CN111062155B - 一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法，其特征在于，基于等效计算的思想，通过采用阻抗边界条件和保持磁密相等的方法，将调相机端部模型的非线性瞬态分析等效为非线性静态分析和线性时谐分析，避免了因趋肤效应带来的单元剖分问题，有效减少了涡流损耗的计算时间，并提高了计算的稳定性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型调相机端部钢制结构构件中涡流损耗的数值计算方法，可用于大型调相机定子端部结构件的损耗、温升计算及结构设计研究中，属于调相机部件损耗及温升计算方法技术领域。
背景技术
大型调相机机中各部件的温升对机组的运行性能有很大影响，同时也是限制调相机容量增加的一个重要原因。大型调相机定子线负荷已达每厘米1300安以上，这将导致调相机端部区域的磁密增加；另外，由于电网需求，调相机可能运行于深度进相工况，这也使得调相机端部磁场会更为集中，端部结构件中的感应涡流有所增大，损耗可能会有所增加，造成调相机端部结构件的局部过热，影响调相机运行的可靠性。因此，在开发之初需对大型调相机端部结构件的涡流损耗进行分析计算，确保其温升能够保持在所选绝缘材料和金属材料允许的限度之内。
现有的计算方法通常采用有限元软件，对调相机端部模型进行瞬态仿真，仿真设定的边界条件是磁场平行条件。然而，对于钢制的端部结构件，由于其磁导率较高，趋肤深度极小，给模型的剖分带来困难；此外，由于仿真涉及非线性导磁材料，最终导致剖分单元数过多、计算时间过长、瞬态仿真不收敛等问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高效、准确、适用各种工况的调相机端部钢制结构件涡流损耗的计算方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立完整端部模型：
按照调相机端部转子、铁心、线圈及结构件的图纸建立大型调相机端部钢制结构件的模型，并配置材料属性，该模型包括部分铁心、阶梯段铁心、压圈、磁屏蔽、端部线圈、转子结构的三维模型；
步骤2：对完整端部模型进行非线性静态磁场分析：
利用有限元软件对步骤1建立的完整端部模型进行给定工况下的静态磁场分析，记录完整端部模型内的磁密最大值；
步骤3：建立简化端部模型：
对步骤1得到的完整端部模型进行简化，得到简化端部模型；
步骤4：对简化端部模型进行线性时谐磁场分析，通过调节载荷保持与步骤2的磁密最大值相等，得到大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗，包括以下步骤：
采用阻抗边界条件设置，对简化端部模型进行线性时谐磁场分析，调整简化端部模型的定子线棒的线电流载荷使简化端部模型的磁密最大值等于步骤2得到的磁密最大值，得到此时的简化端部模型的涡流损耗即为给定工况下大型调相机端部钢制结构件的待求损耗。
优选地，步骤1中，采用CAD计算机辅助设计软件NX建立三维的所述完整端部模型，并将建立的所述完整端部模型导入计算机辅助分析软件comsol中。
优选地，步骤2中，利用有限元软件对完整端部模型进行给定工况下的静态磁场分析时，采用磁场平行边界条件，针对给定工况对定子线棒和转子线圈施加电流载荷，网格剖分采用普通精度。
优选地，步骤3中，对所述完整端部模型进行简化包括以下步骤：
步骤3.1：去除所述完整端部模型中的转子线圈；
步骤3.2：将所述完整端部模型中的定子线棒实体用中心线简化为曲线体；
步骤3.3：去除所述完整端部模型中的钢制端部结构件、铁心和转子的本体，只保留其边界。
优选地，步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：将简化端部模型的铁心、转子边界设置为磁场垂直边界；
步骤4.2：将简化端部模型的边界设置为阻抗边界，根据实际钢材的磁导率、电阻率设置其阻抗边界属性；
步骤4.3：将其余边界设置为磁场平行边界，网格剖分采用普通精度；
步骤4.4：调整简化端部模型的定子线棒的线电流载荷，使时谐分析得到的简化端部模型的磁密最大值等于步骤2得到的磁密最大值，对简化端部模型的表面进行损耗计算，即为给定工况下的大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗。
本发明通过采用阻抗边界条件和保持磁密相等的方法，将调相机端部模型的非线性瞬态分析等效为非线性静态分析和线性时谐分析，避免了因趋肤效应带来的单元剖分问题，有效减少了涡流损耗的计算时间，并提高了计算的稳定性和准确性。
附图说明
图1为本发明提供的计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供了一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法。本发明采用等效计算的方法，将调相机端部模型的非线性瞬态分析等效为非线性静态分析和线性时谐分析，通过模型简化、阻抗边界条件设置和磁密等效，避免了因趋肤效应带来的单元剖分问题，有效减少了涡流损耗的计算时间，并提高了计算的稳定性和准确性，如图1所示，具体步骤为：
步骤1：建立完整端部模型
按照大型调相机端部钢制结构件的图纸采用CAD计算机辅助设计软件NX建立大型调相机端部钢制结构件的三维模型，包括部分铁心、阶梯段铁心、压圈、磁屏蔽、端部线圈、转子结构的三维模型。将建立的三维模型导入计算机辅助分析软件comsol中。
步骤2：对完整端部模型进行非线性静态磁场分析
利用有限元软件对步骤1得到的完整端部模型进行静态磁场仿真分析，仿真采用普通的磁场平行边界条件，针对给定工况对定子线棒和转子线圈施加电流载荷，网格剖分采用普通精度。仿真完成后记录完整端部模型内的磁密最大值。
步骤3：建立简化端部模型
在完整端部模型的基础上进行简化，得到简化端部模型，具体包括以下步骤：
步骤3.1：去除完整端部模型中的转子线圈；
步骤3.2：将完整端部模型中的定子线棒实体用中心线简化为曲线体；
步骤3.3：去除完整端部模型中的钢制端部结构件、铁心和转子的本体，只保留其边界。
步骤4：对简化端部模型进行线性时谐磁场分析，通过调节载荷保持与步骤2的磁密峰值相等，得到端部结构件涡流损耗
采用阻抗边界条件设置，对简化端部模型进行线性时谐磁场分析。调整简化端部模型中定子线棒的线电流载荷使端部结构件的磁密最大值等于步骤2中的磁密最大值的记录值，得到此时的简化端部模型的涡流损耗即为待求损耗，具体步骤为：
步骤4.1：将简化端部模型的铁心、转子边界设置为磁场垂直边界；
步骤4.2：将简化端部模型的边界设置为阻抗边界，根据实际钢材的磁导率、电阻率设置其阻抗边界属性；
步骤4.3：将其余边界设置为磁场平行边界，网格剖分采用普通精度；
步骤4.4：调整简化端部模型的定子线棒的线电流载荷，使时谐分析得到的简化端部模型的磁密最大值等于步骤2中的磁密最大值的记录值，对简化端部模型的表面进行损耗计算，即为给定工况下的大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗。
Claims (5)
1.一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立完整端部模型：
按照调相机端部转子、铁心、线圈及结构件的图纸建立大型调相机端部钢制结构件的模型，并配置材料属性，该模型包括部分铁心、阶梯段铁心、压圈、磁屏蔽、端部线圈、转子结构的三维模型；
步骤2：对完整端部模型进行非线性静态磁场分析：
利用有限元软件对步骤1建立的完整端部模型进行给定工况下的静态磁场分析，记录完整端部模型内的磁密最大值；
步骤3：建立简化端部模型：
对步骤1得到的完整端部模型进行简化，得到简化端部模型；
步骤4：对简化端部模型进行线性时谐磁场分析，通过调节载荷保持与步骤2的磁密最大值相等，得到大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗，包括以下步骤：
采用阻抗边界条件设置，对简化端部模型进行线性时谐磁场分析，调整定简化端部模型的子线棒的线电流载荷使简化端部模型的磁密最大值等于步骤2得到的磁密最大值，得到此时的简化端部模型的涡流损耗即为给定工况下大型调相机端部钢制结构件的待求损耗。
2.如权利要求1所述的一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法，其特征在于，步骤1中，采用CAD计算机辅助设计软件NX建立三维的所述完整端部模型，并将建立的所述完整端部模型导入计算机辅助分析软件comsol中。
3.如权利要求1所述的一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法，其特征在于，步骤2中，利用有限元软件对完整端部模型进行给定工况下的静态磁场分析时，采用磁场平行边界条件，针对给定工况对定子线棒和转子线圈施加电流载荷，网格剖分采用普通精度。
4.如权利要求1所述的一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法，其特征在于，步骤3中，对所述完整端部模型进行简化包括以下步骤：
步骤3.1：去除所述完整端部模型中的转子线圈；
步骤3.2：将所述完整端部模型中的定子线棒实体用中心线简化为曲线体；
步骤3.3：去除所述完整端部模型中的钢制端部结构件、铁心和转子的本体，只保留其边界。
5.如权利要求1所述的一种大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗计算方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：将简化端部模型的铁心、转子边界设置为磁场垂直边界；
步骤4.2：将简化端部模型的边界设置为阻抗边界，根据实际钢材的磁导率、电阻率设置其阻抗边界属性；
步骤4.3：将其余边界设置为磁场平行边界，网格剖分采用普通精度；
步骤4.4：调整简化端部模型的定子线棒的线电流载荷，使时谐分析得到的简化端部模型的磁密最大值等于步骤2得到的磁密最大值，对简化端部模型的表面进行损耗计算，即为给定工况下的大型调相机端部钢制结构件的涡流损耗。
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