DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 08. 006

张玥，于慎波，翟凤晨,等. 大容量永磁同步发电机转子动力特性研究［J］ . 机电工程技术，2020，49（08）：20-22.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：51175350）

大容量永磁同步发电机转子动力特性研究*
张玥1，于慎波1，翟凤晨1，刘丹2，牛沛泽1
（1.沈阳工业大学， 沈阳110870；2.辽宁省国际工程咨询中心有限公司， 沈阳110000）

摘要：以3 MW的风力发电机为例，运用加入时间因子t 的传递矩阵法和双重步QR法计算临界转速，再用有限元的分析方法对转子动力学特性进行计算分析，将两种临界转速计算结果进行对比。风力发电机的外转子结构体积和转动惯量过大，在运行过程中会出现偏心情况，因此，必须分析考虑偏心条件下电磁力变化情况。用解析方法计算出复频率的实部与虚部，得出转子响应对数衰减率曲线，为分析转子系统的稳定性提供参考。
关键词：时间因子；双重步QR法；临界转速；不平衡响应；稳定性
中图分类号：TM313   文献标志码：A    文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 08－0020－03

Study on Rotor Dynamic Characteristics of Large Capacity Permanent Magent
Synchronous Generator
Zhang Yue1，Yu Shenbo1，Zhai Fengchen1，Liu Dan2，Niu Peize1
（1. Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;
2. Liaoning International Engineering Consulting Center, Shenyang 110000, China）

Abstract: Taking 3 MW wind turbine as an example, the transfer matrix method with time factor t and double step QR method were used to calculate the critical speed. Then the rotor dynamic characteristics were calculated and analyzed by finite element analysis method, and the calculation results of the two critical speeds were compared. The outer rotor structure volume and moment of inertia of wind turbine are too large, which will cause eccentricity during operation.Therefore, it is necessary to analyze and consider the variation of electromagnetic force under the condition of eccentricity. The real part and imaginary part of complex frequency were calculated by analytic method, and the logarithmic decay rate curve of rotor response was obtained, which provided reference for analyzing the stability of rotor system.
Key words: time factor; double-step QR method; critical speed; unbalanced-response; stability

引言
在能源紧缺、污染严重的今天，大家把目光投向了可再生能源。风电作为可再生能源的代表之一，有资源丰富、持续工作时间长、对环境影响低、对社会产生不良影响小等优点，具有广阔的应用前景[1-2]。当前，大功率风电机组相继得到研发和投运[3]。太阳能、潮汐能等其他新能源，由于发电成本过高，所以发展没有风电快[4]。由于面临严苛的环境条件、高工作负荷、极端气候条件，风电的发展面临诸多挑战[5-6]。转子动力学是研究旋转机械动力学中的重要部分。本文中的3 MW风力发电机体积和转动惯量过大，所以对电机的结构要进行转子动力学分析，确保风力发电机能稳定运行。

对转子的动力学分析主要分为转子建模与转子分析计算两大部分。转子建模一般采用离散质量模型，将实际结构离散化成有限个盘轴模型，其数学建模和求解相对容易。这种方法既能应用在自由度较多的模型中，又能保证其计算结果的精度，所以被广泛应用在转子动力特性分析中[7]。
临界转速的计算是本文的重要内容，临界转速的传递矩阵方法主要有Prohl和Riccati。这两种方法分别应用在各向同性支撑转子—轴承系统和各向异性支撑转子—轴承系统的临界转速计算。运用Prohl法计算转子临界转速，在计算转子高阶临界转速时常常产生数值不稳，甚至丢根的现象。为了提高临界转速计算精度，提出加入时间因子t 进行建模，QR法进行求解特征值，最终得到临界转速。这种方法既能提高计算结果精度，又能缩短计算时间，同时还运用双重步QR法[8]，解决了丢根、溢出的现象。对数衰减率是判定结构稳定性的一种方法，通过绘制出的曲线可判定出运行时的稳定性裕度，对之后的结构优化有很大帮助。

结束语
（1） 计算临界转速的解析方法，在传递矩阵中加入时间因子t，运用QR法，算出复频率数值，最终得到临界转速，解析方法的计算结果与有限元分析结果对比，误差在5%左右。
（2） 分析3MW风力发电机无偏心、有偏心情况的电磁力变化。无偏心下的电磁力为134 260.88 N，当偏心量为1.395 mm时，电磁力为135 491.27 N 。
（3） 分析3 MW风力发电机的对数衰减率曲线，其中一阶反向涡动曲线有明显下降的趋势，具有较小的稳定性裕度，容易导致结构失稳。