張子方

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展，在大型水輪發(fā)電機的電場計算中，需要將ANSYS的軟件編程技術(shù)作為主要的平臺，實現(xiàn)對大型水輪發(fā)電機的電機偏心磁場的有效計算。在該方法中，可以有效計算大型水輪機中偏心轉(zhuǎn)子的一系列參數(shù)。簡要分析了物理模型，闡述了水輪機的電機轉(zhuǎn)子偏心磁場的計算情況，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：ANSYS前處理器；水輪機發(fā)電機；電磁場計算；電子轉(zhuǎn)子

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.154

1 物理模型

在物理模型方面，需要對大型的水輪發(fā)電機的二維電磁場求解。在大多數(shù)水輪發(fā)電機中，所存在的磁極結(jié)構(gòu)是處于相同狀態(tài)中的，也就是在利用不均勻氣隙的情況下，保持極身和極靴的寬度不變，并且每極上的阻尼條根數(shù)不盡相同。因此，在計算水輪發(fā)電機的橫截面積時候，需要對1個或1/2單元電機進行剖分。也就是說，至少剖分1個磁極或1個以上甚至更多的磁極，并且大型水輪發(fā)電機中的齒槽結(jié)構(gòu)也是相當類似的，所以，可以利用編程軟件來實現(xiàn)。

在目前的電磁場軟件中，需要對其拓撲結(jié)構(gòu)進行相關(guān)計算。在計算時，要遵循以下幾個原則；①求解的周期和半周期的邊界中的節(jié)點數(shù)和位置都要處于一一對應(yīng)的狀態(tài)；②一類邊界上的節(jié)點都要按照連續(xù)的逆時針排列方式來排列；③邊界中的節(jié)點編號必須是根據(jù)半徑之間存在的遞增關(guān)系排列的，邊界上的節(jié)點編號也必須按半徑遞增的關(guān)系依次排序；④節(jié)點需要按照預(yù)先的數(shù)量來實現(xiàn)均勻分布，并且在編號也要按照逆時針的順序排列。總而言之，在排列的過程中，要根據(jù)其實際情況排列拓撲信息結(jié)構(gòu)。

2 水輪發(fā)電機的電機轉(zhuǎn)子偏心磁場的計算

2.1 轉(zhuǎn)子偏心的定義

本文以1臺轉(zhuǎn)子發(fā)生靜態(tài)偏心的四極電機為主要研究對象，該電機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電機運行的過程中，如果轉(zhuǎn)子中心從O點沿OT軸向右偏移到了O′點的位置，并且在運行過程中，轉(zhuǎn)子繞O′點旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，需要計算大型水輪發(fā)電機的磁場。圖1中，γ代表轉(zhuǎn)子位置角，為轉(zhuǎn)子第1極的磁極中心線d軸領(lǐng)先定子參考軸OT的電角度。

2.2 模型的建立

根據(jù)實際情況建立對模型，在建立的過程中，需要考慮以下2個方面的內(nèi)容：①在忽略位移電流的情況下，如果對電機直線部分采取二維磁場分析，端部中所產(chǎn)生的端部漏感如何體現(xiàn)；②忽略定子疊片鐵心和有源電流區(qū)的渦流區(qū)域，并且在水輪發(fā)電機中的二維全場域的平面磁場中，要有效計算矢量磁位和發(fā)電機的邊值，從而實現(xiàn)對電機的科學計算。

2.3 轉(zhuǎn)子偏心磁場的計算

本文應(yīng)用ANSYS軟件對求解場域進行有限元數(shù)值分析時，需要處理3個方面的內(nèi)容，即前處理、求解過程和后處理。

在前處理階段，需要創(chuàng)建出分析模型，根據(jù)各部分的定義進行材料性質(zhì)以及其求解區(qū)域的劃分，最終實現(xiàn)對單元類型的定義。本文選用PLANE53號單元進行靜態(tài)磁場分析，而文中的電機求解域包含的材料有包括定、轉(zhuǎn)子鐵心、空氣和線圈，并且分析時需要利用到六節(jié)點三角形單元。

在求解階段，需要計算設(shè)定電樞、加邊界條件、施加激勵和運行等相關(guān)方面內(nèi)容。在本文的計算中，要充分利用加電流面密度載荷的方式來求解域內(nèi)外邊界附一類邊界條件。在整個求解計算過程中，需要利用波前算法對模型進行求解，利用氣隙區(qū)域中剖分節(jié)點中體現(xiàn)出的耦合設(shè)置，從而了解和計算轉(zhuǎn)子不同偏心量，最終了解到不同旋轉(zhuǎn)位置下電機中不同的電磁場的分布狀況。

在后處理階段，主要是利用每個模型中的節(jié)點自由度來計算，其中，需要對磁鏈、磁感應(yīng)強度、磁場強度、磁力線和渦流電流等相關(guān)物理量進行計算。本文主要用ANSYS軟件的APDL參數(shù)化編程語言計算轉(zhuǎn)子偏心磁場的程序。在計算過程中，可以自動加載計算偏心轉(zhuǎn)子的自動旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子不同位置下偏心磁場，最終輸出線圈磁鏈結(jié)果數(shù)據(jù)。在計算過程中，要全面計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所發(fā)生的效應(yīng)。在此過程中，就需要仿照氣隙運動帶的思想，引入氣隙運動線的原理，將發(fā)電機氣隙模型從中間分成2部分計算，分別是定子側(cè)氣隙和轉(zhuǎn)子側(cè)氣隙，這2部分氣隙邊界在中間重合。采用耦合2條重合線上的剖分節(jié)點來模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后造成的電機結(jié)構(gòu)變化。

2.4 結(jié)算結(jié)果分析

由上述計算方式可知，需要進行計算結(jié)果的實驗。本文將1臺42極550 MW的水輪發(fā)電機作為主要研究對象，對該電機中的轉(zhuǎn)子偏心磁場進行有限元計算，得到了發(fā)電機在轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心下的磁場分布和支路電感。

該電機模型建立，并且對其計算后，可以得出該電機模型中的剖分單元數(shù)為14萬，節(jié)點數(shù)為28萬。當該電機中的轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)偏心20%的情況下，同時，轉(zhuǎn)子位置角γ為0時，對于該電機中的定子繞組支路，采取了施加額定電流載荷的措施。在此過程中，可利用有限元軟件計算該電機中的磁力線，并且

繪制磁力線分布圖。

通過計算可知，在該系統(tǒng)電機中，支路的自感系數(shù)的常數(shù)項中的轉(zhuǎn)子偏心處于朝向處的狀態(tài)，其中的氣隙會在一定程度上變小，使得磁密增加，從而出現(xiàn)該位置定子繞組的支路自感系數(shù)變大的情況；反之，偏心反向處的定子繞組支路自感系數(shù)則變小。這充分說明，定子繞組的系數(shù)與各支路沿電機周向的分布位置有關(guān)。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文利用ANSYS軟件在電磁場實驗中實現(xiàn)了對偏心轉(zhuǎn)子的自動計算等，同時，利用編寫的APDL語言有限元分析程序的自完成性，最大限度地實現(xiàn)在電機運行過程中、無需人工干預(yù)的情況下，對線圈磁鏈值的輸出。在水輪機的電機中，轉(zhuǎn)子偏心造成水輪發(fā)電機定子支路間、定轉(zhuǎn)子支路間的電感不再對稱，偏心朝向處的定子支路自感和定轉(zhuǎn)子支路互感變大，反向處變小。

參考文獻

[1]王旭，李金香.ANSYS前處理器在大型水輪發(fā)電機電磁場計算中的應(yīng)用[J].大電機技術(shù)，2003（3）：21-23.

[2]由美雁.基于ANSYS軟件的減速器建模與有限元分析[D].沈陽：東北大學，2003.

[3]王生武，石秀華，王永虎，等.基于ANSYS/LS-DYNA的加筋板入水沖擊仿真[J].計算機測量與控制，2010，18（6）：1401-1403，1406.

〔編輯：白潔〕