Analysis on mechanical response of external rotor core of direct drive permanent magnet generator under time-varying loads

HE Yuling; YANG Jiawen; SUN Kai; WU Xuewei; ZHU Xiaoguang; LUO Haoran

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.004

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Analysis on mechanical response of external rotor core of direct drive permanent magnet generator under time-varying loads

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2025-04-25

- Analysis on mechanical response of external rotor core of direct drive permanent magnet generator under time-varying loads
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 4, Pages: 27-38(2025)
- 作者机构：
  
  1.华北电力大学河北省电力机械设备健康维护与失效预防重点实验室，保定 071003
  2.华北电力大学苏州研究院，苏州 215000
- 作者简介：
  
  SUN Kai, E-mail:120222102025@ncepu.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52177042);University Basic Scientific Research Operation Cost Special Fund(2023MS128);Third Batch of Youth Top Talent Support Plan in Hebei Province;Hebei Province High level Talent Funding Project(B20231006);Suzhou Social Development Technology Innovation Project(SS202134)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.004
  CLC： TM31
- Received：11 May 2024，
  
  Revised：17 August 2024，
  
  Published：15 April 2025
- 稿件说明：
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何玉灵，杨佳文，孙凯，等.时变载荷作用下永磁直驱发电机外转子铁芯机械响应研究［J］.机械强度，2025，47（4）：27-38.

HE Yuling，YANG Jiawen，SUN Kai，et al.Analysis on mechanical response of external rotor core of direct drive permanent magnet generator under time-varying loads［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：27-38.
何玉灵，杨佳文，孙凯，等.时变载荷作用下永磁直驱发电机外转子铁芯机械响应研究［J］.机械强度，2025，47（4）：27-38. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.004.

HE Yuling，YANG Jiawen，SUN Kai，et al.Analysis on mechanical response of external rotor core of direct drive permanent magnet generator under time-varying loads［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：27-38. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.004.

摘要

针对外转子直驱永磁发电机在时变磁拉力载荷作用下外转子铁芯机械响应进行理论解析、仿真计算和试验验证。首先，解析了外转子发电机转子铁芯磁拉力的来源及其随载荷变化规律，确定了转子磁拉力表达式以及时间阶次和空间阶次特征。同时分析了外转子铁芯基本振动模型，确定了外转子铁芯基本振动方程。然后，建立了外转子直驱发电机的仿真计算模型，得到了单位面积磁拉力的时空阶次特征和典型日下随时间变化规律。将电磁场得到的单位面积磁拉力密度作为输入载荷导入结构场，进行磁-固（结构）耦合仿真，计算分析了外转子铁芯在参考时刻的变形和应力的分布及振动噪声响应的变化规律。最后，用一台13 kW外转子直驱发电机模拟实例印证了解析和仿真的准确性。研究结果确定了外转子铁芯所承受的时变载荷及其作用下的机械响应分布规律，发现了发电机运行时转子铁芯应该重点检测的时刻和部位，同时分析了时变载荷下的噪声特性，为发电机的维护和设计提供了一定的参考依据。

Abstract

The mechanical response of external rotor direct drive generator under time-varying loads is analyzed theoretically

calculated by simulation and verified by test. Firstly

the source of magnetic pull of the rotor core of the external rotor generator and its variation with load were analyzed. The expression of magnetic pull of the rotor and the characteristics of time and space order were determined. The basic vibration model of the external rotor core was analyzed

and the basic vibration equation of the external rotor core was determined. Then the simulation model of the external rotor generator was established

and the spatiotemporal order characteristics of the magnetic pull and the typical daily variation rule with time were obtained. The magnetic pull density obtained from the electromagnetic field was used as the input load to guide the structure field. The magnetic-solid coupling simulation was carried out

and the deformation and stress distribution and noise response of the external rotor core were calculated and analyzed. Finally

a simulation example of a 13 kW external rotor direct-drive generator proved the correctness of the analysis and simulation. The results of the study determined the time-varying load on the outer rotor core and its mechanical response distribution. It is found that the time and position of the rotor core should be tested emphatically when the generator is running. Noise characteristics under time-varying loads are also analyzed. The analysis provides reference for the maintenance and design of the generator.

关键词

Keywords

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