CN106777429A - 高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法，具体涉及矩形磁极线圈和塔形向心磁极线圈的离心力仿真计算方法。本发明为了解决发电电动机机组在运行时，磁极线圈在飞速旋转过程产生离心效应，发生转子扫堂的问题。本发明包括第一步、电机转子磁极及线圈几何模型的建立；第二步、转子的主要材料参数和静力分析公式的确定；第三步、对飞逸转速下矩形磁极线圈的应力进行分析；第四步、对飞逸转速下塔形磁极线圈的应力进行分析；第五步、对飞逸转速下塔形磁极线圈的应力进行分析；本发明提出高转速发电电动机磁极结构的改进方法，在电机磁极制造过程中合理优化磁极形状，从而减少扫膛事件发生的概率，对电机安全稳定运行有重要意义。

Description

高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法

技术领域

本发明涉及高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法，具体涉及矩形磁极线圈和塔形向心磁极线圈的离心力仿真计算方法。

背景技术

近年来，磁极线圈甩出引发扫膛的事故常有发生。其问题的原因是：由于转子磁极结构设计等存在问题，导致发电电动机机组运行时磁极线圈从磁极中心偏向极靴外侧的分力外翻。抽水蓄能发电机组运行的可靠性直接影响着发电厂乃至整个电力系统的安全稳定运行，而励磁系统作为电机的关键部分，其可靠性更为重要，高速水轮发电机励磁绕组在飞逸转速下会产生很大的离心效应，如果离心力超过强度要求，就会发生转子扫膛事故。扫膛事故造成的损失是巨大的，因此引起了人们的极大重视，应客观、细致的进行剖析。

发明内容

本发明的目的是为了解决发电电动机机组在运行时，磁极线圈在飞速旋转过程产生离心效应，发生转子扫堂的问题，进而提供高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法。

本发明的技术方案是：为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：

第一步、电机转子磁极及线圈几何模型的建立；

采用三维设计软件ProE进行电机转子磁极及线圈几何模型的三维造型，将造型完成的文件其改为igs格式导入Ansys Workbench中。

第二步、转子的主要材料参数和静力分析公式的确定；

根据静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化的载荷，列出物体在经典力学理论中的动力学通用方程；

第三步、对飞逸转速下矩形磁极线圈的应力进行分析；

将矩形磁极，极靴与极身的夹角设为直角，极身两侧平行，线圈平行放置，在有限元模型中，只添加离心力的作用分别获得矩形磁极的等效应力分布图和矩形线圈的等效应力分布图，计算出在只加载离心力载荷时磁极线圈所受的最大主应力，最后通过有限元仿真法，仿真矩形线圈所受的电磁力波形图并以载荷的形式添加到Workbench中进行对线圈的受力分析，得出在飞逸转速与电磁力共同作用下线圈的最大主应力和拉应力；

第四步、对飞逸转速下塔形磁极线圈的应力进行分析；

将塔形磁极，极靴与极身的夹角为直角，线圈的离心力方向垂直于极靴底面，平行于极身侧面，在只添加离心力的作用分别获得塔形磁极的等效应力分布图和塔形线圈的等效应力分布图，并计算出在只加载离心力载荷时磁极线圈所受的最大主应力，最后通过有限元仿真法，仿真塔形线圈所受的电磁力波形图并以载荷的形式添加到Workbench中进行对线圈的受力分析，得出在飞逸转速与电磁力共同作用下线圈的最大主应力和拉应力；

第五步、对比飞逸转速下矩形磁极线圈和塔形磁极线圈的应力结果，获取高转速发电电动机磁极结构的优化设计要点；

磁极线圈所受应力与磁极形状密切相关，通过有限元计算的对比，提出当电机其他结构都一定时，对比塔形向心磁极的线圈所受的主应力与拉应力与矩形磁极线圈所受的应力，并提出高转速下发电电动机磁极的形状。

进一步地，第一步中所述的电机为一台飞逸转速为375r/min的凸极同步电机。

进一步地，第二步中转子和线圈的主要材料参数为：

(1)转子的主要材料参数：磁极材料属性定义为各向同性，杨氏模量：E＝2E+11Pa，泊松比：μ＝0.3，密度：ρ＝7850kg/m³：

(2)线圈材料属性定义为各向同性，杨氏模量：E＝1.1E+11Pa，泊松比：μ＝0.34，密度：ρ＝8300kg/m³：

进一步地，第二步中物体的动力学通用方程为：

式中其中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度系数矩阵，{x}为位移矢量，{F}为力矢量。

本发明的有益效果为：本发明根据计算电磁学和结构静力学基本理论，采用有限元法对转子磁极进行了计算与研究，得到两种不同磁极下，磁极线圈所受的应力，并对其进行比较，最终提出高转速发电电动机磁极结构的改进方法，在电机磁极制造过程中合理优化磁极形状，从而减少扫膛事件发生的概率，对电机安全稳定运行有重要意义。

附图说明

图1为转子磁极结构三维模型；

图2为转子三维模型的网络划分图；

图3矩形磁极的等效应力分布图；

图4矩形线圈的等效应力分布图；

图5为矩形磁极线圈所受电磁力波形图；

图6矩形磁极线圈主应力分布图；

图7为矩形磁极线圈拉应力分布图；

图8为塔形磁极的等效应力分布图；

图9为塔形线圈的等效应力分布图；

图10为塔形磁极线圈所受电磁力波形图；

图11为塔形磁极线圈主应力分布图；

图12为塔形磁极线圈拉应力分布图；

图13为高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法步骤图；

具体实施方式

具体实施方式一：电机转子磁极及线圈几何模型的建立

采用三维设计软件ProE进行电机转子磁极及线圈几何模型的三维造型，将造型完成的文件其改为igs格式导入Ansys Workbench中。

具体实施方式二：转子的主要材料参数和静力分析公式的确定

设定转子的主要结构参数如表1所示

表1 转子主要外形尺寸

转子的主要材料参数：磁极材料属性定义为各向同性，杨氏模量：E＝2E+11Pa，泊松比：μ＝0.3，密度：ρ＝7850kg/m³。线圈材料属性定义为各向同性，杨氏模量：E＝1.1E+11Pa，泊松比：μ＝0.34，密度：ρ＝8300kg/m³。

根据静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化的载荷，列出物体在经典力学理论中的动力学通用方程为

其中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度系数矩阵，{x}为位移矢量，{F}为力矢量。

在线性静态结构分析中力与时间无关，因此位移{x}可有下面的矩阵方程解出：[K]{x}＝{F}

具体实施方式三：对飞逸转速下矩形磁极线圈的应力进行分析；

(1)将矩形磁极，极靴与极身的夹角设为直角，极身两侧平行，线圈平行放置，磁极线圈在机组运行时由于离心力的作用会产生较大的侧向力，在有限元模型中，只添加离心力的作用分别获得矩形磁极的等效应力分布图3和矩形线圈的等效应力分布图4，计算出在只加载离心力载荷时磁极线圈所受的最大主应力；

(2)通过有限元仿真法，仿真矩形磁极线圈所受的电磁力波形图(见图5)并以载荷的形式添加到Workbench中进行对线圈的受力分析，得出在飞逸转速与电磁力共同作用下线圈的最大主应力(见图6)和拉应力(见图7)；

具体实施方式四：对飞逸转速下塔形磁极线圈的应力进行分析

(1)将塔形磁极，极靴与极身的夹角为直角，线圈的离心力方向垂直于极靴底面，平行于极身侧面，机组正常运行时不产生侧向力，铜排、绝缘、托板之间也无侧向滑动，不会对线圈产生损坏，只添加离心力的作用分别获得塔形磁极的等效应力分布图8和塔形线圈的应力分布图9，并计算出在只加载离心力载荷时磁极线圈所受的最大主应力；

(2)最后通过有限元仿真法，仿真线圈所受的电磁力波形图(见图10)并以载荷的形式添加到Workbench中进行对线圈的受力分析，得出在飞逸转速与电磁力共同作用下线圈的最大主应力(见图11)和拉应力(见图12)；

具体实施方式五：对比飞逸转速下矩形磁极线圈和塔形磁极线圈的应力结果，获取高转速发电电动机磁极结构的优化设计要点；

本文根据添加电磁力后的仿真计算得到的结果，进行比较两种磁极线圈所受的应力，比较如表2所示。

表2 结果比较

有上述图表2可知，塔形向心磁极线圈的应力小于矩形磁极线圈所受应力，本发明在设定飞逸转速为375r/min的凸极同步电机的三维模型和求解条件，得到两种不同磁极下，磁极线圈所受的应力，并对其进行比较得到结论，为电机的磁极设计及优化提供了有效依据。

磁极线圈所受应力与磁极形状密切相关，通过有限元计算的对比可知，当电机其他结构都一定时，塔形向心磁极的线圈所受的主应力与拉应力明显小于矩形磁极线圈所受的应力，所以，在电机设计过程中，要综合考虑情况，合理优化磁极形状。

Claims (4)

1.高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、电机转子磁极及线圈几何模型的建立；

采用三维设计软件ProE进行电机转子磁极及线圈几何模型的三维造型，将造型完成的文件其改为igs格式导入Ansys Workbench中。

第二步、转子的主要材料参数和静力分析公式的确定；

根据静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化的载荷，列出物体在经典力学理论中的动力学通用方程；

第三步、对飞逸转速下矩形磁极线圈的应力进行分析；

将矩形磁极，极靴与极身的夹角设为直角，极身两侧平行，线圈平行放置，在有限元模型中，只添加离心力的作用分别获得矩形磁极的等效应力分布图和矩形线圈的等效应力分布图，计算出在只加载离心力载荷时磁极线圈所受的最大主应力，最后通过有限元仿真法，仿真矩形线圈所受的电磁力波形图并以载荷的形式添加到Workbench中进行对线圈的受力分析，得出在飞逸转速与电磁力共同作用下线圈的最大主应力和拉应力；

第四步、对飞逸转速下塔形磁极线圈的应力进行分析；

将塔形磁极，极靴与极身的夹角为直角，线圈的离心力方向垂直于极靴底面，平行于极身侧面，在只添加离心力的作用分别获得塔形磁极的等效应力分布图和塔形线圈的等效应力分布图，并计算出在只加载离心力载荷时磁极线圈所受的最大主应力，最后通过有限元仿真法，仿真塔形线圈所受的电磁力波形图并以载荷的形式添加到Workbench中进行对线圈的受力分析，得出在飞逸转速与电磁力共同作用下线圈的最大主应力和拉应力；

第五步、对比飞逸转速下矩形磁极线圈和塔形磁极线圈的应力结果，获取高转速发电电动机磁极结构的优化设计要点；

磁极线圈所受应力与磁极形状密切相关，通过有限元计算的对比，提出当电机其他结构都一定时，对比塔形向心磁极的线圈所受的主应力与拉应力与矩形磁极线圈所受的应力，并提出高转速下发电电动机磁极的形状。

2.根据权利要求1所述的高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法，其特征在于：第一步中所述的电机为一台飞逸转速为375r/min的凸极同步电机。

3.根据权利要求2所述的高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法，其特征在于：第二步中转子和线圈的主要材料参数为：

(1)转子的主要材料参数：磁极材料属性定义为各向同性，杨氏模量：E＝2E+11Pa， 泊松比：μ＝0.3，密度：ρ＝7850kg/m³：

(2)线圈材料属性定义为各向同性，杨氏模量：E＝1.1E+11Pa，泊松比：μ＝0.34，密度：ρ＝8300kg/m³。

4.根据权利要求2所述的高转速发电电动机磁极结构的优化设计方法，其特征在于：第二步中物体的动力学通用方程为：

式中其中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度系数矩阵，{x}为位移矢量，{F}为力矢量。