CN107463107B - 一种发电机仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种发电机仿真方法及系统，通过获取与发电机的当前变形信息匹配的“电磁力‑气隙长度”曲线，并测量发电机各磁极间的当前气隙长度后，根据“电磁力‑气隙长度”曲线得到磁极间径向电磁力，将发电机当前扭矩值转换为磁极间的切向电磁力，按照各磁极间的当前力元关系，将电磁力施加到相应磁极上，判断其使得发电机的上述当前力元发生变化时，终止该当前力元关系，并建立新的力元关系，以使再次仿真得到电磁力按照新的力元关系施加到相应磁极，从而利用多次仿真结果评估发电机在不同电磁力作用下的振动、变形、气隙等信息，为发电机的设计提供可靠的数据支持，避免潜在问题和风险，减小研发周期及成本，并提高机组设计可靠性。

Description

一种发电机仿真方法及系统

技术领域

本申请主要涉及发电机设计领域，更具体地说是涉及一种发电机仿真方法及系统。

背景技术

如今，无论是工业生产还是日常生活，都离不开发电机提供的动力，其应用几乎遍及各行各业，已成为当代人类社会不可或缺的设备。然而，由于发电机在运行过程中会产生振动和噪声，不仅会浪费电能，而且还会对发电机的部件造成损耗，缩短发电机的正常寿命，影响其他设备的正常运行，甚至会造成事故，危害用户的生命及财产安全。

其中，在实际应用中，由于发电机的气隙中存在着旋转磁场，其与转子铁芯和定子铁芯相互作用，会分别在转子和定子上产生旋转力波，从而使发电机产生振动并会由此辐射出电磁噪声；而且，产生的旋转力波的高频分量也会在其频率与发电机的某一个固有频率接近或相同时，产生共振，这也会导致发电机的振动和噪声。

由此可见，发电机的旋转磁场产生的电磁力将会导致发电机的电磁振动，所以，在设计发电机时，通常需要对发电机中电磁力的分布进行分析及计算，现有技术通常利用有限元法计算发电机电磁场以及电磁力分布，但这种方法获得的仅是发电机的定子与转子相对静止情况下的磁固耦合特性，并非发电机运行过程中的动态特性，可见，现有的这种方法对发电机设计中起到的辅助作用非常有限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种发电机仿真方法及系统，解决了现有的有限元法无法获得发电机运行过程中的动态特性，使得其在发电机的设计中起到的辅助作用非常有限的技术问题。

为了解决上述问题，本申请提供了以下技术方案：

一种发电机仿真方法，所述方法包括：

获取发电机的当前变形信息，并确定与所述当前变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线；

测量所述发电机各磁极间的当前气隙长度，并根据所述“电磁力-气隙长度”曲线得到所述发电机各磁极间的径向电磁力；

对所述发电机的当前扭矩值进行转换，得到所述发电机各磁极间的切向电磁力；

获得所述发电机各磁极间的当前力元关系；

按照所述当前力元关系，将所述径向电磁力和所述切向电磁力施加到所述发电机的相应磁极上；

判断所述当前力元关系是否发生改变，如果是，终止所述当前力元关系，并建立新的力元关系后，返回所述获取发电机的当前变形信息的步骤。

优选的，判断所述当前力元是否改变，包括：

将所述发电机存在所述当前力元关系的两个磁极间的切向距离与预设标准值进行比较；

如果所述切向距离小于所述预设标准值，则判断所述当前力元关系没有改变；

如果所述切向距离不小于所述预设标准值，则判断所述当前力元关系发生改变。

优选的，所述测量所述发电机各磁极间的当前气隙长度，包括：

测量当前所述发电机存在力元关系的两个磁极各自的旋转半径；

获取当前所述发电机的定子与转子的偏心距以及偏心角，其中，所述偏心距是指所述发电机的定子旋转中心与转子旋转中心之间的距离；所述偏心角是指所述定子旋转中心和所述转子旋转中心的连接线与所述发电机的转子磁极和所述转子旋转中心的连接线之间的夹角；

利用所述旋转半径、所述偏心距以及所述偏心角，计算所述发电机存在力元关系的两个磁极间的当前气隙长度。

优选的，所述获取发电机的当前变形信息，包括：

获取当前发电机的定子与转子之间的轴向位移；和/或；

获取当前发电机的定子与转子之间的倾斜角度。

优选的，在得到所述发电机各磁极间的径向电磁力以及切向电磁力之后，所述方法还包括：

判断所述发电机是否发生存在力元关系的两个磁极不对中时刻，其中，所述存在力元关系的两个磁极不对中表明当前存在力元关系的两个磁极间的连接延伸线不经过所述发电机的旋转中心；

如果是，测量所述发电机存在力元关系的两个磁极间的当前切向距离；

根据预存的“磁极不对中度-衰减系数”曲线，确定所述当前切向距离对应的衰减系数，其中，所述“磁极不对中度-衰减系数”曲线表明所述发电机存在力元关系的两个磁极间的不同切向距离对应的衰减系数；

利用所述衰减系数对所述径向电磁力和所述切向电磁力进行修正。

一种发电机仿真系统，所述系统包括：

信息获取模块，用于获取发电机的当前变形信息，并确定与所述当前变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线；

测量模块，用于测量所述发电机各磁极间的当前气隙长度；

计算模块，用于根据所述“电磁力-气隙长度”曲线得到所述发电机各磁极间的径向电磁力，并对所述发电机的当前扭矩值进行转换，得到所述发电机各磁极间的切向电磁力；

控制模块，用于获得所述发电机各磁极间的当前力元关系，并按照所述当前力元关系，将所述径向电磁力和所述切向电磁力施加到所述发电机的相应磁极上，判断所述当前力元关系是否发生改变，如果是，终止所述当前力元关系，并建立新的力元关系后，触发信息获取模块重新获取发电机的当前变形信息。

优选的，所述控制模块包括：

第一比较单元，用于将所述发电机存在所述当前力元关系的两个磁极间的切向距离与预设标准值进行比较；

力元判定单元，用于当所述第一比较单元的比较结果为所述切向距离小于所述预设标准值，则判断所述当前力元关系没有改变；当所述第一比较单元的比较结果为所述切向距离不小于所述预设标准值，则判断所述当前力元关系发生改变。

优选的，所述测量模块包括：

第一测量单元，用于测量当前所述发电机存在力元关系的两个磁极各自的旋转半径；

第一获取单元，用于获取当前所述发电机的定子与转子的偏心距以及偏心角，其中，所述偏心距是指所述发电机的定子旋转中心与转子旋转中心之间的距离；所述偏心角是指所述定子旋转中心和所述转子旋转中心的连接线与所述发电机的转子磁极和所述转子旋转中心的连接线之间的夹角；

第一计算单元，用于利用所述旋转半径、所述偏心距以及当前偏心角，计算所述发电机存在力元关系的两个磁极间的当前气隙长度。

优选的，所述信息获取模块包括：

第二获取单元，用于获取当前发电机的定子与转子之间的轴向位移；和/或；

第三获取单元，用于获取当前发电机的定子与转子之间的倾斜角度。

优选的，所述控制模块还包括：

判断单元，用于判断所述发电机是否发生存在力元关系的两个磁极不对中时刻，其中，所述存在力元关系的两个磁极不对中表明当前存在力元关系的两个磁极间的连接延伸线不经过所述发电机的旋转中心；

第二测量单元，用于当所述判断单元的判断结果为是时，测量所述发电机存在力元关系的两个磁极间的当前切向距离；

第四获取单元，用于根据预存的“磁极不对中度-衰减系数”曲线，确定与所述当前切向距离对应的衰减系数，其中，所述“磁极不对中度-衰减系数”曲线表明所述发电机存在力元关系的两个磁极间的不同切向距离对应的衰减系数；

修正单元，用于利用所述衰减系数对所述径向电磁力和所述切向电磁力进行修正。

由此可见，与现有技术相比，本申请提供了一种发电机仿真方法及系统，在对设计初期的发电机进行评估时，考虑到发电机产生的电磁力对其结构变形的影响，以及因发电机的结构变形等因素对其各磁极处的气隙大小的影响，本申请采用的仿真方式在利用当前电磁力导致发电机结构变形对应的当前变形信息，获得发电机当前变形状态下的“电磁力-气隙长度”曲线，从而利用发电机此时各磁极之间的当前气隙长度以及该“电磁力-气隙长度”曲线，得到当前发电机各磁极间的径向电磁力，对发电机的当前扭矩值进行转换，得到各磁极间的切向电磁力，获得此时发电机各磁极间的当前力元关系，从而按照该当前力元关系，将径向电磁力和切向电磁力施加到发电机的相应磁极上，判断之前获得的当前力元关系是否发生变化，若是，则终止该当前力元关系，建立新的力元关系，从而下一次仿真按照新建立的力元关系，将重新得到的电磁力继续施加到发电机相应磁极上，从而利用多次仿真的仿真结果评估发电机在不同电磁力作用下的振动、变形、气隙等信息，为发电机的设计提供全面、可靠且有效的数据支持，从而避免了潜在问题和风险，缩短研发周期，降低研发成本，并提高了机组设计可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为发电机的传统分析方法示意图；

图2为现有的有限元方法的示意图；

图3为发电机的动态电磁力示意图；

图4为本申请提供的一种发电机仿真方法实施例的流程图；

图5(a)和(b)为本申请提供的一种发电机变形情况示意图；

图6为本申请提供的一种“电磁力-气隙长度”曲线图；

图7为本申请提供的一种动态气隙长度的计算方法示意图；

图8为本申请提供的另一种发电机仿真方法实施例的部分流程图；

图9为本申请提供的一种切向电磁力与径向电磁力的示意图；

图10为本申请提供的又一种发电机仿真方法实施例的部分流程图；

图11(a)和(b)为本申请提供的一种发电机磁极对中示意图；

图12为本申请提供的一种“磁极不对中度-衰减系数”曲线图；

图13为本申请提供的一种发电机仿真系统实施例的结构示意图；

图14为本申请提供的另一种发电机仿真系统实施例的结构示意图；

图15为本申请提供的又一种发电机仿真系统实施例的部分结构示意图；

图16为本申请提供的又一种发电机仿真系统实施例的部分结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更准确理解本申请提供的技术方案，对本文涉及到的技术术语进行以下说明：

磁固动态耦合：“磁”可以指发电机电磁模型，“固”可以指该发电机的结构模型，“耦合”可以指该发电机中电磁与结构的相互作用和影响，“动态”可以指“磁固耦合”状态及其对发电机特性的影响是随着时间推移而实时发生变化的。

力元：表示磁极之间建立的相关作用关系，可以包括力的大小、方向、作用点等。

气隙：发电机定子外圈与转子内圈之间的环形空隙部分。

气隙长度：发电机定子、转子之间环形气隙的径向方向的厚度，即径向距离。需要说明的是，在本申请中，由于该气隙长度是发电机电磁力计算的输入，所以，本申请下文测量得到的气隙长度均为组成力元关系的磁极之间的气隙长度。

在实际应用中，发电机运转引起的振动是不可避免的，而且由于发电机与叶轮塔架刚性连接，发电机的振动很容易引起整机振动，甚至失稳，对此，申请人经研究发现，发电机实际运转过程中，其定子与转子的各磁极间的耦合状态是动态变化，所以，为了保证发电机组设计可靠性，需要在设计初期就能够对该发电机磁固动态耦合特性进行有效评估。

然而，如图1所示，传统的评估方法通常是将发电机的定子和转子所有磁极上的电磁力等效到旋转中心线上，如图1中的F_电磁，其只能从整体考虑电磁力的影响，无法考虑磁固动态耦合特性，无法考虑电磁力的分布等特性，显然，这种简化模型与发电机实际受力方式相差很大，根本无法用于评估发电机整机气隙、振动和载荷等信息，从而无法为发电机的设计提供可靠且有效的数据支持。

为此，目前提出了一种利用有限元法对发电机进行检测，获得发电机磁固耦合的方法，虽然其考虑到了电磁力的分布特性，但其获得的是发电机的定子与转子相对静止情况下的磁固耦合特性，其也无法描述发电机运行过程中的动态特性，从而为发电机的设计提供全面且有效的数据支持。

具体地，如图2所示简易图，若图中的A、B、C、D、E、F…表示发电机转子磁极，a、b、c、d、e、f…表示该发电机定子磁极，需要说明的是，发电机的定子和转子整个圆周上都均匀分布着磁极，图2仅示出了一部分磁极。在发电机的实际运行过程中，其定子磁极与转子磁极之间会产生相互作用力，构成力元关系，图2以弹簧形状表示定子磁极与转子磁极之间的力元关系，由图2可知，每个定子磁极与其相邻的两个转子磁极都存在力元关系，同时，每个转子磁极与其相邻的两个定子磁极都存在力元关系。

然而，在发电机的实际应用中，由于其转子旋转，而定子是固定的，所以，其定子磁极和转子磁极之间的相邻关系会时刻发生变化，旋转前后两个时刻的力元作用点也会发生改变，例如，当发电机的转子从图2所示的时刻运转到图3所示的时刻过程中，定子磁极a将由初始的与转子磁极A和B存在力元关系，转换为该定子磁极a与转子磁极Z和A存在力元关系，其他磁极以此类推，随着转子位置的不断变化，定子磁极和转子磁极之间的力元作用点将时刻改变，很明显，现有的有限元方法并不能更新发电机的力元关系，从而导致其所得检测结果不准确，即导致为发电机的设计提供的数据不准确。

为了改善上述问题，本申请提供了一种发电机检测方法及系统，在对设计初期的发电机进行评估时，考虑到发电机产生的电磁力对其结构变形的影响，以及因发电机的结构变形等因素对其各磁极处的气隙大小以及磁极间的力元关系的影响，提高了一种发电机仿真方法，具体实现可参照下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图4所示，为本申请提供的一种发电机仿真方法实施例的流程图，可见，本申请提供的各实施例均可以是利用电子设备对发电机工作情况的仿真测试过程，并非是对真实发电机的检测过程。在实际应用中，本实施例提供的仿真方法可以包括以下步骤：

步骤S41：获取发电机的当前变形信息，并确定与该当前变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线。

在实际应用中，尤其是在发电机运行过程中，由于发电机的定子与转子之间气隙的动态变化等因素，通常会使发电机发生变形，如其定子与转子之间的相对位置的改变等，从而影响该发电机的电磁力；而且，当电磁力作用到发电机结构体上也会引起该发电机结构变形。

为了能够准确掌握发电机的动态特性，本申请可以实时检测发电机的变形情况，本实施在此以发电机的轴向变形和倾斜变形的检测为例进行说明。

具体的，结合图5(a)和(b)所示的发电机的变形示意图，本申请可以在发电机旋转中心设置位移传感器51，如图5(a)所示，来采集该发电机的定子与转子之间的轴向位移△，即该定子与转子同轴方向的移动距离；同时，还可以在该定子和/或转子半径处边缘设置角位移传感器，如图5(b)所示的第一角位移传感器52和第二角位移传感器53，从而利用角位移传感器采集到的数据得到该发电机的定子与转子之间的倾斜角度θ。

基于此，本申请获得的当前变形信息可以包括发电机的定子与转子之间的轴向位移和/或倾斜角度等，但并不局限于此；而且，对于检测该轴向位移和倾斜角度的方式也并不局限于上述列举的方式。

可选地，在本实施例中，可以通过对利用有限元法得到的发电机电磁模型进行计算，在考虑发电机可能会产生的气隙范围、发电机定子与转子之间的轴向以及倾斜方向可能会出现的变形的情况下，获得各种组成情况下的电磁力，之后，通过整合发电机不同变形情况下的“电磁力-气隙长度”曲线(如图6所示)，得到该发电机的“电磁力-气隙长度”曲线库，从而使该曲线库中的每一条“电磁力-气隙长度”曲线都对应发电机的一组变形信息，即一组轴向位移和/或倾斜角度。

其中，为了提高该“电磁力-气隙长度”曲线的可靠性，可以在上述计算过程中可能的变形范围内考虑尽可能多的变形信息组合，使得该变形信息组合至少满足线性插值的需要。

需要说明的是，本申请对上述变形信息与各“电磁力-气隙长度”曲线的存储方式不作限定，需要能够表明两者之间的对应关系，以便在实际仿真过程中准确获取所需信息，本申请在此不再一一列举。

基于此，在实际仿真过程中，当获得发电机的当前变形信息后，可以通过搜索预设的“电磁力-气隙长度”曲线库，直接获得与该当前变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线；当未搜索到与当前变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线，本申请可以按照上述构建发电机的“电磁力-气隙长度”曲线库中的每一个“电磁力-气隙长度”曲线的方式，利用该曲线库中预存的与当前变形信息的相似度最大的数据(即与当前变形信息最接近的数据)进行线性插值运算，从而得到一个新的“电磁力-气隙长度”曲线用于本次仿真。同时，还可以将其以及其与当前变形信息的对应关系存储到“电磁力-气隙长度”曲线库中，以便后续仿真时进行查询或调用。

其中，本申请对变形信息之间的相似度的计算方式，以及上述线性插值运算的具体过程均不作限定。

S42：测量发电机各磁极间的当前气隙长度，并根据确定的“电磁力-气隙长度”曲线得到发电机各磁极间的径向电磁力；

在实际应用中，由于发电机存在安装偏心、结构变形等不确定因素，将导致发电机各磁极处的气隙大小不同，为了提高本申请仿真结果的准确性，本申请可以通过仿真方式测量发电机各磁极处的气隙，即测量此时发电机存在力元关系的两个磁极间的径向距离，如图7所示，以任意一个转子磁极X以及与其存在力元关系的定子磁极x为例，这两个磁极之间的径向距离71即气隙长度。需要说明的是，图7是为了说明气隙长度的计算原理对上述各参量的夸张放大，并不表示实际大小。

可选地，为了准确得知发电机各磁极间的当前气隙长度，即所有存在力元关系的定子磁极与转子磁极之间的气隙长度，本申请可以按照图8所示的方法实现，具体的可以包括：

步骤S421：测量当前发电机存在力元关系的两个磁极各自的旋转半径。

其中，上述力元关系可以是发电机中各磁极间当前存在的最新的力元关系，具体获取过程可参照下文对应部分描述，本实施例在此不再详述。

在确定发电机当前存在的力元关系后，可以测量每一个力元关系对应的一个定子磁极的旋转半径r和一个转子磁极的旋转半径R，通常情况下，该定子磁极的旋转半径r为定子外圈半径，而转子磁极的旋转半径R可以为该转子内圈半径，本申请对此不作限定。

需要说明的是，关于本申请涉及到的各参量实际上都是通过仿真得到的，并非是通过对实体发电机测量得到的，本申请在下文不再一一说明。

步骤S422：获取当前发电机的定子与转子的偏心距以及偏心角。

结合上述图7所示的动态气隙计算方法示意图，发电机的偏心距可以为定子旋转中心O₁与转子旋转中心O₂之间的距离ε，而偏心角可以为定子旋转中心O₁与转子旋转中心O₂的连接线与转子磁极X和转子旋转中心O₂的连接线之间的夹角α，可见，在同一状态下，不同转子磁极的偏心角是不同的。

步骤S423：利用上述旋转半径、偏心距以及偏心角，计算存在力元关系的两个磁极间的当前气隙长度。

可选的，在实际仿真过程中，可以利用预设公式计算磁极之间的当前气隙长度L，该预设公式表示可以为：

L＝R-r-ε*cos(α)； (1)

由此可见，本申请在计算磁极之间的气隙长度时，考虑定子和转子的柔性变形因素、各种偏心以及轴承变形等因素，还考虑到了磁极不对中等因素，从而使得到的磁极动态气隙长度误差极小，更加接近发电机的真实数值，提高了对发电机动态特性评估的准确性。

之后，本申请可以直接利用测量得到的此时发电机各磁极间的当前气隙长度，查找上述确定的“电磁力-气隙长度”曲线中与该当前气隙长度对应的电磁力。结合上述对气隙长度的分析可知，与气隙长度对应的电磁力实际上是沿定子和转子半径方向的径向电磁力，也就是说，本实施例可以利用各磁极间的当前气隙长度以及“电磁力-气隙长度”曲线，得到发电机各磁极间的径向电磁力。

步骤S43：对发电机的当前扭矩值进行转换，得到发电机各磁极间的切向电磁力；

在实际应用中，关于发电机各磁极之间的电磁力，如图9所示，通常可以包括沿定子和转子半径方向的径向电磁力，以及沿定子和转子切向方向的切向电磁力，而且，具有力元关系的两个磁极之间的电磁力是相互作用力，以图9中转子磁极A和定子磁极a为例，从图中的电磁力分析可知，无论是这两个磁极的切向电磁力F_切向力，还是径向电磁力F_径向力都是相互作用力。

其中，发电机的当前扭矩值可以基于从外部控制器接收到的扭矩信号获得，之后，本实施例可以将其等效为各磁极之间的切向电磁力，具体可以利用发电机的当前扭矩值，以及转子的旋转半径和磁钢数量等参量计算得到该切向电磁力，但并不局限于此。

步骤S44：获得发电机各磁极间的当前力元关系；

步骤S45：按照该当前力元关系，将上述径向电磁力和切向电磁力施加到发电机的相应磁极上。

可选地，结合上述图2和图3可知，传统的力元关系是都用一根弹簧将两个固定点连接起来，这两个固定点与一根弹簧组成了一个力元关系，然而，在实际应用中，由于发电机转子的旋转，将会导致发电机定子磁极与转子磁极之间的力元关系动态变化，为了保证仿真结果的准确性，本申请将获得此时发电机各磁极间的当前力元关系即最新力元关系，从而按照该最新力元关系，将得到的电磁力施加到发电机的相应磁极上。

步骤S46：判断上述当前力元关系是否发生变化，若否，进入步骤S47；若是，执行步骤S48；

在实际仿真中，将得到的径向电磁力和切向电磁力施加到发电机相应的磁极上后，该发电机的结构会发生形变，可能会导致施加电磁力之间发电机各磁极间的力元关系发生变化。所以，本申请为了实现可靠仿真，并提高仿真结果的准确率，此时，可以判断施加电磁力之间的发电机各磁极间的力元关系是否发生变化。

可选的，本申请可以利用磁极间的切向距离来判断磁极间力元关系的变化，从而实现动态力元关系的测量，但并不局限于此。

具体的，可以基于发电机的磁极数量和气隙直径等参量，来预先设定一个判断磁极间是否发生力元关系的标准值，在实际仿真过程中，通过将发电机存在上述当前力元关系的两个磁极间的切向距离与预设标准值进行比较，若切向距离小于该预设标准值，可以判定该当前力元关系没有改变；反之，判定该当前力元关系发生了改变。

步骤S47；维持上述当前力元关系不变；

步骤S48：终止上述当前力元关系，并建立新的力元关系。

可选地，当终止磁极间的力元关系后，本申请可以通过搜索被终止力元关系的磁极周边与其满足力元关系的其他磁极，来建立新的力元关系，本申请对建立新的力元关系的具体实现方式不作限定。

在本实施例中，完成上述步骤S47和步骤S48之后，利用重新检测此时发电机结构发生变形而呈现出的当前变形信息，并按照上述流程继续进行仿真，直至仿真次数、仿真时间或者是仿真结果等信息满足预设仿真要求，可以结束对该发电机的仿真。

更具地说，本申请可以在预设完成对发电机各种工况(如不同转速等)下的工作情况(如振动幅值、变形大小、气隙长度等)的仿真所需的时间，再将这个时间划分成多个时间步长，之后，在每一个时间步长里都按照上述仿真方法进行一次仿真。其中，每一次开始仿真时所需的发电机的变形信息，可以是上一次仿真导致发电机结构变形后得到的变形信息。当仿真时间达到预设的该工况对应的仿真时间，可以根据多次仿真得到的仿真结果，分析该工况下发电机在不同电磁力作用下的振动、变形、气隙等信息，为发电机的设计提供全面、可靠且有效的数据支持，提高机组设计可靠性。

可选的，本申请在对每个工况下的发电机进行仿真时，也可以直接设定仿真次数，若完成本次仿真后，当前仿真次数达到预设仿真次数，结束仿真；反之，可以按照上述仿真方法继续仿真。当然，本申请还可以按照其他标准或要求实现对发电机的多次仿真，本申请在此不再一一列举。

其中，在完成对发电机的多次仿真后，可以利用多次仿真得到的发电机的变形、振动、电磁力等信息，构成对应类型的曲线，从而得知该发电机在当前工况下，发电机的最大变形以及振动等参数是否符合设计要求，若这些参数均在允许范围内，认为对该发电机的设计是合格的；反之，说明该发电机的设计不合格，需要重新设计，且对于重新设计的发电机的仿真，可以按照上述方法实现，直至得到的所有参数满足设计要求为止。

另外，若本次仿真结果满足预设仿真要求，可以调整发电机的当前工况，如调整发电机转速等，继续按照上述仿真方法对调整工况后的发电机继续仿真，以发电机在其他工况下的最大变形以及振动等参数，为发电机的设计提供可靠数据支持。

综上，本申请充分考虑了发电机的电磁力对其结构变形的影响，以及该结构变形等因素，使得发电机各磁极间的力元关系以及气隙大小等参数动态变化关系，采用上述描述的仿真方法，准确获得了发电机在不同工况下(如不同转速等)的工作情况，如振动幅值、变形大小以及气隙长度等信息，从而为发电机的设计提供了全面、可靠且有效的数据支持，大大提高了机组设计可靠性。

进一步，在上述实施例的基础上，本申请还可以考虑发电机运转过程中，磁极间的不对中对发电机的电磁力的影响，实现对上述实施例得到的径向电磁力和切向电磁力的修正，从而提高仿真结构的可靠性。

具体的，如图10所示，在上述实施例的基础上，仿真方法还可以包括：

步骤S101：判断发电机是否发生存在力元关系的两个磁极不对中时刻，如果是，进入步骤S102；如果否，结束流程。

在本实施例实际应用中，当确定存在力元关系的转子磁极与定子磁极间连线延长线不经过旋转中心o(即定子旋转中心或转子旋转中心)时，如图11(a)所示，说明该发电机的两个磁极并未完全对中，即存在两个磁极不对中的时刻，此时，磁极间的电磁力将会变小，且磁极间的切向距离L0也不为零；而当确定磁极连线延长线经过旋转中心o时，如图11(b)所示，磁极之间的电磁力最大，且磁极间的切向距离为零。

基于此，本申请可以利用存在力元关系的两个磁极(即定子磁极与转子磁极)间的切向距离来表示这两个磁极间的不对中度，即发电机的旋转中心与这两个磁极间连接延长线的距离。其中，当定子磁极与转子磁极之间的切向距离L0越大，表明磁极间的不对中度越大，即磁极间的对中情况越差，而且，发电机的电磁力也会越小；反之，磁极间的切向距离L0越小，对中情况越好，发电机的电磁力越大，且当该切向距离L0为零时，发电机的电磁力最大

由此可见，发电机的转子磁极与定子磁极不对中将会影响其电磁力，所以，本申请可以对发电机的转子磁极与定子磁极的对中情况进行检测，以便据此得到当前发电机更加准确的电磁力。

步骤S102，测量发电机存在力元关系的两个磁极间的当前切向距离。

结合上述描述，在本实施例中发电机的两个磁极之间的切向距离可以表明这两个磁极间的不对中度，即两个磁极之间的切向距离越大，表明这两个磁极之间的不对中度越严重。

步骤S103：根据预存的“磁极不对中度-衰减系数”曲线，确定当前切向距离对应的衰减系数。

其中，预存的“磁极不对中度-衰减系数”曲线可以通过对建立的发电机模型进行修改，具体通过修改磁极之间的切向距离来改变磁极之间的不对中度，之后，计算不同不对中度下磁极之间的电磁力大小，从而通过对得到的电磁力以及切向距离进行归一化处理，得到“磁极不对中度-衰减系数”曲线，如图12所示。

可见，“磁极不对中度-衰减系数”曲线可以表明发电机存在力元关系的两个磁极间的不同切向距离对应的衰减系数,在实际应用中，确定发电机的磁极之间存在不对中时刻后，可以通过对该“磁极不对中度-衰减系数”曲线进行插值，得到与当前发电机的磁极间的当前切向距离对应的衰减系数。

步骤S104：利用衰减系数对径向电磁力和切向电磁力进行修正。

具体地，本申请可以将衰减系数分别与径向电磁力初始值和切向电磁力初始值的乘积结果作为发电机的电磁力，可见，当磁极之间存在不中对时，不对中的电磁力＝对中时电磁力×衰减系数。

需要说明的是，关于对初始得到的发电机的径向电磁力和切向电磁力的修正方法，并不局限于上述图10所示的流程。

综上，结合本实施例提供的电磁力修改方法，可以计算得到发电机运转过程中产生的实际电磁力，从而提高因电磁力施加到发电机磁极上而引发的结构变形的准确性，进而提高仿真结果的可靠性。

如图13所示，为本申请提供的一种发电机仿真系统的结构示意图，在实际应用中，通过该系统实现对发电机的仿真，从而为其设计提供全面、可靠且有效的技术数据，达到避免潜在问题和风险、缩短研发周期，降低研发成本，以及提高机组设计可靠性的技术效果。具体的，本实施例提供的发电机仿真系统可以包括：

信息获取模块131，用于获取发电机的当前变形信息，并确定与该当前变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线。

在实际仿真过程中，上述当前变形信息通常是上一次仿真得到的电磁力施加到发电机相应磁极上产生的。

其中，关于本实施例中“电磁力-气隙长度”曲线的具体获取过程可参照上述方法实施例对应部分的描述，本实施例在此不再一一详述。

测量模块132，用于测量发电机各磁极间的当前气隙长度。

本实施例可以结合上图7实现气隙长度的描述，具体过程可参照上述方法实施例对应部分的描述。

计算模块133，用于根据“电磁力-气隙长度”曲线得到发电机各磁极间的径向电磁力，并对发电机的当前扭矩值进行转换，得到发电机各磁极间的切向电磁力。

控制模块134，用于获得发电机各磁极间的当前力元关系，并按照该当前力元关系，将上述计算得到的径向电磁力和切向电磁力施加到发电机的相应磁极上，判断上述当前力元关系是否发生改变，若是，则终止该当前力元关系，并建立新的力元关系后，触发信息获取模块131重新获取发电机的当前变形信息继续进行仿真。

可选的，由于发电机实际运转过程中，各磁极间的力元关系实际上是动态变化的，所以，为了保证对发电机仿真结果的准确性，本申请可以判断发电机各磁极间的力元关系是否发生改变，以使得到的电磁力能够按照最新的力元关系施加到发电机的相应磁极上，并及时判断发电机各磁极间的力元关系是否会因为施加该电磁力而发生改变等，可见，本申请对判断发电机各磁极间的力元关系是否发生变化的具体阶段不作限定，需要在向发电机相应磁极施加电磁力之前，得到发电机各磁极间当前的最新力元关系，以提高仿真可靠性。

其中，为了判断发电机各磁极间的力元关系是否发生变化，如图14所示，上述控制模块134可以包括：

第一比较单元1341，用于将发电机存在上述当前力元关系的两个磁极间的切向距离与标准值进行比较。

其中，预设标准值可以发电机气隙平均直径以及发电机的磁极数量确定，本申请并不限定确定预设标准值的具体方法，且需要仿真的发电机结构确定后，该预设标准值在对该发电机的仿真过程中可以固定不变。

力元判定单元1342，用于当该切向距离小于标准值时，判断上述当前力元关系没有改变，可以继续维持磁极间的当前力元关系；反之，终止磁极间的当前力元关系，并建立新的力元关系。

具体的，本申请可以通过搜索被终止力元关系的磁极周边与其满足力元关系的其他磁极，从而利用搜索结果，建立新的力元关系，此时可以按照新建的力元关系，以便后续仿真中将计算得到的电磁力施加到发电机相应的磁极上，完成对该发电机的多次仿真。

需要说明的是，对于发电机的力元关系的更新方式并不局限于上述列举的方式。而且，上述力元关系的动态更新方法不仅适用于风力发电机，同样适用于其他需要考虑动态力元的领域，本实施例在此不再一一详述。

综上所述，本实施例在对设计初期的发电机进行评估时，考虑到发电机产生的电磁力对其结构变形的影响，以及因发电机的结构变形等因素对其各磁极处的气隙大小的影响，通过获取当前电磁力导致发电机结构变形对应当前变形信息后，获得发电机当前变形状态下的“电磁力-气隙长度”曲线，从而利用此时各磁极之间的当前气隙长度，以及该“电磁力-气隙长度”曲线，得到当前发电机各磁极之间的径向电磁力，并对发电机的当前扭矩值进行转换得到各磁极间的切向电磁力，之后，获取发电机各磁极间的当前力元关系，从而按照该当前力元关系，将上述径向电磁力和切向电磁力施加到发电机的相应磁极上，判断之前获得的当前力元关系是否发生变化，若是，则终止该当前力元关系，建立新的力元关系，从而下一次仿真按照新建立的力元关系，将重新得到的电磁力继续施加到发电机相应磁极上，从而利用多次仿真的仿真结果评估发电机在不同电磁力作用下的振动、变形、气隙等信息，为发电机的设计提供全面、可靠且有效的数据支持，从而避免了潜在问题和风险，缩短研发周期，降低研发成本，并提高了机组设计可靠性。

可选的，在上述实施例的基础上，如图15所示，上述测量模块132可以包括：

第一测量单元1321，用于测量当前发电机存在力元关系的两个磁极各自的旋转半径。

在本实施例中，由于组成力元关系的两个磁极是定子上的一个磁极和转子上的一个磁极，所以，测量所得旋转半径可以是定子外圈半径和转子内圈半径，但并不局限于此。

第一获取单元1322，用于获取当前发电机的偏心距以及偏心角。

其中，偏心距可以是转子旋转中心与定子旋转中心之间的距离，偏心角可以是定子旋转中心与转子旋转中心的连接线与转子磁极X和转子旋转中心的连接线之间的夹角。

第一计算单元1323，用于利用测量所得旋转半径、偏心距以及偏心角，计算得到存在力元关系的两个磁极间的当前气隙长度。

在实际应用中，可以利用上述公式(1)计算得到组成力元关系的定子磁极与转子磁极之间的当前气隙长度，具体计算过程可参照上述方法实施例对应部分的描述，本实施在此不再赘述。

由此可见，本实施例的测量模块通过上述方式实现了对发电机的动态气隙长度的计算，从而得到发电机在运行过程中气隙的变化情况，且为准确计算发电机此时的电磁力奠定了基础。

作为本申请又一实施例，在上述各实施例的基础上，结合上图5(a)和(b)，本申请上述信息获取模块131可以包括：

第二获取单元，用于获取发电机的定子与转子之间的轴向位移；和/或，第三获取单元，用于获取发电机的定子与转子之间的倾斜角度。

而且，在实际应用中，在发电机结构变形情况不同时，对应的“电磁力-气隙长度”曲线不同，因此，在实际仿真过程中，可以通过搜索预存的与当前变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线，将其作为“电磁力-气隙长度”曲线。当未搜索到与所述当前变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线，利用预存的与当前变形信息的相似度最大的数据进行线性插值运算，得到“电磁力-气隙长度”曲线。

由此可见，本申请通过这种方式获得与发电机当前变形情况最匹配的“电磁力-气隙长度”曲线，为控制模块计算该发电机当前准确的电磁力奠定了基础。

综上，在本实施例中，考虑到了发电机运行过程中，转子旋转造成磁极之间相对位置时刻变化，而使磁极之间的气隙长度也时刻变化的特点，并通过上述测量模块实现了对发电机动态气隙长度的测量，且这种测量方式不仅适用于风力发电机气隙长度测量，同样也适用于其他旋转机械动态气隙的测量领域，本申请在此不再一一详述。

另外，本申请预先计算出了发电机在各种变形情况下的“电磁力-气隙长度”曲线，在实际对发电机进行仿真过程中，能够根据其当前变形信息，获得相匹配的“电磁力-气隙长度”曲线进行分析，具体结合上述测量得到的当前气隙长度以及外接控制器反馈的当前扭矩值，得到发电机此时的电磁力(其包括径向电磁力和切向电磁力)，并按照上述更新方法得到的该发电机最新力元关系，将该电磁力施加到相应的磁极上，使其定子磁极的电磁力与转子磁极的电磁力互为反作用力，如此反复仿真，最终得到仿真结果，用来支持发电机的设计，避免其潜在问题和风险，缩短研发周期，降低研发成本，并提高机组设计可靠性。

作为本申请又一实施例，结合上述实施例的描述可知，当发电机在运转过程中，各磁极间的切向距离发生变化时，发电机各磁极的电磁力也会发生变化，所以，为了进一步提高上述对发电机的仿真结果的准确率，在上述各实施例的基础上，本实施例还可以判断上述计算得到的电磁力是否需要修正，即如图16所示，上述控制模块134还可以包括：

判断单元1341，用于判断发电机是否发生存在力元关系的两个磁极不对中时刻。

其中，两个磁极之间的不对中表明当前存在力元关系的两个磁极间的连接延伸线不经过发电机的旋转中心，如图11(a)所示，而且，磁极间的不对中度可以通过这两个磁极之间的切向距离表示，通常情况下，切向距离越大，不对中度越大，即磁极的对中情况越差，相应的发电机的电磁力也会越小。

第二测量单元1342，用于当判断单元1341的判断结果为是时，测量发电机的每个力元关系对应的两个磁极之间的当前切向距离。

第四获取单元1343，用于根据预存的“磁极不对中度-衰减系数”曲线，确定与磁极间的当前切向距离对应的衰减系数。

在本实施例中，该“磁极不对中度-衰减系数”曲线可以如图12所示，其表明所述发电机存在力元关系的两个磁极间的不同切向距离对应的衰减系数，但并不局限于图12所示的曲线。

修正单元1344，用于利用衰减系数对径向电磁力和切向电磁力进行修正。

需要说明的是，本实施例对上述各实施例得到的各磁极间初始的径向电磁力和切向电磁力的修正方式不作限定，可以利用上述得到的衰减系数进行修改，也可以采用其他方式进行修正，本实施例在此不再一一列举。

由此可见，结合本实施例提供的电磁力修改方法，可以计算得到发电机运转过程中产生的实际电磁力，从而提高因电磁力施加到发电机磁极上而引发的结构变形的准确性，进而提高仿真结果的可靠性。

最后，需要说明的是，关于上述各实施例中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个操作、单元或模块与另一个操作、单元或模块区分开来，而不一定要求或者暗示这些单元、操作或模块之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者系统中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种发电机仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

获取发电机的当前定子与转子之间的变形信息，并确定与所述当前定子与转子之间的变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线；

测量所述发电机各磁极间的当前气隙长度，并根据所述“电磁力-气隙长度”曲线得到所述发电机各磁极间的径向电磁力；

对所述发电机的当前扭矩值进行转换，得到所述发电机各磁极间的切向电磁力；

获得所述发电机各磁极间的当前力元关系；

按照所述当前力元关系，将所述径向电磁力和所述切向电磁力施加到所述发电机的相应磁极上；

判断所述当前力元关系是否发生改变，如果是，终止所述当前力元关系，并建立新的力元关系后，返回所述获取发电机的当前定子与转子之间的变形信息的步骤；

其中，判断所述当前力元是否改变，包括：

将所述发电机存在所述当前力元关系的两个磁极间的切向距离与预设标准值进行比较；

如果所述切向距离小于所述预设标准值，则判断所述当前力元关系没有改变；

如果所述切向距离不小于所述预设标准值，则判断所述当前力元关系发生改变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量所述发电机各磁极间的当前气隙长度，包括：

测量当前所述发电机存在力元关系的两个磁极各自的旋转半径；

获取当前所述发电机的定子与转子的偏心距以及偏心角，其中，所述偏心距是指所述发电机的定子旋转中心与转子旋转中心之间的距离；所述偏心角是指所述定子旋转中心和所述转子旋转中心的连接线与所述发电机的转子磁极和所述转子旋转中心的连接线之间的夹角；

利用所述旋转半径、所述偏心距以及所述偏心角，计算所述发电机存在力元关系的两个磁极间的当前气隙长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取发电机的当前变形信息，包括：

获取当前发电机的定子与转子之间的轴向位移；和/或；

获取当前发电机的定子与转子之间的倾斜角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到所述发电机各磁极间的径向电磁力以及切向电磁力之后，所述方法还包括：

判断所述发电机是否发生存在力元关系的两个磁极不对中时刻，其中，所述存在力元关系的两个磁极不对中表明当前存在力元关系的两个磁极间的连接延伸线不经过所述发电机的旋转中心；

如果是，测量所述发电机存在力元关系的两个磁极间的当前切向距离；

根据预存的“磁极不对中度-衰减系数”曲线，确定所述当前切向距离对应的衰减系数，其中，所述“磁极不对中度-衰减系数”曲线表明所述发电机存在力元关系的两个磁极间的不同切向距离对应的衰减系数；

利用所述衰减系数对所述径向电磁力和所述切向电磁力进行修正。

5.一种发电机仿真系统，其特征在于，所述系统包括：

信息获取模块，用于获取发电机的当前定子与转子之间的变形信息，并确定与所述当前定子与转子之间的变形信息匹配的“电磁力-气隙长度”曲线；

测量模块，用于测量所述发电机各磁极间的当前气隙长度；

计算模块，用于根据所述“电磁力-气隙长度”曲线得到所述发电机各磁极间的径向电磁力，并对所述发电机的当前扭矩值进行转换，得到所述发电机各磁极间的切向电磁力；

控制模块，用于获得所述发电机各磁极间的当前力元关系，并按照所述当前力元关系，将所述径向电磁力和所述切向电磁力施加到所述发电机的相应磁极上，判断所述当前力元关系是否发生改变，如果是，终止所述当前力元关系，并建立新的力元关系后，触发信息获取模块重新获取发电机的当前定子与转子之间的变形信息；

其中，所述控制模块包括：

第一比较单元，用于将所述发电机存在所述当前力元关系的两个磁极间的切向距离与预设标准值进行比较；

力元判定单元，用于当所述第一比较单元的比较结果为所述切向距离小于所述预设标准值，则判断所述当前力元关系没有改变；当所述第一比较单元的比较结果为所述切向距离不小于所述预设标准值，则判断所述当前力元关系发生改变。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述测量模块包括：

第一测量单元，用于测量当前所述发电机存在力元关系的两个磁极各自的旋转半径；

第一获取单元，用于获取当前所述发电机的定子与转子的偏心距以及偏心角，其中，所述偏心距是指所述发电机的定子旋转中心与转子旋转中心之间的距离；所述偏心角是指所述定子旋转中心和所述转子旋转中心的连接线与所述发电机的转子磁极和所述转子旋转中心的连接线之间的夹角；

第一计算单元，用于利用所述旋转半径、所述偏心距以及当前偏心角，计算所述发电机存在力元关系的两个磁极间的当前气隙长度。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信息获取模块包括：

第二获取单元，用于获取当前发电机的定子与转子之间的轴向位移；和/或；

第三获取单元，用于获取当前发电机的定子与转子之间的倾斜角度。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制模块还包括：

判断单元，用于判断所述发电机是否发生存在力元关系的两个磁极不对中时刻，其中，所述存在力元关系的两个磁极不对中表明当前存在力元关系的两个磁极间的连接延伸线不经过所述发电机的旋转中心；

第二测量单元，用于当所述判断单元的判断结果为是时，测量所述发电机存在力元关系的两个磁极间的当前切向距离；

第四获取单元，用于根据预存的“磁极不对中度-衰减系数”曲线，确定与所述当前切向距离对应的衰减系数，其中，所述“磁极不对中度-衰减系数”曲线表明所述发电机存在力元关系的两个磁极间的不同切向距离对应的衰减系数；

修正单元，用于利用所述衰减系数对所述径向电磁力和所述切向电磁力进行修正。