分析

由于該電機(jī)的定子鐵心經(jīng)由支撐桿同兩側(cè)的定子支撐聯(lián)接，即定子鐵心的自重及所受外載荷均有支撐桿承擔(dān)，支撐桿的變形是引起定子偏心的主要原因，故需對(duì)支撐桿進(jìn)行剛度的分析，以保證電機(jī)的正常運(yùn)行。

該雙轉(zhuǎn)子電機(jī)定子支撐桿結(jié)構(gòu)的受力模型，如圖3所示。

圖3 定子支撐結(jié)構(gòu)受力模型

由圖3可知，定子鐵心主要受到三個(gè)載荷的作用，即外轉(zhuǎn)子與定子間的磁拉力F1、內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子間的磁拉力F2和定子鐵心的重力G。

在上述載荷的綜合作用下，支撐桿將發(fā)生彎曲，根據(jù)材料力學(xué)對(duì)其進(jìn)行，力學(xué)圖解分析，如圖4所示。

圖4 力學(xué)圖解

根據(jù)圖5列出支撐桿的力學(xué)平衡方程如下:

由于該支撐桿的A端、B端均固定，故yA，θA，yB，θB為零，所以可得:

而當(dāng)力作用于支撐桿的中央時(shí)，由于對(duì)稱，最大偏心發(fā)生于桿的中點(diǎn)，即a=l/2處，帶入式(6)可得雙轉(zhuǎn)子電機(jī)定子支撐桿最大撓度計(jì)算公式:

式中:L為定子鐵心長(zhǎng)；E為彈性模量；I為支撐桿的截面慣性矩；n為支撐桿的數(shù)量；D2為定子鐵心外徑；D1為定子鐵心內(nèi)徑；Bg2為內(nèi)氣隙磁密最大值；Bg1為外氣隙磁密最大值；l為支撐桿長(zhǎng)度。

3 雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)定子結(jié)構(gòu)分析實(shí)例

本文研究的電機(jī)為1.65 MW雙轉(zhuǎn)子半直趨永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，計(jì)算例中電機(jī)基本計(jì)算參數(shù)如表1所示。由自身重力G產(chǎn)生的支撐桿變形量及定子鐵心變形量有限元計(jì)算結(jié)果如圖5～圖6所示。由磁拉力F1和F2作用產(chǎn)生的支撐桿變形量及定子鐵心變形量有限元計(jì)算結(jié)果如圖7～圖8所示。由自身重力和磁拉力產(chǎn)生的支撐桿變形量及定子鐵心變形量如圖9～圖10所示。

定子支撐桿變形量解析法與有限元法計(jì)算結(jié)果比較，如圖11～圖13所示。

表1 算例定子主要參數(shù)

圖5 由重力G產(chǎn)生的支撐桿變形

圖6 由重力G產(chǎn)生的定子鐵心變形

圖7 由磁拉力產(chǎn)生的支撐桿變形

圖8 由磁拉力產(chǎn)生的支撐桿變形

圖9 由合力產(chǎn)生的支撐桿變形

圖10 由合力產(chǎn)生的定子鐵心變形

圖11 由重力產(chǎn)生支撐桿變形分析對(duì)比

圖12 由磁拉力產(chǎn)生支撐桿變形分析對(duì)比

圖13 由合力產(chǎn)生支撐桿變形分析對(duì)比

由圖5、圖7、圖9可知，定子支撐桿由定子鐵心及自身重力G產(chǎn)生的最大變形為0.040 8 mm，而由磁拉力F1和F2產(chǎn)生的最大變形達(dá)到了0.367 mm，由兩者合力產(chǎn)生的變形為0.407 mm。支撐桿兩側(cè)固定，故最大變形位置為支撐桿的中間段。而且由于定子鐵心與支撐桿為緊密配合，故支撐桿將受到定子鐵心的約束，所以支撐桿產(chǎn)生的變形不是正弦的撓變形，而是梯形的撓變形，即支撐桿與定子鐵心配合段產(chǎn)生的變形一致。

由圖5～圖10可知，定子支撐桿產(chǎn)生的變形與定子鐵心產(chǎn)生的變形量計(jì)算結(jié)果相近；考慮定子鐵心的變形時(shí)，不僅要考慮重力G，磁拉力F1，F(xiàn)2產(chǎn)生的支撐桿變形對(duì)定子鐵心影響，還要考慮磁拉力F1，F(xiàn)2對(duì)定子鐵心表面的作用，故定子鐵心產(chǎn)生的變形應(yīng)比支撐桿產(chǎn)生變形稍大，由計(jì)算結(jié)果可以看出該值大了8%左右。

圖11～圖13中，對(duì)定子支撐桿最大變形量進(jìn)行了有限元法和解析法的分析對(duì)比。由對(duì)比可知，支撐桿最大變形量的解析法計(jì)值稍大于有限元法計(jì)算值，相差10%左右。分析解析法計(jì)算值稍大的原因?yàn)榻馕龇ㄔ谟?jì)算時(shí)沒(méi)有考慮到定子鐵心對(duì)支撐桿變形的約束作用，故計(jì)算值稍大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種定子雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的定子支撐部分的剛度進(jìn)行了理論分析。通過(guò)以一臺(tái)1.65 MW，150 r/min雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的定子部分剛度分析為例，得到以下結(jié)論:

1) 對(duì)于雙支撐式雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)定子部分的剛度主要受自身重力和內(nèi)、外磁拉力的影響，其中磁拉力對(duì)剛度的影響占主要作用。

2) 考慮到磁拉力對(duì)定子鐵心內(nèi)、外表面的作用，故定子鐵心產(chǎn)生的最大變形稍大于支撐桿產(chǎn)生的最大變形，相差8%左右。由于支撐桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行解析法計(jì)算，故在考慮定子鐵心變形時(shí)，可先對(duì)支撐桿進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行適當(dāng)修正。

3) 由于有限元計(jì)算時(shí)能考慮定子鐵心對(duì)支撐桿變形的約束作用，計(jì)算值更為準(zhǔn)確，支撐桿變形量的有限元法計(jì)算值小于解析法計(jì)算值10%左右。

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Stator Support Structure Stiffness Analysis of Dual-Rotor Permanent Magnet Machine

GAOJun1，SUNXiao-ming2，ZHANGYu3，TONGWen-ming1，ANZhong-liang1

(1.Shenyang University of Technology,National Engineering Research Center for Rare-Earth Permanent Magnet Machines,Shenyang 110870,China; 2.Shenyang Blower Works Group Co., Ltd.,Shenyang 110022,China; 3.China Maintenance Branch of State Grid Liaoning Electric Power Company，Shenyang 110003,China)

Dual-rotor radial permanent magnet machine can utilize the volume effectively, and improve the torque density.Currently, the study of Dual-rotor radial permanent magnet machine is still in the trial stage, and little study focus on the structure of the machine, especially about the large power of machine.Based on the structure of dual-rotor machine, a stator support structure was proposed to improve the stiffness of large power wind permanent magnet machine.Theory analysis was developed about the support structure, and derived the analytic formula.Based on the dual-rotor permanent magnet machine rated at 1.65 MW, 150 r/min, the analytic formula was verified by finite element method.

dual-rotor radial permanent magnet machine; stator double support; stator support structure; stiffness analysis

2016-03-04

TM351

A

1004-7018(2016)09-0036-04

高俊(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)工藝。