用于发电机组件的减振降噪结构及发电机组件、发电机

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种发电机组减振降噪控制技术， 本发明特别提供一种电机减振降噪结构及具有该减振降噪结构的发电 机。

背景技术

直驱风力发电机组由于其大尺寸且薄壁结构特点所限存在与电磁力 相位相近的模态特征，而由此产生的中高频段振动噪声的解决方法为两 类，即改变结构特征和改变电磁力的激励。通常来说改变电磁力激励的 方法不会增加结构成本，但其会增大发电发热损失以及对于中高频段不 宜稳定控制等缺点。

对于这类问题的处理方法上，现有技术一采用一种带阻尼装置的电 机，是涉及基于结构阻尼技术的改进，但该方法存在对于阻尼层的材料 参数的控制要求很高，工程设计有一定难度以及阻尼特性随时间衰变等 问题。现有技术二提到采用吸声材料以及弹性支承等方法降低高频振动， 对于直驱机组来说这两种方法实现都有一些难度，如吸声材料不易施工， 弹性支承对于结构布置困难等问题。

发明内容

针对于发电机组的振动噪声问题，本发明旨在从结构上做出改进， 提供一种用于发电机组件的减振降噪结构及发电机组件、发电机，用以 解决这一类问题。

本发明提供一种用于发电机组件的减振降噪结构，所述发电机组件 包括发电机的转子或定子，所述转子或定子上包括薄壁圆筒，本发明所 述减振降噪结构垂直设置于所述薄壁圆筒的外壁上，所述减振降噪结构 为减振降噪环，所述减振降噪环的轴向与所述薄壁圆筒的轴向一致。

进一步地，所述减振降噪环为圆环状。

再进一步地，所述减振降噪环为分段结构，每段圆弧长2～3.5m，段 与段之间紧密相接。

进一步地，所述减振降噪环包括主环和辅助环，平行设置于薄壁圆 筒的外壁上。

再进一步地，所述主环与所述辅助环的间距为160～200mm，且所述 主环距离发电机组的轮毂轴向外端为500～900mm，所述辅助环更靠近发 电机组的轮毂。

再进一步地，所述主环厚度为40～80mm，所述辅助环厚度为20～ 50mm，所述主环和所述辅助环的高度都为110～140mm。

进一步地，所述减振降噪环与所述薄壁圆筒在连接的根部为双面取 点焊接，且双面焊接点为错位布置。

再进一步地，所述减振降噪环同一面相邻两焊接点之间的间距为 90～150mm；且每一处焊接点的长度在90～150mm，宽度在3～10mm。

再进一步地，所述主环和所述辅助环在与所述薄壁圆筒连接的根部 均为双面取点交错焊接，且所述主环和所述辅助环两者的焊接点之间也 为交错布置。

进一步地，所述减振降噪环上设有通风孔。

本发明还提供一种发电机组件，所述发电机组件包括发电机的转子 或定子，所述转子或定子上包括薄壁圆筒，在所述薄壁圆筒上设置有上 面所述的减振降噪结构。

本发明还提供一种发电机，包括上面所述的发电机组件。

进一步地，所述发电机包括：外转子内定子式风力发电机或者外定 子内转子式风力发电机。

本发明通过上述技术方案，可获得具体的如下有益效果：

1、本发明针对直驱风力发电机组的薄壁结构处易受振变形的缺陷， 根据其花瓣形振型模态，通过在其结构外缘上设置减振降噪环，可消除 其花瓣形径向振态，有效抑制了径向振动并降低了其结构噪声。

2、在垂直于圆筒型薄壁轴线方向上设置减振降噪环，对于合理增强 其局部刚度最为有效。

3、减振降噪环与筒壁的大圆方向一致，相对简单并可以作用于多个 频段范围模态振型。

4、在仿真效果中发现，设置一个主环，花瓣形模态的筒壁振型最大 位移的位置向轮毂侧移动约150～210mm，故在距离主环160～200mm位置 设置辅助环，可提高其高频抗振能力。同时辅助环结构形式与主环除厚 度外其它可一致，降低了加工成本和制造的复杂性。

5、减振降噪环分段拼接而成，其圆度易于控制，通过分段可将圆度 误差带来的焊接与结构配合尺寸要求的施工难度降低。

6、减振降噪环在两侧根部都与薄壁圆筒焊接，可降低一定的残余变 形，且两侧取点交错焊接，可以保证减振降噪环的连接强度，并达到所 设计的减振降噪效果情况下，减小焊接量，节省施工成本。

7、在减振降噪环中部添加通风孔，可提高圆筒通风性能，减小噪声。

总之，本发明通过合理修改局部结构，可以长期有效的改变直驱风 力发电机组结构在中高频段与电磁力相位相近而产生的振动噪声，同时 增加发电机结构成本约为总成本的1/300。本发明的其他特征和优点将在 随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中可变得显而易见，或者通 过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制， 在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的发电机转子结构侧视示意图；

图2为本发明实施例的发电机转子结构正面示意图；

图3为本发明实施例的圆筒壁高阶花瓣形模态振型示意图；

图4为本发明实施例的图2中的A向视图，主要展现焊点布置；

图5为本发明实施例的减振降噪环上的通风孔的布置图。

各附图中的标号说明：1-主环，2-辅助环，3-转子连接轴，4-转子 法兰，5-转子支架，6-侧立板，7-薄壁圆筒。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本 申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。

对于直驱风力发电机组来说，其发电机结构特性存在与发电机电磁 力相近频率与相位特征。本发明从结构设计与仿真分析的角度出发，设 计一种新型结构固定于发电机转子薄壁结构外壁上以使发电机转子结构 特性避开其电磁力相近中高频段与相位特征，进而降低发电机在中高频 段的结构噪声。

本发明根据发电机定子、转子结构仿真，分析其结构模态与发电机 电磁力相位相近的阶次，进而在可实现的部件上添加特殊结构改变其局 部结构模态，使其避开其与发电机电磁力相位相近。

具体措施如下：

在发电机组的薄壁结构的最外壁上添加垂直于外缘的减振降噪结 构。

一般情况下考虑最大限度提高机械能转化为电能，发电机转子部分 或定子部分都设计有薄壁结构，以减小重量降低机械消耗。但是薄壁部 分也是最易受振动的部分，所以针对直驱风力发电机组的发电机结构为 大尺寸薄壁结构的特点，在发电机转子薄壁结构的最外壁添加垂直于外 壁的减振降噪结构。

对于发电机尤其是风力发电机，其薄壁结构多设计为转子或定子上 的薄壁圆筒。以转子为例，如图1、图2所示，对于风力发电机组的发电 机，其转子的结构件包括转子连接轴3、转子法兰4、转子支架5、侧立 板6、薄壁圆筒7，转子最外围大圆为薄壁圆筒7。所以设置于薄壁圆筒 7上是减振降噪结构为减振降噪环(实施例中包括主环1和辅助环2)。 减振降噪环垂直于薄壁圆筒7的外壁，且与薄壁圆筒7有相同的径向走 向和轴向走向，即减振降噪环的轴向与转子或定子的轴向一致。

由于圆筒型薄壁结构(如薄壁圆筒7)中间局部刚度相对较小，故更 容易变形，而又受轴线方向尺寸较小的影响以及端部结构刚度增强，故 容易出现中部凸凹的花瓣形阵型，图3所示为圆筒型薄壁结构轴线方向 视图，其中花瓣形振型为实线部分，虚线为原始不变形形状。由于圆筒 型薄壁结构存在花瓣形模态振型，而该振型位移最大幅值为圆筒薄壁结 构的径向方向，该径向方向与发电机电磁力的径向激励力方向一致，且 径向电磁激励存在与圆筒型结构的花瓣形模态振型的频率接近时，根据 机械结构振动理论，对于单自由度，即只考虑径向方向的强迫振动系统 方程为：

公式中，m是质量，c是结构阻尼，k是结构刚度，x是结构位移， F是激励力幅值，ω是激励力频率，t是激励力作用时间。

振动响应幅值为：

$X=\frac{x_0}{\sqrt{{(1-r^2)}^2+{\left(2\xi r\right)}^2}}$

其中为激励频率与结构频率之比，为等效静位移， ξ为阻尼比。

提供这个方程是想说明机械结构振动原理与本发明结构设计的关 系，说明本设计原理上是符合基本机械结构振动规律的，而并非来源于 主观臆想。当结构阻尼一定的情况下，结构模态与外激励的频率和振型 接近，即上式频率比r＝1时，振动响应幅值为随时间发散无限增大，对 圆筒型薄壁结构来说其径向将发生较大振动。

为此对于直驱风力发电机组的发电机薄壁结构，改变该类型花瓣形 径向模态振型，则可以有效抑制其径向振动并降低其结构噪声。根据花 瓣形模态的振型形态，对其设置垂直于圆筒型结构轴线方向的减振降噪 环合理增强其局部刚度最为有效。

虽然可以设置平行于圆筒型结构轴线的加强结构，但其方法会导致 结构的花瓣形振型模态频率漂移进而出现其它频率段的振动噪声问题。 另外对于花瓣形模态也可以采用施加多个垂直外壁的结构阻尼调整器， 但其结构设计较复杂，阻尼调整范围要求较高。故本发明采用减振降噪 环，方向与筒壁的大圆方向一致结构(环的径向方向与圆筒径向一致) 相对简单并可以作用于多个频段范围模态振型。

将减振降噪环分为两组，分别称为主环和辅助环，其结构形式除厚 度外其它可以完全一致。

目前采用减振降噪环方向与薄壁圆筒的大圆方向一致的结构可以作 用于多个频段范围，但对于直驱发电机转速范围内仍然需要设置辅助环 的方式来提高其结构在高频段的抗振能力，如图1中所示的两组减振降 噪环，就是一个为主环1，一个为辅助环2，平行设置。同时为降低加工 制造的复杂性，辅助环结构形式与主环除厚度外其它可一致，辅助环的 厚度比主环小；且考虑运输条件边部可去除超宽尺寸，图1所示的减振 降噪环两侧的切除区。

主环与辅助环自身的相关尺寸：

主环厚度：40～80mm，最佳为50mm；辅助环厚度：20～50mm，最佳 为30mm。厚度是指环沿轴向的尺寸。

主环、辅助环高度：110～140mm，最佳为130mm。高度是指环沿径向 的尺寸。

从发电机筒壁结构的模态特征来说，主环位置的振型位移最大，也 就是该位置的径向刚度最小。设置主环后花瓣形模态振型位移变小并沿 轴线移动，故设置主环较辅助环厚度更大一些。考虑焊接工艺的可行性 和加工的制造性，以及减振效果的性能指标，要求设置主环厚度为40～ 80mm，辅助环厚度为20～50mm，并且保证焊接后结构局部刚度更具有均 匀性，焊接时主环与辅助环的焊接位置交错。

主环和辅助环高度一样，两个环在薄壁圆筒外壁上的高度为110～ 140mm，130mm最为经济且有效，高度也是经过仿真计算得到的，高度一 致一是好加工，二是保持结构的一致性，三是具有同样的减振效果。

辅助环与主环间距为160～200mm，最佳间距为180mm，且辅助环更 靠近发电机轮毂侧。

如图1下端180mm尺寸所示，由于发电机转子薄壁筒壁部分的结构 厚度沿轴线方向不一致和两端部结构形式的变化，在其仿真结果分析中 若设置一个主环，花瓣形模态的筒壁振型最大位移的位置向轮毂侧移动 约150～210mm，故在距离主环160～200mm位置设置辅助环，以提高其高 频抗振能力。

主环与发电机轮毂侧轴向外端面距离约500～900mm，最佳值为 700mm。

从结构模态仿真结果可以看出，发电机结构的花瓣形模态振型位移 最大处位于距轮毂侧发电机外缘约700mm处，故在该位置附近设置减振 降噪的主环最为重要。如图1所示的(180+530)尺寸，主环在距离发电 机轮毂轴向外端面约500～900mm位置焊接后，可有效抑制薄壁结构外缘 的局部高频振动，进而降低由此产生的中高频段的结构噪声。

减振降噪环为分段结构，主环和辅助环每组均可分4～8段(最佳为 6段)，每段圆弧长约为2～3.5m(最佳值2.7m)，段与段之间并紧连接。

所谓分段结构的减振降噪环，是指减振降噪环整体看来虽然是一个 环状结构，但是是由几段弧形环段拼接而成，组合起来后形成为一整环。 独立看来，单段减振降噪环是一个弧形结构。

由于减振降噪结构为大尺寸圆环结构，且需要与发电机原筒壁尺寸 配合，其圆度不易控制，通过分段则可将圆度误差带来的焊接与结构配 合尺寸要求的施工难度降低。同时焊接过程中每个分段的重量和长度也 会影响到焊接工艺性，100kg以下的重量对于焊接加工工装和吊装方式更 具有可操作性。故减振降噪环分为4～8段，每段圆弧长约2～3.5米， 重量控制在100kg以下，如图2所示分为6段结构。

减振降噪环在薄壁圆筒壁上的连接方式为双面焊接，且较佳的是双 面交错焊接。

如图4所示，减振降噪环焊接在与磁钢相连的薄壁圆筒壁上，以减 振降噪环(主环和辅助环)的两个侧面与筒壁相接触的根部作为焊接位 置。并且较佳的是，两面焊接都是取点焊接，相互交错的若干处焊接点8， 遍布于环的两侧。特别是因为减振降噪环为分段结构，所以应该在每一 段结构上都做双面焊接，这样保证每一段减振降噪环的焊接强度。每一 处焊接点8的长度控制在90～150mm，宽度控制在3～10mm，高度控制在 5mm左右，最佳长×宽×高：130mm×5mm×5mm。同一侧面相邻两焊接点 之间的间距为90～150mm，最佳130mm左右，保持与焊缝长度一致。更为 优选的是，对于分段减振降噪环而言，在每一段环的端部设计焊接点， 将更加保护每一段环的焊接强度。

且进一步地，不仅主环和辅助环自身是双面交错焊接，而且主环和 辅助环两组环之间也是呈现为焊缝相互交错，这样可有效避免焊接应变， 如图4所示。

减振降噪环的焊接施工过程对于发电机的筒壁结构会产生一定残余 变形，其位置也是磁钢所在之处，因此残余变形将影响发电机定、转子 之间的气隙，进而影响发电机电磁性能，故在保证减振降噪环的连接强 度足够，并达到所设计的减振降噪效果情况下，应尽量减小焊接量，所 以沿环的弧线方向，取若干处焊接点焊接，而不是全程焊接。同时也降 低焊接工作量，节省施工成本。因此，减振降噪环焊接方式为分段减振 降噪环两个侧表面交错焊，并且取局部焊点焊接，每个焊接点的尺寸为 长×宽：90～150mm×3～10mm，最佳值是130mm×5mm。

将减振降噪环中部添加通风孔。

为了提高筒壁外缘通风性，将减振降噪环中部添加通风孔9作为通 风之用，为了迎合减振降噪环的环形形状，通风孔9设计为腰型孔形式， 且所述腰型孔为多个，遍布整个减振降噪环环周方向。其设计尺寸为长 (80～110mm)×宽(20～30)mm，最佳值为90mm×26mm，孔与孔之间间 隔约90mm，孔顶距减振降噪环顶大约52mm，如图5所示。

本发明设计的两组减振降噪环(主环和辅助环)总重约为1吨，占 发电机总重的1/50，成本约占总成本的1/300。经仿真与试验验证，添 加两组分段减振降噪环后，发电机外表面中部的振动加速度可降低50％， 实测振动加速度约减小0.3g。

本发明基于结构振动控制技术，通过修改发电机转动结构局部模态 的方法，避开结构振动产生的结构模态本身与激励频率接近，进而有效 控制发电机的局部振动，从而减小由结构局部振动引起的中高频段的结 构噪声。由于本发明是基于发电机结构本身的模态特征而设计，需要通 过仿真或测试手段获得结构模态信息，故对于不同发电机的结构模态不 同，其设计需要改变局部模态也不一致。本发明设计了更适宜于直驱风 力发电机组的发电机结构的降噪结构形式。

本发明主要通过以下几方面的创新展示出了其有益效果：

1、通过修改结构局部模态的方法减小结构振动峰值，进而降低对应 频段内的噪声；

2、减振降噪环的分段方式，及其各段之间的连接形式，可保证其圆 度以及降低其加工难度，同时减轻重量；

3、通过分段减振降噪环的布置位置，以及两组间的相对位置，使其 保证在中高频段的降噪效果；

4、通过分段减振降噪环结构和尺寸控制，包括开孔形式、各段环长 宽高尺寸及焊接形式，保证减振降噪效果。

本发明实施例和附图仅是以发电机转子结构为例进行了说明。由于 发电机薄壁易振结构存在于定子、转子上以及其他部件上都有可能，所 以本发明同样适用于发电机的定子和其他易振结构上，本发明实施例同 样保护一种具有上述减振降噪结构特性的定子及发电机。

以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保 护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的 技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。