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Hong-Chun江,Gui-Ji Tang便桶,Kai太阳,李Wei-Jun Lun, ”静态转子偏心对端绕组部队和振动穿”,旋转机械的国际期刊, 卷。2021年, 文章的ID5554914, 14 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/5554914
静态转子偏心对端绕组部队和振动穿
文摘
为了研究振动穿着规律和强度失效的定子绕组结束之前和之后的静态转子偏心、三维电磁力和随后的机械反应进行了研究。电磁力、应力和变形的端绕组qfsn - 600 - 2 - yhg涡轮发电机计算的有限元方法(FEM)通过一个electromagnetic-structure耦合。径向绕组的振动特性是由实验验证。这表明振动穿在同一层是两个相邻层之间的比这更严重。为不同的层,间期线圈承受更大的风险比innerphase线圈。在同一阶段,最后线圈沿旋转方向穿绝缘的风险最高。静态转子偏心的出现将大大增加电磁力和线圈振动振幅。接近最低气隙的端点相位线圈点是最危险的一个由于持久的过分强调和变形加剧。
1。介绍
定子绕组是实现能量转换的关键部件。随着产能的增加,在发电机定子绕组,尤其是在大型汽轮发电机,将承受更大的电磁力。这样的电磁力将导致绕组振动(1和承受压力2,3]。
学者们重视电磁力/压力线圈。周润发等人使用积分方程方法确定磁场和电磁力导体(4]。汗等人建立了基于图像当前受力分析模型分析(5]。这两种方法的关键是利用毕奥萨伐尔定律计算磁场对地区基于整体性能。艾博年等人进一步证实了这种方法的有效性(6]。这种方法的优点是,它可以获得任意一点的磁通密度。后来,有限元法(FEM)快速发展,越来越多的研究人员利用有限元法研究电磁力量。例如,金等人分析了电磁力的分布在绕组根据毕奥萨伐尔定律和三维有限元法(7),而方舟子等人进行的计算应力分布在大型水灌装潜水电机绕组在稳态和瞬态操作(8,9]。同时,沙龙等人提出了瞬态下的绕组力变异操作在较大的涡轮发电机(10]。除了运行条件(稳态和瞬态情况下),也发现,一些其他因素如速度、功率因数、定子齿的饱和磁场分布绕组连接,凸极的形状也会影响力量大小(11,12]。随后,减少波动产生的电磁力,梁等人设计了一个新的结构的定子绕组根据电磁力特性(13]。补充地,通过分析在不同的时刻,不同的电磁力棒包等人发现,电磁力突变通常发生在过渡的一部分渐开线(14]。Ohtaguro等人研究了机械应变的绕组高压旋转的机器和使用的应变仪验证测试(15),发现菌株的定子绕组由于电磁力将大机器开始。作者也进行了三维有限元计算端绕组部队以及600 MW汽轮发电机的机械响应,鼻子部分,根,中间部分是最危险的位置损坏(1]。
除了电磁力、压力和紧张,还有另一个重要参数,即。绕组振动。电磁力和轴向磁通永磁同步机的振动与三种不同的绕组永磁同步电动机的计算是通过陆等人基于多重物理量分析(16]。帕特尔和巴特勒光学测试端绕组振动位移追随者在一个大型2-pole发生器(17]。发现名义振动振幅大约是76 - 102μm,在领先力量因素模式下,振动将会增加到185μm。实际上,越来越多的大型发电机安装了光电转换型光纤加速度计等传感器,监控端线圈的径向振动。以来上的电磁力线圈有著名的第二次谐波,它要求对大型发电机的固有频率端绕组应尽可能远离第二谐振频率(1]。找出一个更全面的结果,森和石川澄清之间的关系径向电磁力,固有频率和振动速度(18),而杨和陈提出了频率的一般表达式和相应的模式数量的永磁同步电机的径向力谐波永磁同步电动机的三相对称双层绕组(19]。此外,Ishibashi等人的固有频率计算钢芯和绕组,发现随着环的配置变得更加复杂,固有频率的数量将会增加,而固有频率的精确值将下降(20.]。
到目前为止,大多数的调查结束绕组是集中在正常情况下/名义操作,而错误的情况下,用更少的关注。发现端绕组上的电磁力将显著增加三相短路条件(21]。与此同时,李等人也发现,磁场最后地区将大大改变了同步的阶段发生时,和大型脉冲电流可能损坏绕组绝缘(22]。此外,它也指出,短路或短路的位置会影响电磁力以及最终在同步发电机绕组的振动特性(23]。作者也进行了一些初步的奇次谐波,发现电磁力将会增加,而甚至谐波将减少转子绕组匝间短路时(24]。此外,研究转子振动(25),磁通密度(26),相电流(27),电磁转矩(28),转子振动特性(29日),轴电压(27,30.)在静态气隙偏心也被提出。然而,如何将端绕组力变化和静态转子的振动响应不同偏心情况下还没有被研究过。
转子偏心情况,电磁力以及一些绕组的振动将会加剧,以及随后绝缘穿失败后可能会发生的长期性能。由于转子偏心是很常见,几乎存在于每一个发生器,它是重要的研究绕组力特性以及振动响应。在本文中,我们研究了电磁力特性以及随后的机械反应结束的600 MW汽轮发电机绕组。本文的其余部分构造如下。定性的电磁力公式最终绕组在静态转子偏心派生部分2,而有限元分析和实验研究进行的部分3和部分4,分别。基于理论、有限元分析和试验研究,最终得出主要的结论部分5。
2。分析电磁力
转子绕组分布和连接关系如图1(一)和1 (b)。绕组磁动势(MMF)可以获得基于叠加原理。生成的MMF线圈如图1 (c)任意一点,MMF的圆周位置角(如图1 (d))可以写成 与
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
在哪里和分别是当前和匝数,然后呢的比例吗转子线圈节距的极距。转子绕组MMF及其傅里叶级数可以写成 在哪里
的因素和有相同的值th和(17- - - - - - )th线圈和转子旋转的角频率 。转子绕组MMF可以减少
MMF波形和频谱在数字展出1 (e)和1 (f),分别。结果表明,MMF是一个阶梯波,主要包含奇谐波组件。
单位面积上的磁导(以后,它被编写为单位透过)在气隙是倒生的比例径向气隙长度,可以扩大通过幂级数和写成 在哪里 是正常的单位浸透, 离心率率,偏心值,显示在图吗1 (d)。
气隙的磁通密度(打码)可以通过MMF乘以单位浸透,也就是说,
因此,定子绕组电流可以写成
在哪里感生电动势,是有效的绕组的轴向长度,是线圈栏的速度降低了磁通线,绕组的电抗,每阶段,槽数轮到每卷数量,是发电机的内部功率角,的曲折因子吗谐波。可以被描述为绕组的因素 在哪里两个相邻槽之间的角度,定子线圈节距,定子极距。绕组的谐波系数如图所示1 (g)。
定子绕组MMF根据叠加原理也可以获得。它可以写成
根据方程(8)和(10)和数字1 (f)和1 (g)奇怪,定子绕组的电流仅包含谐波,与第一谐波为主。因此,定子绕组产生的MMF应该也含有奇次谐波,谐波和1日应该突出。静态转子偏心通常会影响磁导,但几乎没有影响磁动势(MMF) [14]。为了分析方便,我们忽略了高阶谐波,MMF任意点处的圆周位置角可以写成 在哪里和第一次谐波的定子和转子MMF,分别复合基频MMF,之间的角和 ,如图1 (h)。
为了清晰,周向角的上层定子线圈被定义为 。例如,第34线圈的位置被定义为 。因为有很多点结束每个线圈的一部分,我们定义的圆周位置th点 ,如图2(一个)。最后考虑到磁场区域通常是明显的漏磁场较小的磁场大小,我们设置一个系数的修改。然后,忽略了高阶谐波MMF,端绕组的电磁力可以获得通过 在哪里磁通密度之间的角度和定子电流点吗 。
(一)
(b)
此外,径向、切向和轴向电磁力组件的线圈可以通过 在哪里向量角点吗在圆柱坐标,端绕组的线圈曲线。
根据(12),电磁力对端绕组的直流分量和第二谐波。如果考虑到高阶谐波MMF,甚至应该有另外的谐波等4日6日和8日。静态转子偏心的发生会影响这些谐波的振幅但不会带来新的谐波。振幅变化取决于偏心率和线圈的位置 。在这篇文章中, 当 ,这将导致 。因此,电磁力将增加静态转子偏心。
3所示。有限元分析
3.1。模型设置
在本文中,我们把qfsn - 600 - 2 - yhg型汽轮发电机为研究对象,和三维瞬态类型是用于有限元分析的解决方案。在计算中,我们建立了物理模型和外部耦合电路一样Ref。1]。静态转子偏心设置的轴,偏心率是0.03。
发电机的关键参数表中列出1。定子铁芯的轴向长度是6300毫米,请求很多计算资源在3 d计算。平衡计算的准确性和资源,定子的十分之一,即630毫米,将有限元分析(1]。详细的定子铁芯有42个插槽,槽分布见图2(一个)。每个位置都有两层线圈,每个线圈的上部和更低的线在这些槽。例如,第34圈有上下线槽34线槽9。绕组双Y连接,相绕组分布见图2 (b)。
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3.2。电磁力
径向磁通密度变化见图3(一个)。结果表明,磁通密度曲线显示作为一个余弦函数。发生偏心,打码值在0度(轴)将会增加,而在180度附近,打码将会减少。这样的结果也符合方程(7)。
(一)
(b)
通过分布在轴向方向上是显示在图3 (b),坐标原点设置在定子铁芯的中心点。由于定子的一半长度是315毫米,能够将获得更大的值在[0,315),而在定子铁芯之外,通过振幅将会减少。静态转子偏心的发生通常会增加定子铁芯内的打码,即0 - 315毫米的地区。
更好地分析电磁力特性,力的部分和结束部分单独计算。力密度是首先计算。然后,进一步积分操作是通过实地执行计算器获得径向,切向,分别和轴向力组件。积极的径向力和轴向力的方向沿径向和轴向轴,分别从内到外。切向力,正方向沿着向前旋转方向设置。根据上述理论结果,线圈的电磁力(-90°,-55.7°)内将增加。具体来说,我们设置了第34圈(位置-72.9°)的特定分析对象。
端上的电磁力线圈如图4。通常情况下,两个线圈的180度周向距离通常有相同的电磁力。例如,13线圈和第34圈中所示的数据4(一)- - - - - -4 (d)力振幅相同。这个方程是一致的(12)。然而,静态转子偏心的发生会使磁通分布不均匀,导致线圈附近的小的力量增加气隙。例如,第34圈具有明显增加力量。作为验证,我们详细的角度值 在方程(12),发现 ,这意味着有积极增加力量。
(一)
(b)
(c)
(d)
为了更好的说明,第34圈之前和之后的力谱静态转子偏心如图5。显示在图5,无论在正常或静态转子偏心情况下,电磁力量包括一个明显的直流分量和第二次谐波。此外,甚至还有其他谐波如第四和第六,但更小的振幅。自恒力组件不会创造振动(周期性运动/变形)和高阶谐波小,第二次谐波线圈振动的力的主要因素。
(一)
(b)
每个线圈的二力谐波的振幅图中所示6。结果表明,径向力组件有更大的振幅比切向和轴向组件。因此,线圈将有一个更密集的径向振动。这就是为什么绑线应用于抑制线圈的径向振动。结束以来绕组被组织在两层和构造成一篮子形式、切向和轴向振动将导致绝缘穿两个相邻层之间。在同一层内,径向和轴向的振动也会引起绝缘穿。由于径向部队有更大的振幅,绝缘穿在同一层会比这更严重的不同的层。
(一)
(b)
(c)
(d)
这是显示在图6 (d)phase-end线圈(最后一个线圈沿旋转方向的阶段,例如,7日,14日,21日,28日和第42卷)马克斯电磁力,因此也更严重的振动和绝缘穿。此外,间期线圈(线圈周边到另一个阶段,如7日和8日线圈)最大切向力,如图6 (c)。因此,对于不同层时穿着,间期圈存到一个更大的风险比innerphase线圈。
静态转子偏心的是,一些线圈的电磁力以及震动绝缘穿着将会增加。具体来说,径向和轴向力组件的27 th-41st线圈将有增加趋势,而切向力的增加将出现在4日至23日线圈,线圈背后的180度的增加径向和轴向力。一般来说,29 th-42nd(包括上述32 nd-36th线圈(-90°,-55.7°)地区)线圈会放大合成部队。这种现象也符合前面的理论分析(见方程(12))。
3.3。机械响应
由于电磁力的作用,线圈将忍受的时变应力和变形高度可能造成材料疲劳和绝缘穿在长时间。耐磨的一个重要方式是提高制造技术,例如,传播一个线圈表面耐磨涂层的危险地区。关键是找出确切的危险地区。在本文中,我们开展multifield耦合计算得到机械变形和等效应力等反应。麦克斯韦的电磁力量导入3 d模块瞬态结构模块。详细结果见图7。这表明35线圈是C阶段结束时的最大应力和变形,因为它只是在气隙最小点。
(一)
(b)
(c)
(d)
为了更好地说明更详细的线圈响应,第34圈选为研究对象,分为16段,显示在图8(一个)。每个部分的具体的最大应力和变形数据所示8 (c)和8 (d),分别。结果表明,最大应力出现在段O和P实际上是根部分(点线之间的连接部分和结束部分)端绕组。除此之外,段G和H的中间部分端绕组的第二大压力。变形,中间端绕组的一部分,拥有最大的值(段G)。此外,部分A到F也有变形加剧。由于过分强调或过度变形将导致潜在的损坏线圈,根部分和鼻子附近的上半部分是最危险的地区。这些职位需要特定的强化。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
为了解释的最大应力和变形波形,我们简化上层渐开线作为梁,力负载分析如图8 (b),在那里是电磁力密度的更多细节可以在裁判。1]。定子铁芯,所提供的支持力量带来的拖曳力渐开线底部,他们可以获得通过 在哪里是鼻子的弯矩,梁的长度吗方向。
由于压力与弯矩,我们绘制原理图的剪力和弯矩,如图8 (e)和8 (f)。它表明,中间部分有最大弯矩。因此,中部地区最大的压力。这也可以进一步解释为弯曲应力方程(15)。然而,由于根部分形状变异位置,它必须面对应力集中。因此,最大应力出现在根部分,如图8 (c)。 在哪里是弯矩,抗弯截面系数。
由于弯矩的作用,将产生歪斜。梁的挠度的微分方程可以写成 在哪里弹性模量,惯性矩。
偏转的趋势可以通过两次弯矩集成性能,如图8 (g)。职位从P G,偏转通常会变得更大。这样的结果类似于模拟变形如图8 (d)。但在图G的变形8 (g)从图有所不同吗8 (d)。这是由于挠度之间的差异(径向方向的变形,即。,the partial deformation) and the deformation (the composite one includes not only the radial component but also others).
工程、线圈的压力是难以测试由于空间限制和数据传输的困难在强电磁场环境。然而,它是可能的测试振动(振动振幅实际上是变形)通过使用光纤加速度传感器。在本文中,我们解决两个加速度传感器进行实验研究在两种不同的线圈振动信号采样和验证;在下一节中可以找到更多细节。
4所示。实验研究
4.1。方法
MJF-30-6原型的实验被发电机备用电力系统国家重点实验室的可再生能源,中国,如图9(一个)。表列出了发电机的主要参数2。气隙是由一组高精度仪表测试,测试表明,最低气隙点(静态转子偏心位置)为120°,如图10 ()。两个加速度计是固定在端绕组和标记为A和B,如图9 (b)。传感器是在气隙最小点,而传感器B在相邻的线圈的阶段。更明确,发电机的部分图显示在图中10 ()。特别是,上述有限元计算类似的调查实验的地位,显示在图10 (b)。传感器在第34圈,而传感器B第41卷。第34卷的中心是最低气隙位置(见图1 (d)和2(一个)),第41届线圈在邻近的阶段。
(一)
(b)
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(一)
(b)
4.2。结果
振动的结果(加速度信号)所示的数字(11日)- - - - - -11 (d)。显然,第二次谐波是著名的组件,显示出良好的一致性的理论结果(见方程(12))。此外,传感器的振动振幅接近传感器的最低气隙位置大于B探测的仿真数据(线圈34)和B(线圈41)显示了相似的结果。这样的结果也匹配图6 (b)好了,因此,这是一个良好的仿真验证。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
5。结论
在这篇文章中,电磁力和随后的机械反应涡轮发电机的定子绕组结束之前和之后的静态转子偏心进行了研究。主要的结论基于理论分析,有限元计算和试验研究可以制定如下。(1)电磁力包含直流分量和谐波。静态转子偏心的发生将导致力变化。线圈的充分条件的力量将会增加线圈落范围内 (2)径向分力大于轴向和切向分量,导致更多的径向振动加剧。静态转子偏心情况,最低气隙点旁边的线圈将会增加(3)同一层内的线圈的绝缘穿比这更严重的两个相邻层之间。不同层时穿着,相间圈存到一个更大的风险比innerphase线圈。在正常条件下,振动在phase-end线圈(7日,14日,21日,28日,35,第42卷)最大的振幅。然而,在静态转子偏心情况下,放大振动将主要出现在29 th-42nd线圈(4)过分强调或过度变形将导致线圈绝缘的破坏。phase-end线圈是接近最低气隙点是最危险的一个。的根部分和中间部分线圈有最大压力,虽然鼻子附近的上半部分最大的变形。这两个地区在生产过程中,需要特别注意和特殊的强化
在下一步中,研究转子绕组上的电磁力将作为本文的补充。我们将进行同样的分析转子绕组在正常条件下和在转子偏心的情况下,分别。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(51777074)、河北省自然科学基金(E2020502032),河北省的顶级青年人才支持计划([2018]-27号),中央大学和基础研究基金(2017 ms146和2018 yq03)。
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