CN104297080B - 直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置，其包括底座、第一支架、磁极承载样板、下支撑单元、上支撑单元以及载荷加载单元，第一支架固定在底座上；磁极承载样板的第一端部水平固定在第一支架上，在磁极承载样板上设置有固定磁极的测试区域；下支撑单元设置在底座上，从下方支撑磁极承载样板的中部，上支撑单元架设在底座上，从上方支撑磁极承载样板的中部；载荷加载单元的下端固定在底座上，载荷加载单元的上端固定在磁极承载样板的第二端部上，用于带动磁极承载样板的第二端部在上下方向上往复运动。通过本发明的实施例的弯曲疲劳测试装置，实现了对直驱永磁风力发电机转子磁极的弯曲疲劳测试。

Description

直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置

技术领域

本发明涉及一种测试装置，尤其是一种直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置。

背景技术

直驱永磁风力发电机组一般采用高品质的钕铁硼稀土永磁材料作为磁极，由于运行时电机存在弯曲变形、温度变化等环境，很容易出现失效的情形。为了保证磁极在运行过程中不因该因素持续作用而发生失效，需要一种弯曲疲劳测试设备来模拟外部环境，对磁极进行可靠性测试。目前，与风力发电机组相关的测试装置大多集中在叶片疲劳试验、变桨轴承疲劳测试、机舱测试等方面，而没有出现用于直驱永磁风力发电机转子磁极的疲劳测试设备。

发明内容

本发明的实施例提供一种直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置，实现对直驱永磁风力发电机转子磁极的弯曲疲劳测试。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置，其包括底座、第一支架、磁极承载样板、下支撑单元、上支撑单元以及载荷加载单元，

所述第一支架固定在所述底座上；

所述磁极承载样板的第一端部水平固定在所述第一支架上，在所述磁极承载样板上设置有固定磁极的测试区域；

所述下支撑单元设置在底座上，从下方支撑所述磁极承载样板的中部，所述上支撑单元架设在底座上，从上方支撑所述磁极承载样板的中部；

所述载荷加载单元的下端固定在所述底座上，所述载荷加载单元的上端固定在所述磁极承载样板的第二端部上，用于带动所述磁极承载样板的第二端部在上下方向上往复运动。

进一步地，所述弯曲疲劳测试装置还可以包括第二支架，其固定在所述底座上，在所述第二支架上设置限位单元，用于将所述磁极承载样板的第二端部的向上往复运动限定在预定的范围内。

进一步地，所述限位单元包括设置在所述第二支架上的第一接近开关和第二接近开关，所述第一接近开关和所述第二接近开关分别位于所述磁极承载样板的第二端部的上侧和下侧，所述第一接近开关和所述第二接近开关与所述载荷加载单元电连接，控制所述载荷加载单元的运动范围。

进一步地，所述载荷加载单元可以包括：依次连接的液压上耳板、液压系统总成、液压下耳板，

所述液压上耳板固定在所述磁极承载样板的第二端部的底面上，所述液压下耳板固定在所述底座上。

进一步地，所述载荷加载单元可以包括：依次连接的液压上耳板、液压系统总成、液压下耳板，

所述液压上耳板固定在所述磁极承载样板的第二端部的底面上，所述液压下耳板固定在所述底座上，所述液压系统总成的液压缸与所述第二支架固定连接。

进一步地，所述底座可以为长方形结构，所述下支撑单元包括多个三角形支架和固定支撑在所述多个三角形支架顶端的第一圆柱形支撑体，所述多个三角形支架沿所述底座的宽度方向排列并固定在所述底座上，所述第一圆柱形支撑体支撑所述磁极承载样板的底面。

进一步地，所述上支撑单元可以包括架设在底座上的门型支架，该门型支架由横梁和横梁两端的支撑杆组成，在所述门型支架的横梁的下部设置有第二圆柱形支撑体，所述第二圆柱形支撑体支撑在所述磁极承载样板的上面上。

进一步地，所述第二圆柱形支撑体包括沿着所述横梁呈直线排列的多个第二圆柱形支撑体单元，所述第二圆柱形支撑体单元支撑在所述磁极承载样板的上面的所述测试区域以外的区域。

进一步地，所述第一圆柱形支撑体和所述第二圆柱形支撑体的支撑位置可以处于所述测试区域的长度方向的中点。

进一步地，所述测试区域可以为多个，沿着所述磁极承载样板的宽度方向并列排布。

进一步地，所述直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置还可以包括计数器，其与所述限位单元连接，用于记录所述往复运动的次数。

本发明的实施例的弯曲疲劳测试装置，通过上下支撑单元形成对磁极承载样板的夹持，并结合载荷加载单元带动所述磁极承载样板的第二端进行往复运动，实现了对直驱永磁风力发电机转子磁极的弯曲疲劳测试，为不同的磁极设计方案的筛选提供了参考，提高了产品设计的可靠性，使用该装置将按照不同设计方案制作的磁极分别进行弯曲疲劳测试，通过比较可以筛选出最好的设计方案。

附图说明

图1为本发明实施例的弯曲疲劳测试装置的平面结构示意图；

图2为本发明实施例的弯曲疲劳测试装置的磁极承载样板的受力状态示意图；

图3为本发明实施例的弯曲疲劳测试装置的立体结构示意图之一；

图4为本发明实施例的弯曲疲劳测试装置的立体结构示意图之二；

图5为本发明实施例的磁极承载样板的结构示意图之一；

图6为本发明实施例的磁极承载样板的结构示意图之二；

图7为本发明实施例的磁极承载样板的结构示意图之三；

图8为本发明实施例的磁极承载样板的结构示意图之四。

附图标号说明：

1-底座、2-第一支架、3-磁极承载样板、4-下支撑单元、5-上支撑单元、6-载荷加载单元、7-第二支架、8-限位单元、9磁极、31-磁极承载样板上的测试区域、41-三角形支架、42-第一圆柱形支撑体、51-门型支架、52-第二圆柱形支撑体、61-液压上耳板、62-液压系统总成、63-液压下耳板、631-液压缸、81-第一接近开关、82-第二接近开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例的直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置进行详细描述。

如图1至图5所示，本发明实施例直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置包括底座1、第一支架2、磁极承载样板3、下支撑单元4、上支撑单元5以及载荷加载单元6。其中，第一支架2固定在底座1上；磁极承载样板3的第一端部水平固定在第一支架2上，在磁极承载样板3上设置有固定磁极9的测试区域31；下支撑单元4设置在底座1上，从下方支撑磁极承载样板3的中部，上支撑单元5架设在底座1上，从上方支撑磁极承载样板3的中部；载荷加载单元6的下端固定在底座1上，载荷加载单元6的上端固定在磁极承载样板3的第二端部上，用于带动磁极承载样板3的第二端部在上下方向上往复运动。

如图2所示，在上述装置中，第一支架2起到固定磁极承载样板3端部的作用，将磁极承载样板3固定于A点，再通过上支撑单元5和下支撑单元4夹持磁极承载样板3，从而在中部形成弯曲运动的支点B，载荷加载单元6向磁极承载样板3的第二端部的C点处施加上下方向的作用力F，带动第二端部上下往复运动，从而使磁极承载样板3以上支撑单元5和下支撑单元4所夹持的部位为支点做上下弯曲的运动，从而实现了对设置于磁极承载样板3上的磁极9进行弯曲疲劳测试。

进一步地，为了使对磁极9施加的弯曲幅度控制在合理的范围内，还可以在磁极承载样板3的第二端部(例如图2所示的D点处)设置限位单元8，具体地，上述弯曲疲劳测试装置还可以包括第二支架7，固定在底座1上，在第二支架7上设置限位单元8，用于将磁极承载样板3的第二端部(例如图2所示的D点处)的向上往复运动限定在预定的范围内。通过加设限位单元8能够更好控制弯曲幅度，使得测试更加准确并且也能够防止对磁极承载样板3过度弯折。进一步地，限位单元8可以具体包括设置在所述第二支架7上的第一接近开关81和第二接近开关82，第一接近开关81和第二接近开关82分别位于磁极承载样板3的第二端部(例如图2所示的D点处)的上侧和下侧，第一接近开关81和第二接近开关82与所述载荷加载单元6电连接控制所述载荷加载单元6的运动范围。其工作原理为：当第一接近开关81或第二接近开关82检测到磁极承载样板3的第二端部(例如图2所示的D点处)接近到预设距离时，向载荷加载单元6发出控制信号，使载荷加载单元6向相反方向运动。

此外，弯曲疲劳测试装置还可以进一步包括计数器(未图示)，其与限位单元8连接，用于记录往复运动的次数。具体地，可以直接与第一接近开关81和/或第二接近开关82连接，利用第一接近开关81和/或第二接近开关82的输出信号来触发计数器进行计数。通过对往复运动的次数即弯曲次数进行计数，能够使后续的弯曲疲劳测试的数据分析更为准确。

此外，载荷加载单元6可以包括依次连接的液压上耳板61、液压系统总成62、液压下耳板63，其中，液压上耳板61固定在磁极承载样板3的第二端部(例如图2所示的D点处)的底面上，液压下耳板63固定在底座1上。在实际应用中，载荷加载单元6主要是通过液压系统来实现，并结合来自限位单元8的控制信号进行上下往复运动。优选地，液压系统总成62的液压缸631可以与所述第二支架7固定连接。这样，第二支架7起到了保护支架的作用，除了提供限位开关的固定位置之外，还为液压系统总成62的液压缸631提供了运动的支点，使得液压系统总成62能够稳定地进行上下往复运动。

此外，底座1可以为长方形结构，下支撑单元4包括多个三角形支架和固定支撑在多个三角形支架顶端的第一圆柱形支撑体42，多个三角形支架沿底座的宽度方向排列并固定在底座1上，第一圆柱形支撑体42支撑在磁极承载样板3的底面上。相应地，上支撑单元5可以包括架设在底座1上的门型支架51，门型支架51由横梁和横梁两端的支撑杆组成，在门型支架51的横梁的下部设置有第二圆柱形支撑体52，第二圆柱型支撑体52可以是一个整体也可以是分段结构，优选地，第二圆柱形支撑体可以包括沿着横梁呈直线排列的多个第二圆柱形支撑体单元，第二圆柱形支撑体单元支撑在磁极承载样板的上面的测试区域以外的区域。

第二圆柱形支撑体52支撑在所述磁极承载样板3的上面上。优选地，第一圆柱形支撑体42和所述第二圆柱形支撑体52支撑位置处于测试区域31的长度方向的中点。

在上述结构中，上支撑单元5和下支撑单元4均固定在底座1上，下支撑单元4的多个三角形支架位于上支撑单元5的门型支架的内侧，这样，在位置上能够较好地对应，整体结构上也比较紧凑。上支撑单元5和下支撑单元4均采用了圆柱形支撑体，这样可以在弯曲测试的过程中，不损伤磁极承载样板3，此外，通过多个三角形支架支撑第一圆柱形支撑体42也使得支撑结构更加稳定，同时也可以使磁极承载样板3在宽度方向上进行延展，来放置多个磁极9。

另外，如图5至图8所示，在磁极承载样板3上可以设置一个或多个测试区域31。为了便于说明，将图1中从左到右的方向定义为磁极承载样板3的长度方向，而垂直于纸面的方向定义为磁极承载样板3的宽度方向。如图5所示，其示出了设置一个测试区域31的情形，即可以对单个磁极9进行弯曲疲劳测试。而图6至图8所示的情形均为多个测试区域31的情形，各个测试区域31沿着所述磁极承载样板3的宽度方向并列排布。如图6所示，其示出了并排设置3个测试区域31的情形。如图7所示，其示出了并排设置4个测试区域31的情形。如图8所示，其示出了并排设置5个测试区域31的情形。通过在一个磁极承载样板3上布置多个测试区域31能够同时对多个磁极9进行测试，提高了弯曲疲劳测试的效率。测试区域31的大小可以根据实际需要进行灵活设置，例如，不同的磁极设计方案可能生成不同大小的磁极，通过在磁极承载样板3上进行合理布局，能够对多个不同方案设计出来的磁极进行比较测试，从而选择最优设计方案。

下面介绍一下本发明实施例的弯曲疲劳测试装置的组装过程：先在底座1(第一支架可以与底座一体设置)上安装下支撑单元4，然后安装液压下耳板63和第二支架7，形成如图3所示的状态。然后，安装磁极承载样板3(需要预先在测试区域31上固定好待测试的磁极9)，再安装液压系统总成62，然后再通过液压上耳板61将液压系统总成62固定到磁极承载样板3上，之后再安装上支撑单元5，从而形成了如图4所示的状态。然后再设置好计数器以及相应的液压控制系统后，就可以进行弯曲疲劳测试了。

下面对疲劳测试的原理进行说明并列举两个基于上述的弯曲疲劳测试装置进行测试的具体方案。

为了对比不同磁极工艺在变形条件下的优劣，保证磁极在变形条件下安全运行，本发明实施例开展了不同条件下的磁极疲劳测试。磁极疲劳试验的主要目的是考核设计方案的耐疲劳程度。主要过程是先通过仿真计算，得到磁极疲劳形变量与疲劳次数的对应关系，以此为边界条件，将按照不同设计方案制作的磁极分别进行弯曲疲劳测试，从而筛选出最好的设计方案。

理论模型设计

根据理论模型的分析，可以获得电机在运行过程中，在自重+偏心磁拉力的作用下的转子最大曲率(例如为表示为G)，最大曲率处为变形最严重的区域，所以当测试磁极的变形曲率达到G时，可模拟实际情况。

磁极承载样板设计如下：例如磁极(样品)采用真实长度，安装于钢板制成的磁极承载样板上。对该磁极承载样板的加载点逐渐增加载荷，直到支撑点最大曲率达到G。当磁极承载样板的中心位置曲率达到G时，能够获得磁极承载样板的自由端的垂向位移(例如表示为H)。也就是说，当试验样板自由端垂向位移范围为±H时，可以模拟实际的磁极变形情况。

疲劳寿命

根据相关标准(DIN EN 1993-1-9:2005)中焊缝处的S-N曲线(应力应变关系曲线)可以得出近似公式如下：

σ₁ ^mN₁＝σ₂ ^mN₂……………………………………………………式(1)

${\mathrm{\σ}}_2=\sqrt[m]{\frac{N_1}{N_2}}\·{\mathrm{\σ}}_1$ ……………………………………………………式(2)

其中，σ₁和σ₂是应变(在应力作用下的变形量)，N₁和N₂是分别是与σ₁和σ₂对应的能够承受的变形次数(可以视为寿命)，m为给定值，通常取3-5。

假设应力与应变是线性关系，则可认为应变与寿命的关系也遵循上述公式。因此，可以通过上述公式将风机实际运转中产生的小幅度的应变放大后来进行弯曲疲劳测试，从而缩短测试时间，并且也便于测试设备的设计。

通过仿真软件对机组进行仿真，其涵盖正常运行、切入切出、启停机、过速停机等工况，通过仿真可以统计得到机组20年寿命期内发电机转动总圈数(例如表示为L)，即N₁＝L(认为每转动一圈发电机发生一次变形)，并且通过上述理论模型设计可知，当磁极承载样板的中心位置曲率达到G时，试验自由端的垂向位移为H，即σ₁＝H，而在实际测试过程中，如果将磁极的弯曲试验的磁极承载样板端部的变形量设定为K时，即σ₂＝K时，通过上述公式(1)或(2)可以推导出测试需要进行的弯曲试验次数N₂的计算公式：

$N_2={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_2}\right)}^3\·N_1={\left(\frac{H}{K}\right)}^3\·L$ …………………………………………式(3)

在式(3)中，H为测试设备的设定值，K和L均通过模型分析或者仿真计算能够获得(根据风机型号或者考虑的环境因素的不同而有所差别)，因此，可以计算出测试需要进行的弯曲试验次数N₂。基于上述式(3)可以设计出如下两个测试方案。

方案一：将自由端(磁极承载样板的第二端部)的变形量设定为2mm(即磁极承载样板的自由端在上下方向上往复运动的范围为±2mm)时，例如通过上述公式(3)求得N₂为491499次，将自由端的弯曲速率设定为每分钟弯曲15次，则弯曲疲劳测试持续的天数D：

即将该测试设备在15次/分钟的弯曲速率的状态下连续运行22.8天即可完成测试。

方案二：将自由端变形量设定为3mm(即的磁极承载样板的自由端在上下方向上往复运动的范围为±3mm)时，例如通过上述公式(3)求得N₂为145630次，将自由端的弯曲速率设定为每分钟弯曲13次，则弯曲疲劳试验需要的天数为D：

即将该测试设备在13次/分钟的弯曲速率的状态下连续运行7.8天即可完成测试。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种直驱永磁风力发电机的转子磁极的弯曲疲劳测试装置，其特征在于，包括底座、第一支架、磁极承载样板、下支撑单元、上支撑单元以及载荷加载单元，

所述第一支架固定在所述底座上；

所述磁极承载样板的第一端部水平固定在所述第一支架上，在所述磁极承载样板上设置有固定磁极的测试区域；

所述下支撑单元设置在底座上，从下方支撑所述磁极承载样板的中部，所述上支撑单元架设在底座上，从上方支撑所述磁极承载样板的中部；

所述载荷加载单元的下端固定在所述底座上，所述载荷加载单元的上端固定在所述磁极承载样板的第二端部上，用于带动所述磁极承载样板的第二端部在上下方向上往复运动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第二支架，固定在所述底座上，在所述第二支架上设置限位单元，用于将所述磁极承载样板的第二端部的向上往复运动限定在预定的范围内。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述限位单元包括设置在所述第二支架上的第一接近开关和第二接近开关，所述第一接近开关和所述第二接近开关分别位于所述磁极承载样板的第二端部的上侧和下侧，所述第一接近开关和所述第二接近开关与所述载荷加载单元电连接，控制所述载荷加载单元的运动范围。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载荷加载单元包括：依次连接的液压上耳板、液压系统总成、液压下耳板，

所述液压上耳板固定在所述磁极承载样板的第二端部的底面上，所述液压下耳板固定在所述底座上。

5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述载荷加载单元包括：依次连接的液压上耳板、液压系统总成、液压下耳板，

所述液压上耳板固定在所述磁极承载样板的第二端部的底面上，所述液压下耳板固定在所述底座上，所述液压系统总成的液压缸与所述第二支架固定连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底座为长方形结构，所述下支撑单元包括多个三角形支架和固定支撑在所述多个三角形支架顶端的第一圆柱形支撑体，所述多个三角形支架沿所述底座的宽度方向排列并固定在所述底座上，所述第一圆柱形支撑体支撑所述磁极承载样板的底面。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上支撑单元包括架设在底座上的门型支架，该门型支架由横梁和横梁两端的支撑杆组成，在所述门型支架的横梁的下部设置有第二圆柱形支撑体，所述第二圆柱形支撑体支撑在所述磁极承载样板的上面上。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二圆柱形支撑体包括沿着所述横梁呈直线排列的多个第二圆柱形支撑体单元，所述第二圆柱形支撑体单元支撑在所述磁极承载样板的上面的所述测试区域以外的区域。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述第一圆柱形支撑体和所述第二圆柱形支撑体的支撑位置处于所述测试区域的长度方向的中点。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测试区域为多个，沿着所述磁极承载样板的宽度方向并列排布。

11.根据权利要求2所述装置，其特征在于，还包括计数器，其与所述限位单元连接，用于记录所述往复运动的次数。