最终结构对电磁力的影响在1550 MW核电发电机的绕组

文摘

三维电磁模型的地区的1550 MW核发电机设置。渐开线和鼻子上的电磁力的部分端绕组额定操作以下通过3 d时间步有限元方法。在不同的线圈电磁力在同一阶段进行了分析。通过改变转子的相对长度和定子线圈的三维电磁模型线性长度,端绕组上的电磁力分布。每个结构变化对电磁力的影响,详细研究了不同的方向。结论可以帮助减少端绕组上的电磁力通过优化最终区域设计。

1。介绍

振动引起的电磁力可以严重损害(端绕组输电线1,2]。可以大大提高电磁力发电机容量的增加,从而使大型发电机更容易受到振动。应该减少振动,确保端绕组的安全。简单地加强和提高支持结构可以减少电磁力的伤害,但会导致其他问题,如低利用率的材料和高生产成本(3]。优化终端区域的电磁设计可以减少电磁力和振动没有额外成本。研究最终结构对电磁力的影响在端绕组可以优化的参考。

最后的准确计算电磁场区域和电磁力端绕组电磁力是研究的基础。很多研究专注于计算。

在早期,分析方法被用来计算电磁场的地区。方法根据毕奥萨伐尔定律是最受欢迎的其中之一(4- - - - - -6]。然而,通过分析方法获得的结果的错误是大的,因为最终地区的结构是复杂的。提高准确性,利用数值方法计算。最近,3 d有限元(FE)方法已经成为最受欢迎的方法。王等人。7]提出完整的3 d模型和方法耦合的电磁场和温度场最后地区的大型水轮发电机。他们讨论了网格大小对结果的影响涡流损耗,并获得多个啮合原理。Waldhart et al。8]分析了几种常见的影响简化三维有限元方法的结果的准确性,发现内径的几何细节,定子绕组的准确建模,的正确BH-curve涡流电磁场材料是必不可少的。梁等。9)建立了一个精美的3 d几何模型和计算了磁场和涡流损耗的地区。王等人。10- - - - - -14)计算了电磁场和涡流损失最终地区330 MW发电机组。激励不足的影响(10)、铜盾(11- - - - - -13),安装板(14)电磁场和涡流损失进行了计算和讨论。使用3 d时间步有限元方法,黄等人的磁场和涡流损耗计算的最终组件1550 MW核电发电机和分析不同结构参数的影响在磁场和涡流损耗(15]。

相对较少的研究集中在对端绕组电磁力。简化最终直线电感线圈,理查德et al。16,17)计算电磁力的端绕组600 MW发电机组使用定子的三维电磁模型区域结束。通过et al。18),Drubel et al。19],和Gruning Kulig [20.)上的电磁力计算端绕组根据毕奥萨伐尔定律线电路部分。艾博年et al。21)提出了一种基于积分公式的数值方法计算磁场和部队在大型发电机端绕组。赵et al。22)建立了一个3 d 600 MW汽轮发电机的电磁模型和计算上的电磁力端绕组使用3 d时间步有限元方法。此外,端绕组的振动进行计算,并进行三维有限元结构分析。没有上面的研究分析了最终的结构对电磁力的影响绕组。

本文最后的3 d有限元模型区域的1550 MW核发电机设置。电磁力在端绕组额定操作是通过有限元方法。转子相对长度和定子线圈线性长度设置为不同的值在有限元模型中。径向、切向和轴向力密度分布在不同地区的端绕组。这两个参数对电磁力的影响分析了绕组。结论可以帮助减少电磁部队端绕组通过优化设计。

2。三维有限元模型,对电磁力计算

2.1。物理模型

最后的半速核发生器是相当复杂。最终的核心和绕组的一部分是3 d结构。最后区域包含三个组件:铜盾,压板,按手指。最终的结构如图1。

2.2。数学模型电磁力计算

为了提高计算效率,以下假设:(我)当前在定子和转子绕组的分布是均匀的。(2)的高阶谐波电流和位移电流将被忽略。(3)磁滞效应被忽略。核心材料是各向同性的11]。(iv)解决方案域的横截面的磁场计算如图2。

解决方案域如图2。 , ,和解决方案域的边界。通过采用 , 数学模型的方法,我们可以表达结束地区如下(23,24]: 在哪里表示磁矢势,是电动标量势,导电性,是角频率,是源电流密度。

轴向通量很小 。因此,对称边界条件,这意味着没有通量的脸,设置 。 和远非定子和转子芯,及其磁场较弱。因此,和满足第一个边界条件 。

不能计算出定子电流从上面,因为解决方案域模型只包含地区。因此,一个额外的2 d模型生成器是必需的。二维的解决方案域模型如图3,在那里内部区域和吗解决方案域的外缘。

数学模型可以描述如下:

是由定子电流和转子电流。当发电机在额定工况运行时,转子电流是恒定的,给出了三相定子电流如下: 在哪里之间的角和设在,是同步角速度,是时间,定子相电流的大小。

可以用以下公式计算: 在哪里是额定功率,是额定电压,在额定工况功率因数角。

除此之外,和转子电流可以通过迭代计算。

最后磁场区域,电磁力密度可以计算 在哪里是电磁力密度,线圈的电流,线圈的截面积,磁通密度。

2.3。建模的发电机

1550 MW核采用发电机因为大型发电机的电磁力很大。发电机的基本参数如表所示1。

JMAG 12.1是用于构建模型并进行计算。3 d有限元模型,最后建立地区每该发电机的实际设计。的啮合有限元模型如图4。使用滑动网格,转子的旋转。整个模型包含713386个元素和129854节点。

发电机的2 d有限元模型建立与ANSYS 16.1麦克斯韦。迭代得到的定子和转子电流在额定状态。结果如表所示2。

2.4。模型的验证

实验进行一个1150 MW核电发电机由于1550 MW核电发电机不能用于实验。1150 MW发电机的有限元模型是建立在相同的原则,和1150 MW核电发电机的结构几乎是一样的,但小于1550千瓦的发电机。因此,两种有限元模型的相对误差也有类似的订单。三个探测器设置如图5。比较空载操作之间的磁通密度的计算和实验结果如表所示3。表3表明,该计算方法是合理的,计算结果的相对误差在10%以内。

3所示。对端绕组电磁力

我们应该只有一个绕组上的电磁力分析阶段,因为发电机和每个绕组的电磁力阶段是对称的。分析了电磁力在阶段。提出了发电机,有八个线圈绕组阶段。八个线圈如图编号6。结束线圈可以分为几个部分,这些部分如图的定义7。

不同的线圈的磁场相同的阶段是不同的。因此,在不同的线圈电磁力也不同,如图8。渐开线部分的力量显著变化。一般来说,力量上渐开线部分与线圈数量增加。相反,低的部队渐开线部分与线圈数量减少。上层渐开线部分遭受最大的力量在所有的渐开线部分。鼻子上的电磁力部分小于渐开线部分的力量,他们略有变化。

4所示。对端绕组参数研究电磁力

虽然力量的鼻子部分小于渐开线部分,鼻子上的振动比这更大的一部分的渐开线部分是因为弱约束(22]。的影响最终的结构参数对电磁力的渐开线部分和力的鼻子部分在本节进行了分析。为了简化分析,只有部队线圈8详细研究。只有上层渐开线部分分析了鼻子,因为上下渐开线部分的约束是几乎一样的。

4.1。转子的相对长度的影响

转子相对长度()定义如图9。转子铁心和绕组的长度变化 。当转子芯较长定子铁芯,是正的。相反,当转子核心是短于定子铁芯,是负的。研究了转子相对长度对电磁力的影响,将−75 0和75毫米在有限元模型中。

渐开线部分在0.039上的电磁力分布如图10。大部分的部队同时达到最大值,因为线圈中的电流达到最大值0.039 s。图10表明,径向力是最大的和增加 。切向和轴向力小于径向力的增加和减少 。三个组件的变化是更重要的在接近线性部分(每个渐开线部分在图的右边10)。当不同−+ 75毫米75毫米,最大的电磁力密度变化从2.3×10⁶N / m³2.6×10⁶N / m³,1.2×10⁶N / m³1.0×10⁶N / m³和1.8×10⁶N / m³1.4×10⁶N / m³在径向、切向和轴向方向,分别。

图11显示了最大的电磁力的渐开线部分不同 。图11表明,径向力相对大于切向和轴向力。当从−75毫米增加到+ 75毫米,径向力增加13%,而切向和轴向力降低9%和12%,分别。

鼻子上的电磁力分布如图12。力的大小密度是用来显示力量强度的变化,因为力的方向密度变化方向相反的轴在一些地区的鼻子部分。图12表明,径向和轴向力密度增加 。径向力的变化主要出现在内部的鼻子部分,和轴向力变化主要出现在内部的鼻子的顶端部分的部分。当不同−+ 75毫米75毫米,最大的电磁力密度变化从1.9×10⁶N / m³2.0×10⁶N / m³,1.0×10⁶N / m³1.0×10⁶N / m³和2.1×10⁶N / m³2.2×10⁶N / m³在径向、切向和轴向方向,分别。

鼻子上的最大电磁力与不同的转子部分相对长度如图13。径向力小于切向和轴向力,因为径向力的方向两边的鼻子几乎是相反的一部分,相互抵消。当不同−+ 75毫米75毫米,径向和轴力增加8%和23%,分别,而切向力几乎保持不变。

对于大型发电机端绕组的径向振动是最严重的22]。相对较短的转子可以采用减少的径向振动源。渐开线上的电磁力和鼻子部分小转子相对较短。鼻子上的轴向力部分(尤其是内顶部的一侧)也减少。然而,渐开线部分上的切向和轴向力(特别是对该地区接近结束的线性部分线圈)增加在同一时间。

4.2。定子线圈线性长度的影响

定子线圈线性长度(图中定义)14作为低线性部分的长度超出了定子铁芯。研究的影响在电磁力,设置为221,271,321,371,421毫米的有限元模型。

渐开线部分的电磁力密度分布在0.039 s与不同的定子线圈线性长度如图15。图15表明,径向力和增加略有减少 ,的最大径向电磁力是减少到2.3×10⁶N / m³当从2.7×10是421毫米吗⁶N / m³当是221毫米。切向和轴向力显著增加 。切向和轴向力的最大值增加到1.1×10⁶N / m³和1.8×10⁶N / m³分别的时候从0.9×10是421毫米吗⁶和1.3×10⁶N / m³分别的时候是221毫米。

图16显示了最大的电磁力的渐开线部分不同 。图16表明,径向力相对大于切向和轴向力。当增加从221毫米到421毫米,而切向和径向力减少14%轴力增加17%和24%,分别。

电磁力的分布具有不同密度级的鼻子部分如图17。定子线圈的影响线性长度在电磁力的鼻子很小一部分。一般来说,径向力随定子线圈的线性长度的增加。相反,切向力随定子线圈的线性长度。对变化的轴向力是恒定的定子线圈线性长度。

图18显示了鼻子上的最大电磁力与不同的一部分 。当增加从221毫米到421毫米,径向和轴向力降低9%和17%,分别,而切向力仍然几乎不变。

减少对端绕组径向振动,相对较大的定子线圈可以采用线性长度。因此,渐开线和鼻子部位的径向力和轴向力的鼻子将减少一部分。相比之下,渐开线部分上的切向和轴向力增加。

5。结论

本文最后的3 d有限元模型区域的1550 MW核发电机设置。定子端绕组上的电磁力计算额定操作。在不同的线圈电磁力在同一个阶段。通过改变转子相对长度和定子线圈线性有限元模型,分析了这些参数对电磁力的影响。是得出以下结论:(1)渐开线部分的电磁力随不同线圈在同一阶段和最后一个线圈的上部渐开线部分转动方向遭受最大的力量。鼻子上的电磁力是小于渐开线部分和变化略有不同的线圈。(2)减少转子相对长度减少渐开线和鼻子上的径向力的部分。然而,减少转子相对长度增加了切向和轴向力渐开线部分。(3)定子线圈线性长度可以增加减少端绕组上的径向力。渐开线和鼻子部位的径向力明显下降但渐开线部分上的切向和轴向力同时增加。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的工作是财务支持由中国国家自然科学基金项目(批准号51477015)。

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