本發(fā)明涉及高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方法，具體涉及矩形磁極線圈和塔形向心磁極線圈的離心力仿真計算方法。

背景技術：

近年來，磁極線圈甩出引發(fā)掃膛的事故常有發(fā)生。其問題的原因是：由于轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)設計等存在問題，導致發(fā)電電動機機組運行時磁極線圈從磁極中心偏向極靴外側(cè)的分力外翻。抽水蓄能發(fā)電機組運行的可靠性直接影響著發(fā)電廠乃至整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，而勵磁系統(tǒng)作為電機的關鍵部分，其可靠性更為重要，高速水輪發(fā)電機勵磁繞組在飛逸轉(zhuǎn)速下會產(chǎn)生很大的離心效應，如果離心力超過強度要求，就會發(fā)生轉(zhuǎn)子掃膛事故。掃膛事故造成的損失是巨大的，因此引起了人們的極大重視，應客觀、細致的進行剖析。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決發(fā)電電動機機組在運行時，磁極線圈在飛速旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生離心效應，發(fā)生轉(zhuǎn)子掃堂的問題，進而提供高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方法。

本發(fā)明的技術方案是：為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案在于包括以下步驟：

第一步、電機轉(zhuǎn)子磁極及線圈幾何模型的建立；

采用三維設計軟件ProE進行電機轉(zhuǎn)子磁極及線圈幾何模型的三維造型，將造型完成的文件其改為igs格式導入Ansys Workbench中。

第二步、轉(zhuǎn)子的主要材料參數(shù)和靜力分析公式的確定；

根據(jù)靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響(如重力和離心力)，以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化的載荷，列出物體在經(jīng)典力學理論中的動力學通用方程；

第三步、對飛逸轉(zhuǎn)速下矩形磁極線圈的應力進行分析；

將矩形磁極，極靴與極身的夾角設為直角，極身兩側(cè)平行，線圈平行放置，在有限元模型中，只添加離心力的作用分別獲得矩形磁極的等效應力分布圖和矩形線圈的等效應力分布圖，計算出在只加載離心力載荷時磁極線圈所受的最大主應力，最后通過有限元仿真法，仿真矩形線圈所受的電磁力波形圖并以載荷的形式添加到Workbench中進行對線圈的受力分析，得出在飛逸轉(zhuǎn)速與電磁力共同作用下線圈的最大主應力和拉應力；

第四步、對飛逸轉(zhuǎn)速下塔形磁極線圈的應力進行分析；

將塔形磁極，極靴與極身的夾角為直角，線圈的離心力方向垂直于極靴底面，平行于極身側(cè)面，在只添加離心力的作用分別獲得塔形磁極的等效應力分布圖和塔形線圈的等效 應力分布圖，并計算出在只加載離心力載荷時磁極線圈所受的最大主應力，最后通過有限元仿真法，仿真塔形線圈所受的電磁力波形圖并以載荷的形式添加到Workbench中進行對線圈的受力分析，得出在飛逸轉(zhuǎn)速與電磁力共同作用下線圈的最大主應力和拉應力；

第五步、對比飛逸轉(zhuǎn)速下矩形磁極線圈和塔形磁極線圈的應力結(jié)果，獲取高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計要點；

磁極線圈所受應力與磁極形狀密切相關，通過有限元計算的對比，提出當電機其他結(jié)構(gòu)都一定時，對比塔形向心磁極的線圈所受的主應力與拉應力與矩形磁極線圈所受的應力，并提出高轉(zhuǎn)速下發(fā)電電動機磁極的形狀。

進一步地，第一步中所述的電機為一臺飛逸轉(zhuǎn)速為375r/min的凸極同步電機。

進一步地，第二步中轉(zhuǎn)子和線圈的主要材料參數(shù)為：

(1)轉(zhuǎn)子的主要材料參數(shù)：磁極材料屬性定義為各向同性，楊氏模量：E＝2E+11Pa，泊松比：μ＝0.3，密度：ρ＝7850kg/m³：

(2)線圈材料屬性定義為各向同性，楊氏模量：E＝1.1E+11Pa，泊松比：μ＝0.34，密度：ρ＝8300kg/m³：

進一步地，第二步中物體的動力學通用方程為：

式中其中[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度系數(shù)矩陣，{x}為位移矢量，{F}為力矢量。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明根據(jù)計算電磁學和結(jié)構(gòu)靜力學基本理論，采用有限元法對轉(zhuǎn)子磁極進行了計算與研究，得到兩種不同磁極下，磁極線圈所受的應力，并對其進行比較，最終提出高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機磁極結(jié)構(gòu)的改進方法，在電機磁極制造過程中合理優(yōu)化磁極形狀，從而減少掃膛事件發(fā)生的概率，對電機安全穩(wěn)定運行有重要意義。

附圖說明

圖1為轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)三維模型；

圖2為轉(zhuǎn)子三維模型的網(wǎng)絡劃分圖；

圖3矩形磁極的等效應力分布圖；

圖4矩形線圈的等效應力分布圖；

圖5為矩形磁極線圈所受電磁力波形圖；

圖6矩形磁極線圈主應力分布圖；

圖7為矩形磁極線圈拉應力分布圖；

圖8為塔形磁極的等效應力分布圖；

圖9為塔形線圈的等效應力分布圖；

圖10為塔形磁極線圈所受電磁力波形圖；

圖11為塔形磁極線圈主應力分布圖；

圖12為塔形磁極線圈拉應力分布圖；

圖13為高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方法步驟圖；

具體實施方式

具體實施方式一：電機轉(zhuǎn)子磁極及線圈幾何模型的建立

采用三維設計軟件ProE進行電機轉(zhuǎn)子磁極及線圈幾何模型的三維造型，將造型完成的文件其改為igs格式導入Ansys Workbench中。

具體實施方式二：轉(zhuǎn)子的主要材料參數(shù)和靜力分析公式的確定

設定轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示

表1 轉(zhuǎn)子主要外形尺寸

轉(zhuǎn)子的主要材料參數(shù)：磁極材料屬性定義為各向同性，楊氏模量：E＝2E+11Pa，泊松比：μ＝0.3，密度：ρ＝7850kg/m³。線圈材料屬性定義為各向同性，楊氏模量：E＝1.1E+11Pa，泊松比：μ＝0.34，密度：ρ＝8300kg/m³。

根據(jù)靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響(如重力和離心力)，以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化的載荷，列出物體在經(jīng)典力學理論中的動力學通用方程為

其中[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度系數(shù)矩陣，{x}為位移矢量，{F}為力矢量。

在線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中力與時間無關，因此位移{x}可有下面的矩陣方程解出：[K]{x}＝{F}

具體實施方式三：對飛逸轉(zhuǎn)速下矩形磁極線圈的應力進行分析；

(1)將矩形磁極，極靴與極身的夾角設為直角，極身兩側(cè)平行，線圈平行放置，磁極線圈在機組運行時由于離心力的作用會產(chǎn)生較大的側(cè)向力，在有限元模型中，只添加離心力的作用分別獲得矩形磁極的等效應力分布圖3和矩形線圈的等效應力分布圖4，計算出在只加載離心力載荷時磁極線圈所受的最大主應力；

(2)通過有限元仿真法，仿真矩形磁極線圈所受的電磁力波形圖(見圖5)并以載荷的形式添加到Workbench中進行對線圈的受力分析，得出在飛逸轉(zhuǎn)速與電磁力共同作用下線圈的最大主應力(見圖6)和拉應力(見圖7)；

具體實施方式四：對飛逸轉(zhuǎn)速下塔形磁極線圈的應力進行分析

(1)將塔形磁極，極靴與極身的夾角為直角，線圈的離心力方向垂直于極靴底面，平行于極身側(cè)面，機組正常運行時不產(chǎn)生側(cè)向力，銅排、絕緣、托板之間也無側(cè)向滑動，不會對線圈產(chǎn)生損壞，只添加離心力的作用分別獲得塔形磁極的等效應力分布圖8和塔形線圈的應力分布圖9，并計算出在只加載離心力載荷時磁極線圈所受的最大主應力；

(2)最后通過有限元仿真法，仿真線圈所受的電磁力波形圖(見圖10)并以載荷的形式添加到Workbench中進行對線圈的受力分析，得出在飛逸轉(zhuǎn)速與電磁力共同作用下線圈的最大主應力(見圖11)和拉應力(見圖12)；

具體實施方式五：對比飛逸轉(zhuǎn)速下矩形磁極線圈和塔形磁極線圈的應力結(jié)果，獲取高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動機磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計要點；

本文根據(jù)添加電磁力后的仿真計算得到的結(jié)果，進行比較兩種磁極線圈所受的應力，比較如表2所示。

表2 結(jié)果比較

有上述圖表2可知，塔形向心磁極線圈的應力小于矩形磁極線圈所受應力，本發(fā)明在設定飛逸轉(zhuǎn)速為375r/min的凸極同步電機的三維模型和求解條件，得到兩種不同磁極下，磁極線圈所受的應力，并對其進行比較得到結(jié)論，為電機的磁極設計及優(yōu)化提供了有效依據(jù)。

磁極線圈所受應力與磁極形狀密切相關，通過有限元計算的對比可知，當電機其他結(jié)構(gòu)都一定時，塔形向心磁極的線圈所受的主應力與拉應力明顯小于矩形磁極線圈所受的應力，所以，在電機設計過程中，要綜合考慮情況，合理優(yōu)化磁極形狀。