[发明专利]抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及发电电动机转子使用寿命预测领域，尤其是一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法。

背景技术

抽水蓄能电站作为调峰调频、事故备用电源在电力系统中得到了广泛应用。其发电电动机转子运行工况复杂，存在双向旋转、启停频繁等情况，飞逸时的转速达到了725rpm，使连接转子磁极（示意图如图1所示）和磁轭的T尾部（示意图如图2所示）产生了应力集中，在交变应力的作用下可能发生疲劳失效，给发电电动机的安全稳定运行带来了极大挑战。

转子T尾部剩余使用寿命评估的难点在于如何根据电机的实际运行情况绘制出T尾部的应力载荷谱（应力随时间变化的关系）并结合疲劳强度理论对T尾部进行剩余使用寿命评估。传统上基于简化模型的解析法和仅考虑部件静强度评估的研究方法已无法提供更为精确的定量分析和设计准则，以往的研究方法和缺陷如下：

（1）根据实际运行经验和试验提出的剩余寿命预测方法

1954年，C. J. Herman利用加速疲劳试验对电动机的绝缘寿命进行了研究，通过试验得出温升、电压和湿度是影响绝缘疲劳寿命最重要的三个因素。文章的分析方法是通过试验得到的，能够对某一具体分析对象的疲劳寿命做出较准确的预测。但是试验法只能针对特定的对象进行，不具有普适性，所需时间和花费较大，通常也只能考虑电动机这种工况比较单一的电机，对于具有转子双向旋转、启停频繁、负荷变化大的发电电动机来说，很难对其服役环境做出正确模拟。

（2）考虑对疲劳寿命存在影响因素的解析法分析

1991年，曾在美国通用电气、阿尔斯通公司以及斯坦福大学任职的I. D. Lomax对感应电机的鼠笼疲劳寿命进行了研究，考虑了交变热应力和机械离心力的影响并进行了解析法计算。文中采用的分析方法无法考虑电机的动态过渡过程，也无法给出较为精确的计算结果，不能准确地反映疲劳现象。

（3）基于多物理场耦合分析单一工况下的疲劳寿命预测

2014年，意大利的Mssimo Barcaro等人利用电磁-结构耦合场计算对内置永磁电机的启动过程进行了分析。考虑了电机的启停疲劳载荷，通过对关键部件的疲劳特性进行试验，对电机疲劳寿命进行了评估。文章考虑了电磁和机械两方面因素对应力的贡献，在电机工况运行方面只考虑启动过程对部件疲劳寿命的影响，没有考虑其他工况的影响，与电机实际运行情况不够贴切，不能满足发电电动机T尾部的疲劳分析需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，将电机学领域未曾考虑多工况对疲劳失效的累积作用以及对S-N曲线进行修正并用于抽水蓄能发电电动机转子T尾部疲劳寿命评估，克服了现有技术的缺陷，实现了对疲劳寿命做出准确预测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测方法，该方法包括以下步骤：

1）电磁场计算：通过电磁场计算得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力；

2）结构场计算：在考虑步骤1）计算出的电磁力以及转子旋转产生的离心力两方面因素的情况下，求得电磁力和离心力两个因素共同作用下产生的综合应力/应变分布；

3）绘制修正后的S-N曲线：通过对抽水蓄能发电电动机转子T尾部材料进行疲劳寿命试验得到部件承受的交变应力/应变与断裂循环周次之间的关系，即基本S-N曲线，在此基础上，考虑实际加工做的工艺处理，对基本S-N曲线进行修正，得到修正后的S-N曲线；

4）通过步骤3）得到的修正后的S-N曲线和步骤1）及2）的计算结果对抽水蓄能发电电动机转子T尾部进行疲劳寿命预测，即完成抽水蓄能发电电动机转子T尾部剩余使用寿命的预测。

步骤1）的计算方法为：

1-1）建立适合分析发电电动机电磁-结构-疲劳分析的模型；

1-2）建立外电路，其中B、C相电压分别超前和滞后A相电压120°，求解器为瞬态场求解；

1-3）对模型进行网格剖分；

1-4）场路耦合时步有限元求解，得到结构场计算所需的激励源输入，即电磁力。

步骤3）中，根据抽水蓄能发电电动机转子T尾部工艺处理情况得出影响T尾部的影响因子，结合影响因子对基本S-N曲线进行修正，得到修正后的S-N曲线。

本发明各步骤的主要内容如下：

1、基于场-路耦合时步有限元法的发电电动机瞬态场分析