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

何玉灵; 杨佳文; 孙凯; 吴学伟; 朱晓光; 罗浩然

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.004

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

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

·疲劳·损伤·断裂·失效分析· | 更新时间：2025-04-25

- 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
- Analysis on mechanical response of external rotor core of direct drive permanent magnet generator under time-varying loads
- 机械强度 2025年47卷第4期页码：27-38
- 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：
  
  何玉灵，男，1984年生，福建龙岩人，教授，博士研究生导师；主要研究方向为电力设备状态检测及其故障诊断；E-mail：heyuling1@ncepu.edu.cn。
  孙凯，男，1996年生，河南南阳人，博士研究生；主要研究方向为电机特性分析和故障诊断；E-mail：120222102025@ncepu.edu.cn。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52177042);高校基本科研业务费专项基金项目(2023MS128);河北省第三批青年拔尖人才支持计划（［2018］-27）;河北省高层次人才资助项目(B20231006);苏州市社会发展科技创新项目(SS202134)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.004
  中图分类号： TM31
- 收稿日期：2024-05-11，
  
  修回日期：2024-08-17，
  
  纸质出版日期：2025-04-15
- 稿件说明：
移动端阅览
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

references

JIA S F ， QU R H ， LI J ， et al . Study of direct-drive permanent-magnet synchronous generators with solid rotor back iron and different windings ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2015 ， 52 （ 2 ）： 1369 - 1379 .

崔诚，陈长征，吴焕杰，等 . 变转速下的风力机行星齿轮箱故障诊断研究［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 2 ）： 263 - 270 .

CUI Cheng ， CHEN Changzheng ， WU Huanjie ， et al . Research on fault diagnosis of wind turbine planetary gearbox under variable speed ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 2 ）： 263 - 270 . （In Chinese）

黄杨森，刘云平，王勇，等 . 汽轮发电机组转子振动预警方法研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 3 ）： 541 - 547 .

HUANG Yangsen ， LIU Yunping ， WANG Yong ， et al . Research on early warning method of rotor vibration of turbogenerator unit ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 541 - 547 . （In Chinese）

LI Y X ， LU Q F ， ZHU Z Q ， et al . Superposition method for cogging torque prediction in permanent magnet machines with rotor eccentricity ［J］. IEEE Transactions on Magnetics ， 2016 ， 52 （ 6 ）： 8103710 .

LI Y X ， LU Q F ， ZHU Z Q . Unbalanced magnetic force prediction in permanent magnet machines with rotor eccentricity by improved superposition method ［J］. IET Electric Power Applications ， 2017 ， 11 （ 6 ）： 1095 - 1104 .

任杰，王秀和，赵文良，等 . 永磁同步电机转子偏心空载气隙磁场解析计算［J］. 电机与控制学报， 2020 ， 24 （ 8 ）： 26 - 32 .

REN Jie ， WANG Xiuhe ， ZHAO Wenliang ， et al . Open circuit magnetic field prediction in permanent magnet synchronous machine with rotor eccentricity ［J］. Electric Machines and Control ， 2020 ， 24 （ 8 ）： 26 - 32 . （In Chinese）

邢泽智，王秀和，赵文良，等 . 表贴式永磁同步电机电磁激振力波计算与定子振动特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 14 ）： 5004 - 5013 .

XING Zezhi ， WANG Xiuhe ， ZHAO Wenliang ， et al . Calculation of electromagnetic force waves and analysis of stator vibration characteristics of surface mount permanent magnet synchronous motor ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 14 ）： 5004 - 5013 . （In Chinese）

吴喜桥，王立 . 气隙偏心永磁电机绕组感应电势的快速计算与分析［J］. 机电工程技术， 2018 ， 47 （ 4 ）： 120 - 126 .

WU Xiqiao ， WANG Li . Fast calculation and analysis of electromotive force of permanent magnet motors with air-gap eccentricity ［J］. Mechanical & Electrical Engineering Technology ， 2018 ， 47 （ 4 ）： 120 - 126 . （In Chinese）

边旭，纪毅，梁艳萍 . 外转子永磁同步电机径向电磁力分析与抑制［J］. 电机与控制学报， 2022 ， 26 （ 10 ）： 74 - 80 .

BIAN Xu ， JI Yi ， LIANG Yanping . Analysis and suppression of radial electromagnetic force of external rotor permanent magnet synchronous motor ［J］. Electric Machines and Control ， 2022 ， 26 （ 10 ）： 74 - 80 . （In Chinese）

ZHANG Q H ， JIA Z W ， CHENG S W ， et al . Analysis and calculation of radial electromagnetic force of circular winding brushless DC motor ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ： 1 .

JIANG H C ， HE Y L ， TANG G J ， et al . Electromagnetic force and mechanical response of turbo-generator end winding under electromechanical faults ［J］. Mathematical Problems in Engineering ， 2021 ， 2021 （ 1 ）： 9064254 .

唐友亮，吕品德，张锦，等 . 基于模态分析的定子各向异性材料参数矫正方法［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 2 ）： 503 - 508 .

TANG Youliang ， LÜ Pinde ， ZHANG Jin ， et al . Parameter equivalent method of stator anisotropic material based on modal analysis ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 2 ）： 503 - 508 . （In Chinese）

HE Y L ， LI Y ， ZHANG W ， et al . Analysis of stator vibration characteristics in synchronous generators considering inclined static air gap eccentricity ［J］. IEEE Access ， 2022 ， 11 ： 7794 - 7807 .

杨浩东，陈阳生，邓志奇 . 永磁同步电机常用齿槽配合的电磁振动［J］. 电工技术学报， 2011 ， 26 （ 9 ）： 24 - 30 .

YANG Haodong ， CHEN Yangsheng ， DENG Zhiqi . Electromagnetic vibration of PM synchronous motors with different combinations of slot and pole number ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2011 ， 26 （ 9 ）： 24 - 30 . （In Chinese）

韩孟媛，赵仲勇，于跃强，等 . 同步电机定子绕组匝间短路前后的温度及力学响应仿真分析［J］. 电测与仪表， 2023 ， 60 （ 4 ）： 48 - 56 .

HAN Mengyuan ， ZHAO Zhongyong ， YU Yueqiang ， et al . Simulation analysis of temperature and mechanical response of synchronous machine stator winding before and after inter turn short circuit ［J］. Electrical Measurement & Instrumentation ， 2023 ， 60 （ 4 ）： 48 - 56 . （In Chinese）

LIN Y Q ， SUN Y ， WANG Y C ， et al . Radial electromagnetic force and vibration in synchronous reluctance motors with asymmetric rotor structures ［J］. IET Electric Power Applications ， 2021 ， 15 （ 9 ）： 1125 - 1137 .

张立，闫阳天，李春，等 . 海上超大型风力机结构动力学响应及稳定性研究［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 1 ）： 175 - 183 .

ZHANG Li ， YAN Yangtian ， LI Chun ， et al . Study on structural dynamic response and stability of offshore super large wind turbine ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 1 ）： 175 - 183 . （In Chinese）

周志刚，杨文豪，李争争，等 . 外转子轮毂电机温度场及温度应力研究［J］. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2022 ， 41 （ 5 ）： 142 - 150 .

ZHOU Zhigang ， YANG Wenhao ， LI Zhengzheng ， et al . Temperature field and thermal stress of external rotor in-wheel motor ［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University （Natural Science）， 2022 ， 41 （ 5 ）： 142 - 150 . （In Chinese）

HE Y L ， XU M X ， ZHANG W ， et al . Impact of stator interturn short circuit position on end winding vibration in synchronous generators ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2020 ， 36 （ 2 ）： 713 - 724 .

FU F ， ZUO S G ， DENG W Z ， et al . Modeling and analysis of acoustic noise in external rotor in-wheel motor considering Doppler effect ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 6 ）： 4524 - 4533 .

ZUO S G ， LIN F ， WU X D . Noise analysis，calculation，and reduction of external rotor permanent-magnet synchronous motor ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2015 ， 62 （ 10 ）： 6204 - 6212 .

MIN S G ， SARLIOGLU B . Modeling and investigation on electromagnetic noise in PM motors with single-and double-layer concentrated winding for EV and HEV application ［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification ， 2017 ， 4 （ 1 ）： 292 - 302 .

谢颖，辛尉，蔡蔚，等 . 内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构的电磁性能及电磁振动噪声分析［J］. 电机与控制学报， 2023 ， 27 （ 1 ）： 110 - 119 .

XIE Ying ， XIN Wei ， CAI Wei ， et al . Electromagnetic performance and electromagnetic vibration noise analysis of different rotor topologies of interior permanent magnet synchronous motor ［J］. Electric Machines and Control ， 2023 ， 27 （ 1 ）： 110 - 119 . （In Chinese）

LIN F ， ZUO S G ， WU X D . Electromagnetic vibration and noise analysis of permanent magnet synchronous motor with different slot‐pole combinations ［J］. IET Electric Power Applications ， 2016 ， 10 （ 9 ）： 900 - 908 .

KROTSCH J ， PIEPENBREIER B . Harmonic diversity and determining factors of radial forces in external rotor permanent magnet synchronous motors with concentrated windings ［C］// The XIX International Conference on Electrical Machines-ICEM . New York ： IEEE ， 2010 ： 1 - 7 .

唐任远，宋志环，于慎波，等 . 变频器供电对永磁电机振动噪声源的影响研究［J］. 电机与控制学报， 2010 ， 14 （ 3 ）： 12 - 17 .

TANG Renyuan ， SONG Zhihuan ， YU Shenbo ， et al . Study on source of vibration and acoustic noise of permanent magnet machines by inverter ［J］. Electric Machines and Control ， 2010 ， 14 （ 3 ）： 12 - 17 . （In Chinese）

WANG T ， BI T S ， WANG H F ， et al . Decision tree based online stability assessment scheme for power systems with renewable generations ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2015 （ 2 ）： 53 - 61 .

张充，檀勤良，汤石雨，等 . 基于风速变化周期的风电场功率分类组合预测模型［J］. 太阳能学报， 2017 ， 38 （ 4 ）： 999 - 1006 .

ZHANG Chong ， TAN Qinliang ， TANG Shiyu ， et al . Classification and combination prediction model for wind power based on change period of wind speed ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2017 ， 38 （ 4 ）： 999 - 1006 . （In Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据