風(fēng)機(jī)散熱電機(jī)支撐系統(tǒng)模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邊蘊(yùn)宇，續(xù)秀忠，霍明莉，顧憲成

（1.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306；2.敏泰液壓技術(shù)有限公司，上海 201299）

出于我國(guó)對(duì)綠色能源的大力推廣，風(fēng)力發(fā)電在新能源中所占的比重日益增大[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在溫升快、散熱難的問(wèn)題，制約著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展。作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要部件，散熱系統(tǒng)能有效地對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行快速冷卻，避免材料損耗，影響使用壽命，并有效減少事故的發(fā)生?，F(xiàn)行的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用空冷和液冷兩種方式，其中空冷需要安裝散熱電機(jī)使冷空氣作用于發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)道或者電機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行對(duì)流冷卻[2]。散熱系統(tǒng)的電機(jī)支撐系統(tǒng)出現(xiàn)異常振動(dòng)，不僅會(huì)產(chǎn)生噪聲，還可能對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)造成損傷，影響電機(jī)的使用壽命，進(jìn)而對(duì)整個(gè)機(jī)組造成影響[3]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于電機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)有了一定的研究成果。在國(guó)外，Bogh等[4]研究了引起電機(jī)振動(dòng)的物理方面的原因并提出了減小振動(dòng)的方法；Gu等[5]通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法計(jì)算了電機(jī)的固有頻率，并驗(yàn)證了模型的有效性；Liang等[6]利用Labview建立了試驗(yàn)系統(tǒng)，采集電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)電機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了檢測(cè)與分析。在國(guó)內(nèi)，張俊林[7]用有限元法，對(duì)牽引電機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性和疲勞壽命進(jìn)行了分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)做出了改進(jìn)；張宇[8]綜合考慮了電磁力和外界荷載，利用有限元法進(jìn)行仿真，對(duì)電機(jī)定子、機(jī)殼、支座等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；王強(qiáng)等[9]從機(jī)械和電磁兩方面進(jìn)行研究，得出了籠型三相異步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)故障特征和預(yù)防措施。然而，多數(shù)的研究更加側(cè)重于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)振動(dòng)造成的影響，而忽略了電機(jī)系統(tǒng)本身物理特性對(duì)振動(dòng)造成的影響。

因此，本文對(duì)散熱系統(tǒng)的電機(jī)支撐系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和有限元建模，對(duì)模型的簡(jiǎn)化和約束做出了處理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。該研究提供了一種減小電機(jī)支撐系統(tǒng)振動(dòng)的方法，并對(duì)支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了動(dòng)力學(xué)方面的借鑒。

1 電機(jī)支撐系統(tǒng)理論模型

由牛頓第二定律建立電機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程[10]為

為了得到電機(jī)的固有頻率，忽略阻尼的影響，并且忽略外部激勵(lì)，即在f(t)=0的情況下，得到系統(tǒng)自由振動(dòng)的動(dòng)力微分方程：

運(yùn)用高等數(shù)學(xué)的方法解該常系數(shù)微分方程，設(shè)其特解為x=φejωt，將其代入上式，可得：

該方程有非零解的充要條件是其系數(shù)行列式為零，即：

由此得到：

2 電機(jī)支撐系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)

為了找出支撐系統(tǒng)異常振動(dòng)的原因，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試與分析?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的流程圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的流程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

測(cè)試硬件主要包括FD23550Y系列散熱器連接總成一套、加速度傳感器8個(gè)、東方所采集儀一套、計(jì)算機(jī)等。數(shù)據(jù)采集與分析軟件采用DASP V11，采集儀為東方所8通道信號(hào)采集分析儀。

2.2 測(cè)試方案

采樣頻率設(shè)置為1 024 Hz[11]?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖2所示。在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的水平方向振動(dòng)明顯，鉛垂方向沒(méi)有明顯的振動(dòng)。測(cè)點(diǎn)應(yīng)該布置在對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為敏感的位置，同時(shí)也應(yīng)該能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的整體狀況進(jìn)行清晰的觀測(cè)，所以電機(jī)和支架均有布置測(cè)點(diǎn)。由于電機(jī)輸出軸無(wú)法布置測(cè)點(diǎn)，所以支架測(cè)點(diǎn)設(shè)在靠近電機(jī)輸出軸位置。具體測(cè)點(diǎn)分布1～3為電機(jī)上部斷面圓周方向的3個(gè)點(diǎn)；4～6為電機(jī)下部斷面圓周方向的3個(gè)點(diǎn)、7～8為支撐板水平側(cè)向靠近電機(jī)輸出軸位置2個(gè)測(cè)試點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

加速度傳感器采用膠接的方式布置在測(cè)點(diǎn)上，傳感器線纜則盡可能與電機(jī)自身的線纜固定在一起，以減小環(huán)境噪聲的干擾。

每組采用8個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DASP V11軟件進(jìn)行自譜分析（FFT變換）。在自譜圖中，采用峰值拾取法讀出振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，第一個(gè)波峰代表的就是結(jié)構(gòu)的1階模態(tài)，讀出波峰的橫坐標(biāo)即為結(jié)構(gòu)的1階頻率，2階、3階頻率以此類(lèi)推，得到電機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試分3組進(jìn)行：

(1)采用工作狀態(tài)激勵(lì)，電機(jī)低速運(yùn)行（轉(zhuǎn)速720 r/min）；

(2)采用工作狀態(tài)激勵(lì)，電機(jī)高速運(yùn)行（轉(zhuǎn)速1 440 r/min）；

(3)采用錘擊法進(jìn)行激勵(lì)，電機(jī)處于未運(yùn)行狀態(tài)。

測(cè)得的頻率結(jié)果如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頻率結(jié)果

測(cè)得外部激勵(lì)頻率為1階12 Hz，2階24 Hz，電機(jī)支撐系統(tǒng)固有頻率為1階13 Hz，2階25 Hz，電機(jī)支撐系統(tǒng)的固有頻率和外部激勵(lì)頻率過(guò)于接近，電機(jī)的異常振動(dòng)是由于共振引起的。

3 電機(jī)支撐系統(tǒng)有限元仿真

3.1 支撐系統(tǒng)建模

散熱電機(jī)型號(hào)為AKD132M型三相異步電動(dòng)機(jī)，由外殼、定子、支架、轉(zhuǎn)子、線圈等組成，電機(jī)支撐系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電機(jī)支撐系統(tǒng)

由于轉(zhuǎn)子、線圈等質(zhì)量占比不大，而且建模比較復(fù)雜，所以在建模時(shí)，參照文獻(xiàn)[8]的處理，未給出實(shí)體模型，只考慮其質(zhì)量的影響。對(duì)于一些微小且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如連接結(jié)構(gòu)、凸臺(tái)等也做簡(jiǎn)化處理。在Solidworks 2014中進(jìn)行建模，對(duì)電機(jī)的復(fù)雜外殼進(jìn)行了簡(jiǎn)化，用一個(gè)空心的圓柱代替，定子的槽型為平行槽。對(duì)于電機(jī)定子，由于在實(shí)際制作中是用硅鋼片堆疊而成，其上纏繞線圈等各種零部件，零部件之間具有復(fù)雜的連接屬性，所以在仿真中無(wú)法準(zhǔn)確得知材料的參數(shù)。參照文獻(xiàn)[8]對(duì)材料參數(shù)的處理，將其定義為各向異性材料，結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)并利用模型修正法[12]，對(duì)仿真模型的材料參數(shù)確定如表2。按照表2將不同的材料參數(shù)分別賦予支架、外殼和定子。

表2 仿真模型的材料參數(shù)

為了使計(jì)算結(jié)果精確，限制體單元網(wǎng)格尺寸為20 mm，并對(duì)螺栓孔處的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，細(xì)化系數(shù)為1。為了模擬實(shí)際安裝情況，給支座的8個(gè)螺栓孔添加固定約束，引入重力因素，Z方向加速度為9 806.6 mm/s2，用BEAM單元模擬螺栓連接來(lái)連接電機(jī)和支架。

3.2 模態(tài)分析

將建立的模型導(dǎo)入modal模塊進(jìn)行模態(tài)分析，得到電機(jī)的前3階固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型如圖5所示。

圖5 電機(jī)有限元分析前3階振型

3.3 支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用有限元仿真來(lái)對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。電機(jī)支架厚度為6 mm，翼緣板高度為40 mm，仿真將通過(guò)調(diào)整支架的厚度和翼緣板高度來(lái)進(jìn)行。

支架翼緣板高度以30 mm為初始值，以5 mm為梯度，增加至50 mm；支架的厚度以6 mm為初值，以2 mm為梯度，增加至14 mm。10組仿真模型在有限元軟件ANSYS workbench中進(jìn)行求解，所得前3階頻率結(jié)果如表3，圖6為仿真結(jié)果折線圖。

由表3和圖6可以得出：增加支架翼緣板的高度和增加支架的厚度，固有頻率都有不同程度的增加。仿真結(jié)果表明通過(guò)調(diào)整支架尺寸從而對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行調(diào)整是可行的。由圖6可以看出：增加支架厚度對(duì)電機(jī)系統(tǒng)固有頻率的調(diào)整效果要優(yōu)于增加支架翼緣板高度，但是兩種方案都是可行的。

表3 -a調(diào)整翼緣板高度的前3階頻率

表3 -b調(diào)整支架厚度的前3階頻率

減小翼緣板高度，對(duì)支架結(jié)構(gòu)造成了削弱，可能導(dǎo)致支架的強(qiáng)度剛度下降，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷；過(guò)度增加支架的厚度或增加翼緣板高度會(huì)使結(jié)構(gòu)的3階頻率增大，但是會(huì)造成材料的浪費(fèi)和裝配的不便。

4 優(yōu)化結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果進(jìn)行驗(yàn)證，在現(xiàn)場(chǎng)制作了翼緣板厚度為50 mm的支架，并安裝在電機(jī)上，對(duì)新的支撐系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。測(cè)試方法與章節(jié)2相同，模態(tài)測(cè)試結(jié)果如表4所示。對(duì)未加厚翼緣板電機(jī)系統(tǒng)與加厚翼緣板電機(jī)系統(tǒng)的低速運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行測(cè)試所得的自譜分析圖如圖7所示。由圖7可以看到：支架翼緣板加厚后，電機(jī)振動(dòng)頻率的幅值明顯變小。

表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頻率結(jié)果

由表4可以得出：隨著翼緣板厚度的增加，整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的各階固有頻率增加，1階由13 Hz增加到15 Hz，2階由25 Hz增加到26 Hz。外部激勵(lì)頻率為12 Hz、24 Hz，處于共振帶寬范圍之外[13]，可以有效避免共振的發(fā)生，減小電機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

本文提出的方法可以對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行有效的調(diào)整。利用該方法，工程實(shí)際中可以通過(guò)調(diào)整翼緣板厚度來(lái)調(diào)整電機(jī)的固有頻率，從而避開(kāi)共振區(qū)，減小電機(jī)的振動(dòng)。

圖6 仿真結(jié)果折線圖

圖7 電機(jī)低速運(yùn)行狀態(tài)下翼緣板優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)振動(dòng)自譜圖

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于電機(jī)支撐系統(tǒng)異常振動(dòng)的控制，有別于傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)分析，筆者從電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)模態(tài)測(cè)試得到異常振動(dòng)是由共振引起的，并用有限元方法進(jìn)行建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，給出了通過(guò)調(diào)整支架尺寸來(lái)調(diào)整頻率的方法，之后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)證明了該方法是可行的、有效的。由于本方法的簡(jiǎn)便易行，可以將本方法應(yīng)用于工程實(shí)際和電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，對(duì)于減小電機(jī)支撐系統(tǒng)振動(dòng)提供了一種可行易操作的方法。

在工程實(shí)際中，可以先進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)得出電機(jī)的固有頻率和激勵(lì)頻率，若兩者接近，則可以增加電機(jī)支架翼緣板的高度來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的固有頻率。

本文采用的方法取得了較為理想的結(jié)果，對(duì)電機(jī)的建模仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的借鑒，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的仿真與優(yōu)化提供了參考，該方法也可用于電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。