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摘要
【目的】随着风力发电机单容量装机的增大，以提高功率密度为目标的传动系统轻量化设计所带来的安全性能问题受到了广泛关注；针对现如今风电传动系统的高度集成化设计而言，不仅要考虑外部随机风载所产生的多变激励的影响，同时还要考虑机械-电磁的内部激励因素的影响；因此开展风电传动系统的机电-刚柔耦合作用研究尤为重要。本文通过构建集成系统动力学模型，探究系统的机电-刚柔耦合特性。【方法】该文以风电齿轮箱-发电机传动系统为研究对象，提出了一种可用于风机变速-变载工况下的传动系统机电-刚柔耦合动力学模型。该模型考虑了齿轮的时变啮合刚度、相位关系、轴和壳体的结构柔性等机械因素，同时考虑了发电机系统的磁饱和特性、电磁径向力波以及空间谐波等电磁因素。采用龙哥库塔算法对动力学模型进行求解。探究了齿轮箱-发电机系统的机电耦合动态特性，讨论了壳体柔性对机电耦合系统动态特性的影响。提出了一种模态能量法结合阵型矢量分布原理的危险构件甄别方法。【结果】通过研究表明：齿轮系统的动态啮合力中不仅存在各级齿轮系统的啮合频率（f_(m)），同时存在发电机电磁激励频率（f_(e)）。发电机振动信号、输出电流以及电磁转矩中均包含齿轮系统啮合频率（f_(m)）、电磁激励频率（f_(e)）以及两者的调制频率（nf_(m)+mf_(e)）。壳体壁厚的增大，增强了系统的机电耦合作用。壳体壁厚的改变对齿轮箱-发电机系统扭转特性影响较小，但对齿轮箱-发电机系统中各构件的平移振动特性影响显著。通过对比壳体壁厚的改变对系统共振转速的影响时发现：薄壁壳体下发电机电磁激励会激发齿轮箱-发电机系统的低频共振现象。【结论】齿轮系统与发电机系统存在强耦合特性，壳体壁厚的改变，加强了机电交互作用。电流信号中所出现齿轮频率成分的现象，可用于齿轮系统的运行特性监控和故障甄别。针对集成化系统而言，在壳体设计时，需综合考虑发电机电磁激励和齿轮系统内激励对系统共振特性的影响。选择合理的壁厚可有效提高系统的安全可靠性，减少共振区域，降低系统构件的损坏。
- 出版日期2022-9-22
- 单位机械传动国家重点实验室; 重庆大学
