[發明專利]剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機動力學模型建模方法

有效

• 申請號: 202011190775.1
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112287485B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 秦大同;陳銳博;劉長釗;呂雪慧;楊戰斌;尹顯頌
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 重慶為信知識產權代理事務所(普通合伙) 50216
• 代理人: 王玉杰

1.一種剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機動力學模型建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，采用三維設計軟件構建齒輪箱、發電機的實體結構模型；

步驟二，利用有限元分析軟件對實體結構模型進行縮聚，獲取箱體結構的縮聚剛度矩陣與質量矩陣，形成箱體單元；結合齒輪箱各軸系實際尺寸，采用Timoshenko梁單元法建立柔性軸模型，形成軸單元；采用有限元分析軟件，計算并獲取軸承的支撐剛度，形成軸承支撐單元；利用牛頓第二定律構建齒輪系統的動力學方程，考慮內部激勵特性，形成嚙合單元；

步驟三，基于步驟二各子單元的剛度質量矩陣，結合系統各子構件的連接耦合方式，組裝成為考慮系統結構的剛柔耦合模型；

步驟四，基于有限元分析軟件，對永磁同步發電機工作部件材料進行設定，考慮永磁材料的磁飽和特性，進行空間氣隙磁密、漏磁特性以及動態特性分析，獲取發電機的電磁轉矩和電磁徑向、切向力，形成外載荷向量單元；

步驟五，根據步驟三中得到齒輪系統與發電機系統的相互耦合作用關系，結合步驟四電機轉動過程中產生的電磁徑向力波與電磁轉矩，通過磁-電和磁-機耦合項，建立機械系統和電氣系統之間的聯系，從而得到電機驅動的傳動系統的機電耦合模型，建立齒輪-永磁同步發電機多因素下的機-電耦合模型。

2.根據權利要求1所述的剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機動力學模型建模方法，其特征在于：步驟二考慮了箱體結構特性、軸系系統的柔性、齒輪時變嚙合剛度和誤差，機械系統沿著軸線和繞軸線方向的運動，{x，y，z，θx，θy，θz}為廣義坐標，步驟三利用拉格朗日方程建立齒輪系統-電機的機械動力學模型為：

式中，M為系統質量矩陣，K_m與C_m分別為嚙合剛度與嚙合阻尼矩陣，K_b與C_b分別為支撐剛度與支撐阻尼矩陣，K_t與C_t分別為扭轉剛度與扭轉阻尼矩陣，K_Ω、K_A分別為向心剛度矩陣和切向剛度矩陣，C_G為陀螺矩陣，θ_i為構件i的轉角，F為考慮電磁轉矩與電磁徑向力的外部力矩陣。

3.根據權利要求2所述的剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機動力學模型建模方法，其特征在于：步驟四中，電磁力的表達公式為：

F(t,θ)＝F₀+∑∑F_uvcos(upw_rt+vpθ+θ₀₁)

式中，F₀是直流分量，F_uv為電磁力各次諧波的幅值，u為時間諧波階數，v是空間諧波階數，p為極對數，vp為徑向力的模數，表示徑向力在定子一周空間上分布著幾個周期的正弦波，w_r為電機機械角速度，θ為轉子位置角度。

4.根據權利要求3所述的剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機動力學模型建模方法，其特征在于：步驟四中，根據永磁同步發電機的結構特征，考慮了轉子磁場空間諧波、磁路飽和、交叉飽和以及交叉耦合效應因素，利用麥克斯韋應力張量法，可以求出定子鐵心內表面單位面積上的徑向電磁力和切向電磁力，如下所示：

式中，F_r和F_t分別為作用在鐵磁物質表面上的徑向和切向麥克斯韋電磁力，μ為鐵磁物質交界面上一側介質的磁導率，為4π×10^-7H/m；B_r和B_t分別為一側介質中的徑向、切向磁通密度。

5.根據權利要求4所述的剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機動力學模型建模方法，其特征在于：步驟五建立的齒輪-永磁同步發電機多因素下的機-電耦合模型如下：

式中，T_e為永磁同步發電機轉矩，R為電機相電阻，I為電機相電流，L_d、L_q分別為d、q軸電感，i_d、i_q分別為d、q軸電流。