第1页共13页超导发电机转子模态分析摘要：应用ANSYS分别对某超导发电机内转子、外转子和转子整体进行模态分析.考虑内转子中挠性支撑结构，将外转子轴承约束简化为弹性约束.考虑该弹性约束刚度的影响，获得内、外转子的前10阶固有频率和振型图；针对双层转子结构整体，对比分析结构中内、外转子的振动形式，获得转子的固有振动特性.关键词：超导发电机；转子；振动；模态：TM37文献标志码：BAbstract：Themodalityoftheinnerrotor，theouterrotorandthewholerotorareanalyzedforasuperconductinggeneratorbyANSYS.Consideringtheflexiblesupportingstructureintheinnerrotor，theconstraintofthebearingofouterrotorissimplifiedas第2页共13页elasticconstraint.Consideringtheeffectoftheelasticconstraintstiffness，thefirsttennaturalfrequenciesandthevibrationshapefiguresoftheinnerrotorandtheouterrotorareobtained.Forthewholedoubledecksrotorstructure，thevibrationshapesoftheinnerrotorandtheouterrotorinthestructurearecompared，andthenaturalvibrationcharacteristicsoftherotorareobtained.Keywords：superconductinggenerator；rotor；vibration；modality0引言超导体在电力方面的应用首先是超导发电机的研究开发.超导发电机由超导励磁绕组转子和常规定子组成，具有同步电抗小、体积小、质量小、损耗低和效率高等一系列优点.国内外学者在超导发电机的电磁特性和冷却方面已经进行大量研究.李辉[1]针对超导发电机的特殊结构，对其电磁系统的研究方法进行比较和分析.宋美红第3页共13页[2]对超导发电机励磁磁场进行三维有限元分析，通过改变励磁绕组圈数和匝数，对励磁绕组的磁动势波形进行优化，计算二维磁通密度和三维磁通密度，优化超导发电机的模型.CHUN等[3]采用有限元法研究超导发电机在三相突然接到故障状态时的暂态分析，分析绕组屏蔽中的涡流损失，为超导发电机的稳定性研究打下基础.SALEH等[4]研究控制系统的稳定性，通过不同的激励方法分析对比自适应和模糊逻辑控制系统.SONG等[5]研究超导同步发电机的损耗，分别在室温和低温情况下测量空载时电机的铁损和机械损耗，计算超导绕组的损耗并与总损耗对比，求得电机的效率.VICTOR等[6]利用有限元法对超导发电机模拟，求得在电载荷作用下的热损失，提出用有限元分析电机中的交流损耗和电机稳定性的新方法.HULL等[7]提出一种在定子和转子铁芯中加入特殊材料镝的新概念，采用有限元模拟电机磁化和电磁场分布情况，结果表明新型电机能得到更好的磁化效果，并且考虑在电机损耗上的优势.ZHANG等[8]研究高温超导发电机的冷却系统，设计超导绕组的冷却杜瓦和冷却环路，测试第4页共13页短期负载运行和长期空载运行时系统的性能，探讨冷却系统的未来发展问题.超导发电机的转子是由超导绕组和支撑它的绕组安装轴、传输转矩的转矩筒、常温屏和辐射遮护屏，以及给排冷却液的冷却系统构成，转子整体为双层转子结构，比传统电机复杂条件多.但是，目前对超导发电机结构机械性能的研究还比较少.由于超导电机转子结构的复杂性，研究转子的固有振动特性和动力学稳定性对超导电机正常运行和优化设计都有非常重要作用.因此，本文基于一台典型的超导发电机，采用有限元法求解双层转子结构的固有频率和振型，研究其固有振动特性.1超导发电机转子模型分析以日本70MW级高温超导发电机为例，此电机为200MW级发电机的试验样机，由日本超导发电设备与材料研究协会研究开发.为充分准备超导发电机的技术资料，设计低速励磁A型、低速励磁B型和快速励磁型等3种不同类型的转子和相应的定子，并于1997年在第5页共13页关西电力公司大阪发电厂的试验中心研制成功，随后并入电网试运行.日本学者已经对该电机的励磁特性、磁屏蔽特性、电磁稳定性和冷却系统进行大量试验和研究，并且对其转子的机械特性进行简要分析.[911]研究超导发电机双层转子结构的固有振动问题时，忽略转子系统中液氦循环及其管道的影响，可对结构进行简化，见图1.超导励磁绕组为NbTi超导线材，转子轴的材料为非磁性钢；外转子的常温屏为3层夹层结构（内外2层为高强度钢，夹层...