[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

本發明公開了一種剛柔?機電耦合的風機齒輪?發電機動力學模型建模方法，包括采用三維設計軟件構建齒輪箱、發電機的實體結構模型；采用有限元軟件對實體模型進行縮聚，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，建立柔性軸模型，形成軸單元；根據齒輪系統具體參數，采用集中參數法，構建齒輪的動力學模型，形成嚙合單元；通過有限元軟件計算軸承的支撐剛度，形成軸承單元；通過有限元軟件計算發電機的空間氣隙磁密，計算發電機定子齒處的徑向、切向電磁力波以及電磁轉矩，形成外載荷向量；將上述子單元進行組裝，形成剛柔?機電耦合的風機齒輪?發電機動力學模型。

技術領域

本發明涉屬于風力發電技術領域，具體涉及一種剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機動力學模型建模方法。

背景技術

國際社會日漸意識到能源安全、環境污染和全球氣候變化等問題的嚴重性，紛紛采取措施試圖遏制這些問題的惡化，措施之一就是扶持新能源的發展，據目前的統計數據顯示，風電已成為繼煤電、水電之后的第三大能源。

風力發電機組由葉片、輪轂、主傳動鏈、發電機等組成。其中主傳動鏈起到動力傳輸作用，將葉片吸收風能而產生的旋轉運動，進行增速至發電機額定轉速，以供發電機能正常發電。

風力發電機組安裝在高山、荒郊野外或海上，其運行環境惡劣，不僅引入隨機風載作用，使機組運行工況復雜多變發生驅動力與轉速的突變，產生沖擊作用；同時，還受到發電機的電磁轉矩波動、電磁徑向力波的內激勵影響。多階次的發電機轉矩脈動和電磁力脈動不僅加劇齒輪箱的振動，且會在多個轉速區域達到齒輪箱的固有頻率從而產生共振。由于風機長時間處于野外無人值守，所以保證風機齒輪箱在負載工況下長期并可靠地運行非常重要。

由于風力發電機齒輪傳動系統的實驗、維修成本較高，因此建立一種剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機傳動系統動力學模型，結合仿真分析，對于高效實現風力發電機齒輪-發電機系統的集成設計優化具有重要意義。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供了一種剛柔-機電耦合的風機齒輪-發電機動力學模型建模方法，能夠快速地對系統中存在的機電耦合現象進行解析表征，解釋齒輪系統與發電機系統相互作用影響規律，同時為風力發電機系統進行集成設計奠定基礎。

為實現上述目的，本發明技術方案如下：

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，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。