3.2MW半驱风力发电机的刚度分析与强度分析

3.2MW半驱风力发电机的刚度分析与强度分析

危志全

（明阳智慧能源集团股份公司中山528437）

摘要：当今世界对资源的需求越来越大，致使新能源的开发越来越紧迫，其中风力发电是发展最为迅速、最为洁净的能源之一。现在，对于新能源领域，各国都对风力发电技术非常关注，其中作为风力发电设备的核心，发电机设计的可靠性、安全性至关重要。本文针对3.2MW半驱风力发电机进行其刚度和强度的分析，以确保风机的正常使用和安全性。

关键词：半驱风力发电机；刚度分析；强度分析

1风力发电机的研究现状与分类

1.1研究现状

新中国成立后，中国开始注重研究和开发风力发电技术，同时当时的风电技术规模有限，相比于世界上其他国家所掌握的技术，我国的风电技术也被忽视了而没有收到足够的重视。然而，现在各国对于新能源的需求在不断的增加，且日益严重的环境问题更促使风力发电受到更多的关注并逐渐发展起来。在本世纪初期，风电技术在国家政策的指导和支持下开始迅速发展。然而，由于基础技术薄弱，风电行业在其他行业中显眼出现使在零六年以后。到2006年，不断加强与国外厂商的交流，引进技术和经验，使得我国的风力发电水平日益增强，基本达到70％。这说明着中国风力发电的技术水平提升到了一个新的高度。那时，主风力发电机是MW级风力发电机。例如齿轮箱，发电机，控制器和其他核心部件等组件已经快速本地化，以满足行业的基本需求。

1.2风力发电机的分类

在新能源领域中，依靠风力发电是指将自然界中的风能通过发电机转化为机械能，再转换为电能，以达到能量转换的目的。风力发电机主要可以分为几大类：（1）根据功率等级可分为小型，中型，大型和超大型风力发电机组。这些发电机相应的功率范围为l00W-lkW，lkW-100kW，100kW-1MW和lMW以上，现在国内已达到8MW。目前，涉及对主要的并网发电模型是巨型或超大型的风力发电机。相比于其他类型的发电机，此类发电机的技术要求和运行性能要求会很严格。（2）风力发电机可根据轮轴的安装不同分为两种类型，即水平风力发电机和垂直轴风力发电机。基于风向，水平轴风力发电机的风轮的旋转平面垂直于风向。由于磁路的原因，这种类型的风力发电机的轴向长度短且平坦。这种类型的电动机称为盘式电动机。与径向磁通永磁同步发电机相比，盘式电动机具有功率密度高，通风散热好，运行噪音小，体积小，结构紧凑的优点。然而，盘式电动机的绕组通常沿径向分布，其具有大的轴向磁拉力，使得组装和安装电动机更加困难。这种类型的电动机通常用于低功率低速直驱永磁风力发电机。但由于结构过于复杂且制造困难，因此应用范围较为窄。

图1发电机负载特性曲线

2发电机关键参数选取

（1）选择合适的极对数

电机极槽匹配的合理与否将会很大程度上影响电机的起动转矩的高低，效率的高低和性能的优良。经过全面地对比分析，极数可以选择为八极，定子槽数为72槽的基槽可以符合相关的设计要求。

（2）选取气隙

在综合分析各种因素后，需要确定气隙的长度。通常来讲，电动机的气隙超过正常水平，则气隙磁密度满足设计要求必然会增加永磁材料的消耗，或选择具有较大剩磁的永磁材料。电动机的气隙长度小于标准长度，则可以保证气隙的磁密度加高。电机的反电势和功率因数将上升。但是，如果气隙太小，很容易产生高次谐波，这会引起电机运行过程中的振动，温度升高和损耗增加。另外，如果气隙太小，则难以安装并且容易引起定子和转子之间的摩擦。影响气隙选择的因素很多。考虑到该发电机的气隙长度为5mm。选择结构较为均匀的气隙。气隙磁波接近平坦项波。通过使用不均匀的气隙，气隙磁波接近正弦波，并且谐波分量大大减小。偏心气隙比的合理值可以通过随后的有限元分析确定。

（3）选择电磁负荷

在恰当地选择电磁负载的过程中，只重点需要考虑整机的可靠性，以防止当温度升高时永磁体的不可逆退磁。所以，定子电气密度和热负荷的选择应该依照某型号的风力发电机的负荷值。具体数据如表1。

表1电磁负荷对比

（4）选择永磁材料

永磁电机的设计是基于选择合适的永磁材料，这对电机的生产和运行有非常关键的影响。永磁材料的设计原则如下：在设计的工作环境和空间中产生所需的磁场；再由永磁体建立的磁场具有一定的稳定性，也就是在当环境温度和运行温度发生变化时，要保证永磁体的性能在合理的频率运行；耐腐蚀性好；良好的机械性能；性价比高。

3刚度分析

（1）弯曲变形。发电机的变形程度和刚度成反比，所以为了取合适的变形量作为衡量标准。发电机叶片的挠度微分方程为：

对于具有加强结的空心梁，布置n个加强结以将梁分成n个区段。当弯曲刚度沿轴的长度变化时，需要分段设置偏差微分方程。为了确定这些常数，除了使用发电机的位移边界条件外，我们还应该使用截面的挠度光滑且连续的条件。截面处的梁的相邻两个部分应具有相同的偏转和角度。

（2）压缩变形。如果塔架风力机的非强加结段的面横截积是A0，所以结面加强积为A1，所以在受到外界作用力的作用下，或使得结构产生的压缩变形为：

压缩变形的大小基本和k成比例。因为加强结的截面相对于比塔架的加强结厚度来说非常的大，所以加强结的实际压缩量要比按照杆计算的压缩量小。

（3）扭转变形。如果风力机塔架的非加强结段的极惯性矩为Iρ0，加强结的极惯性矩为Iρ1，在扭矩T作用下，塔架的扭转角为：

式中：G是切变模量。扭转角的减小大致与k成正比。剪切变形一般很小，其结果和压缩、扭转变形的结果有类似的地方，这里不再详细介绍。

4强度分析

相比于发电机的弯曲变形，其正应力的最大值为σmax=Mymax/I，受到轴向的压缩作用力，正应力为σ=N/A，对如果扭转，剪切应力为τ=T/Iρ，可知，强度的大小与是否存在加强结没有直接的联系。所以相似地，横向力引起的剪切应的情况小一定和加强结不存在任何的关系。

5结语

综上所述，近年来，世界的科学技术的不断进步，风电水平取得了令人瞩目的进步。风能的优势非常明显，例如其出能量大，无污染，清洁，而且分布较为广泛也是一种可再生能源。新能源的利用率和发展技术都比较成熟。半驱风力发电模式会得到广泛的应用和推广。3.2MW半驱风力发电机的结构紧凑，重量轻，日常的修理维护方便，安全性好，成本降低。具有很大的应用和推广价值。

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