[发明专利]一种关于定子端部绕组电磁力密度计算方法

说明书

本发明公开了一种关于定子端部绕组电磁力密度计算方法，涉及汽轮发电机技术领域。本发明首先建立定子端部绕组电磁力有限元模型，根据控制方程和边界条件，进行数值模拟计算，得到额定负载下绕组线棒上的电磁力密度和分布情况。然后基于定子铁心和多种媒质环境，采用镜像法、毕奥‑萨法尔定律、叠加原理及安培力定律，构建电磁力数学模型并推导出定子端部绕组磁感应强度和电磁力密度的解析式。最终得到数学模型的计算结果和有限元结果两者趋势一致，验证本发明计算方法的合理性。该方法不仅推导过程简单且得到的解析式关系清晰，便于定性分析，还能对径向、切向、轴向和合力电磁力密度进行计算以及分析，进一步研究单根线棒上不同部位的受力特性。

技术领域

本发明涉及汽轮发电机技术领域，尤其是涉及一种关于定子端部绕组电磁力密度计算方法。

背景技术

随着人们生活水平和制造水平的提高，电网容量不断增大，而大型汽轮发电机作为我国电力生产的重要动力，其能否稳定运转对整个电网的安全起关键作用。其定子端部绕组结构复杂，在漏磁场中作为一组负载导体工作时会受到电磁力而产生振动。研究表明，发电机长期运行，其定子端部绕组产生的机械振动会对结构的固定、导线的绝缘磨损等产生不可逆的损坏，进而产生短路等故障工况。而处于故障工况下的端部绕组的电流会呈数倍增大，且机械振动的振幅与电流的二次方成正比，因此定子端部绕组所承受的电磁力增强，振动的振幅也随之增大。若定子端部绕组振动过大，使其振幅超过规定范围，将会对机组的正常工作造成严重的影响，甚至出现事故。所以，对定子端部绕组进行受力分析非常有必要。

现阶段对定子端部绕组电磁力进行研究的方法主要有数值计算法和解析法。数值计算法虽然能解决任意边界条件且形状复杂的物理场问题，具有计算效率较高，成本较低的优点，但只能针对制造完成后的模型，不具备通用性。解析法从载流导体间的电磁作用角度出发，通过绕组之间的相互作用力得到计算电磁场和电磁力密度的具体表达式，反映各物理量之间的关系，了解其内在规律且通用性强。直接积分法属于解析法，且主要应用于直角坐标系。使用该方法时，忽略了部分铁磁结构件，直接将铁心压板看成理想磁镜面，应用镜像法将多媒质磁场问题简化为单一媒质问题，建立了定子端部绕组电磁力数学模型。根据毕奥-萨法尔定律、叠加定理和安培力定律可求解得到在直角坐标系下线棒上各点的电磁力密度，最后可通过坐标转换得到圆柱坐标系下的磁通密度分布。

发明内容

本发明的目的就是为了得到定子端部绕组在额定负载下的电磁力密度解析式，计算径向电磁力密度、切向电磁力密度、轴向电磁力密度和合力电磁力密度，研究单根线棒上不同部位的受力特性，以此分析定子端部绕组的受力特点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种关于定子端部绕组电磁力密度计算方法，该方法包括：

第一步：建立定子端部绕组有限元模型，将建立的三维模型导入至电磁力计算软件中，通过电磁计算，得到线棒上各个部位在相应时间下各个方向的电磁力密度。

第二步：应用镜像法，计算电磁场边值问题。主要步骤为：(1)确定镜像源电流的位置和大小，要求镜像电流不能出现在源空间中；(2)移除边界，使镜像处于由源空间中同一介质充满的空间；(3)叠加源像场得到最后的解。

第三步：根据有限元模型获取定子端部绕组中所有线棒的中心线坐标，根据其建立电磁力数学模型。其中，数学模型由两部分组成，一部分为铁心内的直线段，一部分为铁心外的部分直线段、渐开线段和鼻端。

第四步：根据毕奥-萨法尔定律，得到源点在空间任意场点P产生的磁感应强度；利用叠加原理，得到端部绕组中所有线棒在场点P产生的磁感用强度；运用安培力定律，得到场点P的电磁力密度。

第五步：以定子端部绕组中上层第7根线棒为例，计算其在额定负载下t＝5/600s时各个方向的电磁力密度，并与有限元模型计算结果进行对比。

本发明有益技术效果如下：